DR. GAYLON S. CAMPBELL

Simplificação da água disponível para a planta

Tanto a quantidade quanto a disponibilidade de água (água disponível para as plantas) no solo são importantes para as raízes das plantas e para os organismos que vivem no solo. Para descrever a quantidade de água no solo, usamos o termo teor de água. Para descrever a água disponível para as plantas, falamos de potencial hídrico. Na termodinâmica, o conteúdo de água seria chamado de variável extensiva e o potencial de água, de variável intensiva. Ambas são necessárias para descrever corretamente o estado da água no solo e nas plantas. Além de descrever o estado da água no solo, também pode ser necessário saