Evolución de la detección de la humedad del suelo
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¿Qué es la humedad del suelo? La ciencia detrás de la medición
La mayoría de la gente considera la humedad del suelo sólo en términos de una variable: el contenido de agua. Pero se necesitan dos tipos de variables para describir el estado del agua en el suelo.
Tanto si eres un estudiante de posgrado que se embarca en una campaña de medición medioambiental, un investigador experimentado o un agricultor preocupado por la gestión del riego, en algún momento te habrás dado cuenta de que necesitas medir la humedad del suelo. ¿Por qué? Porque la disponibilidad de agua es uno de los principales impulsores de la productividad de los ecosistemas, y la humedad del suelo (es decir, el contenido de agua del suelo/el potencial hídrico del suelo) es la fuente inmediata de agua para la mayoría de las plantas. ¿Qué es la humedad del suelo? A continuación se ofrece una visión completa de la definición de humedad del suelo y una exploración de algunos términos científicos importantes utilizados en relación con la humedad del suelo.
¿Qué significa la humedad del suelo?
La humedad del suelo es algo más que conocer la cantidad de agua que contiene. Hay principios básicos que debes conocer antes de decidir cómo medirla. Aquí tienes algunas preguntas que pueden ayudarte a centrarte en lo que realmente intentas averiguar.
- ¿Le interesa el agua almacenada en el suelo?
- ¿Le importa más el agua disponible para la productividad primaria a fin de maximizar la producción o comprender la producción máxima en su emplazamiento?
- ¿Está estudiando el movimiento del agua y los solutos en los suelos?
- ¿Pretende optimizar el uso del agua en los cultivos?
- ¿Está modelando la hidrología del suelo?
Dependiendo de cuál de estas cuestiones le interese, la humedad del suelo puede significar algo muy diferente.
Sepa qué variable debe medir
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 del agua en el suelo: el contenido de agua, que es la cantidad de agua, y el potencial hídrico, que es el estado energético del agua.
El contenido de agua del suelo es una variable extensiva. Cambia con el tamaño y la situación. Se define como la cantidad de agua por unidad total de volumen o masa. Básicamente, es la cantidad de agua que hay.
El potencial hídrico es una variable "intensiva " que describe la intensidad o la calidad de la materia o la energía. A menudo se compara con la temperatura. Al igual que la temperatura indica el nivel de confort de un ser humano, el potencial hídrico puede indicar el nivel de confort de una planta. El potencial hídrico es la energía potencial por mol (unidad de masa, volumen, peso) de agua con referencia al agua pura a potencial cero. Se puede considerar el potencial hídrico como el trabajo necesario para extraer una pequeña cantidad de agua del suelo y depositarla en un estanque de agua pura y libre.
Más información sobre variables intensivas y extensivas
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Contenido de agua del suelo: Es sólo una cantidad
Este artículo examina brevemente dos métodos diferentes para medir el contenido de agua del suelo: el contenido gravimétrico de agua y el contenido volumétrico de agua.
El contenido gravimétrico de agua es la masa de agua por masa de suelo (es decir, gramos de agua por gramo de suelo). Es el método principal para medir el contenido de agua del suelo porque la cantidad de agua del suelo se mide directamente midiendo la masa. Se calcula pesando el suelo húmedo muestreado en el campo, secándolo en un horno y pesando después el suelo seco.
Así, el contenido gravimétrico de agua es igual a la masa de suelo húmedo menos la masa de suelo seco dividido por la masa de suelo seco. En otras palabras, la masa del agua dividida por la masa del suelo.
El contenido volumétrico de agua es el volumen de agua por volumen total de suelo.
El contenido volumétrico de agua describe lo mismo que el contenido gravimétrico de agua, salvo que se informa sobre la base del volumen.
Por ejemplo, en la figura 1 se muestran los componentes de un volumen conocido de suelo. Todos los componentes suman 100%. Dado que el contenido volumétrico de agua (VWC) es igual al volumen de agua dividido por el volumen total del suelo, en este caso, el VWC será del 35%. El VWC se expresa a veces en cm3/cm3 o pulgadas por pie.
Gravimetría y VWC: vinculadas por la densidad aparente
El contenido gravimétrico de agua(w) puede convertirse en contenido volumétrico de agua(ϴ) multiplicándolo por la densidad aparente seca del suelo(⍴b) (ecuación 3).
Dado que el contenido gravimétrico de agua es el método de primeros principios (o directo) para medir cuánta agua hay en el suelo, se utiliza para desarrollar calibraciones y validar las lecturas de casi todas las mediciones del VWC que se detectan in situ o a distancia. Si tiene un sensor dieléctrico, tiene alguna relación que convierte lo que está leyendo en su campo electromagnético en un contenido de agua del suelo. Por lo tanto, si no está seguro de si su contenido volumétrico de agua es correcto, tome una muestra de suelo, mida el contenido gravimétrico de agua, tome una muestra de densidad aparente y compruébelo usted mismo.
Cómo medir el contenido volumétrico de agua
La mayoría de las mediciones del contenido volumétrico de agua se realizan utilizando algún tipo de sensor.Los sensores de contenido de agua METER utilizan tecnología de capacitancia. Para realizar esta medición, estos sensores aprovechan la "polaridad" del agua. ¿Cómo funcionan?
La figura 2 muestra una molécula de agua. Hay un polo negativo en la parte superior con un átomo de oxígeno y un polo positivo en la parte inferior con dos átomos de hidrógeno. Si introdujéramos un campo electromagnético (Figura 3) en el suelo, esta molécula de agua saltaría a la vista. Si el campo se invirtiera, bailaría en sentido contrario. Así, creando un campo electromagnético con un sensor de contenido de agua, es posible medir el efecto del agua sobre ese campo electromagnético. Si hay más agua en el suelo, el efecto será mayor. Obtenga más información sobre la tecnología de capacitancia aquí.
¿Por qué medir el contenido de agua del suelo con un sensor?
El uso de un sensor de contenido de agua en el suelo abre la posibilidad de realizar series temporales (Figura 4), una potente herramienta para comprender lo que ocurre en el suelo. La medición gravimétrica del contenido de agua requiere tomar una muestra o una serie de muestras y llevarlas al laboratorio. Si se necesita una serie temporal, esto es poco práctico porque se estaría esencialmente en el campo tomando muestras todo el tiempo.
Con un sensor de contenido de agua, puede medir automáticamente el momento de los cambios en el contenido de agua del suelo y comparar profundidades en un perfil. Y las formas de estas curvas proporcionan información importante sobre lo que está ocurriendo con el agua del suelo.
En el cuadro 1 se comparan diferentes métodos de detección del suelo.
| Contenido gravimétrico de agua | Sensores VWC | Teledetección (SMOS) |
|---|---|---|
| Primeros principios/método directo | Conveniente para series temporales | Puede realizar series temporales a escala limitada |
| Consumo de tiempo | Permite la detección de perfiles a lo largo del tiempo | Extremadamente potente para el muestreo espacial |
| Destructivo | Menos intrusivo | |
| Sólo 1 instantánea en el tiempo |
El contenido gravimétrico de agua es una buena medida de principio, pero requiere mucho tiempo, es destructiva y sólo ofrece una instantánea en el tiempo. Los sensores de contenido de agua en el suelo proporcionan una serie temporal, permiten la detección de perfiles a lo largo del tiempo y evitan el muestreo destructivo, aunque sigue siendo necesario introducir un sensor en el suelo. La teledetección proporciona una serie temporal a escala limitada, pero es extremadamente potente para el muestreo espacial, que es importante para medir el contenido de agua. Los sensores de humedad del suelo METER reducen las molestias con unaherramienta de instalación especializada , diseñada para minimizar las molestias en el lugar (vea el vídeo para ver cómo funciona).
Saturación: no es lo que piensas
En términos de contenido volumétrico de agua, el suelo seco al horno es 0% VWC por definición. Es un punto final definido. El agua pura está en el otro extremo de la escala, en el 100%. Mucha gente piensa que un 100% de VWC es un suelo totalmente saturado, pero no es así. Cada tipo de suelo se satura con un contenido de agua diferente.
Una forma de verlo es como porcentaje de saturación:
% de saturación = VWC/porosidad * 100
Si se conoce la porosidad de un determinado tipo de suelo, es posible aproximar el contenido de agua en el momento de la saturación. Pero los suelos rara vez alcanzan la saturación en el campo. ¿Por qué?
En la Figura 6, se puede ver que a medida que el suelo absorbe agua, crea una película de agua que se adhiere a las partículas del suelo. También hay espacios porosos llenos de aire. En condiciones de campo, es difícil eliminar estos espacios de aire. Este atrapamiento de aire es la razón por la que el porcentaje de saturación rara vez será igual al máximo teórico de saturación para cualquier tipo de suelo.
¿Qué es el potencial hídrico?
El potencial hídrico es la otra variable utilizada para describir la humedad del suelo. Como ya se ha indicado, se define como el estado energético del suelo o la energía potencial por mol de agua con referencia al agua pura a potencial cero. ¿Qué significa esto? Para entender este principio, compare el agua de unamuestra de suelo de con el agua de un vaso. El agua del vaso es relativamente libre y está disponible; el agua del suelo está ligada a superficies y puede estar diluida por solutos e incluso bajo presión. En consecuencia, 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 una energía equivalente o superior a la energía con la que está retenida. El potencial hídrico expresa cuánta energía habría que gastar para extraer esa agua de la muestra de suelo.
El potencial hídrico es la suma de cuatro componentes diferentes: el potencial gravitacional + el potencial mátrico + el potencial de presión + el potencial osmótico (ecuación 3).
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 6, el potencial mátrico es lo 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 de tamaño y el agua se adhiere más fuertemente a las partículas del suelo a medida que disminuye el potencial mátrico. Vea el siguiente vídeo para ver el potencial mátrico en acción.
Un gradiente de potencial hídrico es la fuerza motriz del flujo de agua en el suelo. Y el potencial hídrico del suelo es el mejor indicador del agua disponible para las plantas(sepa por qué aquí). Al igual que el contenido de agua, el potencial hídrico puede medirse con sensores tanto en el laboratorio como en el campo. He aquí algunos ejemplos de diferentes tipos de sensores de potencial hídrico de campo.
El potencial hídrico predice el movimiento del agua
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 7. Por ejemplo, si el potencial hídrico de un suelo fuera de -50 kPa, el agua se desplazaría hacia -100 kPa, más negativo, para estabilizarse.
Esto también se aproxima a lo que ocurre en el continuo suelo-atmósfera de la planta. En la figura 8, 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. Y la atmósfera, a -100 MPa, es la que impulsa este gradiente. Así que el potencial hídrico define en qué dirección se moverá el agua en el sistema.
¿Qué es el agua disponible para las plantas?
El agua disponible para las plantas es la diferencia de contenido de agua entre la capacidad de campo y el punto de marchitamiento permanente del suelo o del medio de cultivo (véanse las definiciones más abajo). La mayoría de los cultivos experimentarán una pérdida significativa de rendimiento si se permite que el suelo se seque incluso cerca del punto de marchitamiento permanente. Para maximizar el rendimiento de los cultivos, el contenido de agua del suelo se mantendrá normalmente muy por encima del punto de marchitamiento permanente, pero el agua disponible de la planta sigue siendo un concepto útil porque comunica el tamaño de la reserva de agua en el suelo. Con algunos conocimientos básicos sobre el tipo de suelo, la capacidad de campo y el punto de marchitamiento permanente pueden estimarse a partir de mediciones realizadas por sensores de humedad del suelo in situ . Estos sensores proporcionan datos continuos sobre el contenido de agua del suelo que pueden orientar las decisiones de gestión del riego para aumentar el rendimiento de los cultivos y la eficiencia en el uso del agua.
¿Qué es la capacidad de campo?
La capacidad de agua de campo se define como "el contenido de agua en masa o en volumen que permanece en un suelo dos o tres días después de haber sido humedecido con agua y después de que el drenaje libre sea insignificante." Glosario de términos de la ciencia del suelo. Soil Science Society of America, 1997. A menudo se supone que es el contenido de agua a -33 kPa de potencial hídrico en suelos de textura fina o a -10 kPa en suelos arenosos, pero se trata sólo de puntos de partida aproximados. La capacidad real depende de las características del perfil del suelo. Debe determinarse a partir de los datos de contenido de agua controlados sobre el terreno. Si se consultan los datos de capacidad de campo, conviene saber cómo se ha llegado a ese punto.
Aunque generalmente especificamos la capacidad de campo en términos de potencial hídrico, es importante darse cuenta de que en realidad se trata de una propiedad de flujo. El agua desciende por el perfil del suelo bajo la influencia del gradiente de potencial gravitatorio. Continuará bajando eternamente, pero a medida que el suelo se seca, la conductividad hidráulica disminuye rápidamente, haciendo que el flujo descendente sea pequeño en comparación con las pérdidas por evaporación y transpiración. Piense en el suelo como en un cubo agujereado. Las plantas intentan captar parte del agua a medida que desciende por la zona radicular.
¿Qué es el punto de marchitamiento permanente?
En el extremo opuesto de la escala se encuentra el punto de marchitamiento permanente. El punto de marchitamiento permanente se determinó experimentalmente en girasoles y se definió como -15 bares (-1500 kPa, Briggs y Shantz, 1912, p. 9). Es el potencial del suelo al que los girasoles se marchitan y son incapaces de recuperarse durante la noche. Es teóricamente el depósito vacío, donde hay una pérdida completa de presión de turgencia, y la planta se ha marchitado. Pero -1500 kPa no es necesariamente el punto de marchitamiento de todas las plantas. Muchas plantas se "marchitan" en puntos diferentes; algunas empezarán a protegerse de daños permanentes mucho antes de -1500 kPa y otras mucho después. Así que -1500 kPa es un punto de referencia útil en el suelo, pero ten en cuenta que a un cactus probablemente no le importen -1500 kPa, y un pino ponderosa ciertamente no se apagará en ese punto. Así que puede significar cosas distintas para plantas o cultivos diferentes (leer más: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).
Puede determinar de forma rápida y sencilla el punto de marchitamiento permanente de cualquier suelo utilizando la herramienta METER WP4C.
Tipo de suelo: la lente a través de la cual se ve
Para sacar conclusiones significativas sobre el contenido de agua, debe saber algo sobre su tipo de suelo.
La figura 9 es un gráfico de las clases de textura más comunes, desde la arena hasta la arcilla. Cada textura tiene una distribución granulométrica diferente. La tabla 2 ilustra que a -1500 kPa (punto de marchitamiento permanente) cada clase de textura tiene un contenido de agua diferente. Y lo mismo ocurre con la capacidad de campo.
| Textura | FC (v%) | PWP (v%) |
|---|---|---|
| Arena | 5 | 1 |
| Arena limosa | 10 | 2 |
| Franco arenoso | 17 | 6 |
| Franco arcilloso arenoso | 32 | 19 |
| Marga | 27 | 14 |
| Arcilla arenosa | 38 | 28 |
| Franco limoso | 27 | 13 |
| Limo | 24 | 10 |
| Franco arcilloso | 36 | 23 |
| Franco arcilloso limoso | 36 | 22 |
| Arcilla limosa | 40 | 28 |
| Arcilla | 42 | 32 |
Curiosamente, un suelo franco-arcilloso arenoso puede tener un VWC del 32% a capacidad de campo (que es un suelo bien hidratado), pero para un suelo arcilloso, un VWC del 32% es el punto de marchitamiento permanente. Esto significa que debe tomar una muestra de suelo cuando instale los sensores para asegurarse de que conoce la textura de su suelo y lo que ocurre en él. Esto es especialmente importante cuando hay cambios en el tipo de suelo: cambios en el perfil del suelo o variabilidad espacial de un lugar a otro. Tenga en cuenta que el potencial hídrico no cambia con la situación. Para todos estos tipos de suelo, -33 kPa es -33 kPa tanto si se trata de una arcilla como de una arena. Si consideramos un suelo limoso como un tipo de suelo de textura media, su contenido de agua a -33 kPa es del 27% y su contenido de agua a -1500 kPa es del 13%. Con una densidad aparente típica, el espacio poroso total es de alrededor del 50%. Si se llenara, el suelo estaría saturado. Así pues, partiendo de la saturación (suponiendo que la capacidad de campo es de -33 kPa), la mitad del agua se drenaría para alcanzar la capacidad de campo. Aproximadamente la mitad del agua que queda es agua disponible para la planta. Una vez que la planta ha extraído toda el agua que puede, queda en el suelo una cantidad de agua aproximadamente igual al agua disponible para la planta, pero que ésta no puede eliminar.
El PARIO es un instrumento que determinará automáticamente el tipo de suelo y la distribución granulométrica de cualquier suelo.
Curvas de retención de agua en el suelo
Existe una relación entre el potencial hídrico y el contenido volumétrico de agua que puede ilustrarse mediante una curva de retención de agua del suelo (a veces denominada curva de liberación de humedad o curva característica del agua del suelo). La Figura 10 muestra ejemplos de curvas para tres suelos diferentes. En el eje x se muestra el potencial hídrico en una escala logarítmica y en el eje Y el contenido volumétrico de agua. Las curvas de retención de agua del suelo son como huellas dactilares físicas, únicas para cada suelo. Esto se debe a que la relación entre el potencial hídrico y el contenido de agua del suelo es diferente para cada suelo. Con esta relación, puede averiguar cómo se comportarán los distintos suelos en cualquier punto de la curva. Puede responder a preguntas críticas como: ¿drenará el agua por el suelo rápidamente o se retendrá en la zona radicular? Las curvas de retención de agua en el suelo 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 su funcionamiento aquí o vea Humedad del suelo 201.
El HYPROP es un instrumento que genera automáticamente curvas de retención de agua del suelo en el rango húmedo. Puede crear curvas de retención en todo el rango de humedad del suelo combinando el HYPROP y el WP4C.
Humedad del suelo: ¿Necesito el contenido de agua o el potencial hídrico?
Antes de embarcarse en cualquier campaña de medición de la humedad del suelo, hágase estas preguntas:
- ¿Necesito saber cuánta agua hay almacenada en el suelo?
- ¿Necesito saber en qué dirección se va a mover el agua?
- ¿Necesito saber si mis plantas pueden recibir agua?
- ¿Necesito saber cuánta agua hay en el suelo para mis plantas?
- ¿Necesito saber cuándo regar?
Si sólo necesita saber cuánta agua se almacena en el suelo, debe centrarse en el contenido de agua del suelo. Si lo que quieres saber es hacia dónde se va a mover el agua, entonces el potencial hídrico es la medida adecuada. Para saber si tus plantas pueden obtener agua, tendrás que medir el potencial hídrico. Lea más sobre este tema en el artículo "Por qué la humedad del suelo no puede decirte todo lo que necesitas saber". Sin embargo, si quieres saber cuándo regar o cuánta agua hay almacenada en el suelo para tus plantas, probablemente necesites tanto el contenido de agua como el potencial hídrico. Esto se debe a que necesitas saber cuánta agua hay físicamente en el suelo, y necesitas saber en qué momento tus plantas no van a poder obtenerla. Más información en el artículo: "Cuándo regar: las mediciones duales resuelven el misterio".
¿Qué sensor de contenido de agua es el mejor para su aplicación?
En este seminario web de 20 minutos, el Dr. Colin Campbell desmitifica las diferencias entre los métodos de medición del contenido de agua del suelo . Explora la teoría científica de la medición y los pros y los contras de cada método. También explica qué tecnología puede aplicarse a distintos tipos de investigación de campo y por qué la detección moderna es algo más que el sensor.
Aprende:
- Teoría de medición del método gravimétrico, capacitancia, reflectometría en el dominio del tiempo (TDR), transmisión en el dominio del tiempo (TDT), reflectometría en el dominio de la frecuencia (FDR), sensores de resistencia, etc.
- Qué tecnología se aplica a las distintas situaciones sobre el terreno
- Qué factores son importantes a la hora de elegir un tipo de sensor
- Por qué algunos métodos no son aptos para la investigación
- La detección moderna es algo más que el sensor
- Cómo determinar una buena relación calidad-precio para su aplicación específica
Recursos para: ¿Qué es la humedad del suelo?
Kirkham, Mary Beth. Principios de las relaciones hídricas del suelo y las plantas. Academic Press, 2014.(Enlace del libro)
Taylor, Sterling A., y Gaylen L. Ashcroft. Edafología física. La física de los suelos regados y no regados. 1972.(Enlace al libro)
Hillel, Daniel. Fundamentos de física del suelo. Academic press, 2013.(Enlace del libro)
Dane, Jacob H., G. C. Topp y Gaylon S. Campbell. Métodos físicos de análisis de suelos. No. 631.41 S63/4. 2002.(Enlace del libro)
Cómo interpretar los datos de humedad del suelo
Sumérjase en el conocimiento de la humedad del suelo. En el siguiente seminario web, el Dr. Colin Campbell explica cómo interpretar datos sorprendentes y problemáticos sobre la humedad del suelo. También enseña qué esperar en diferentes suelos, sitios y situaciones ambientales.
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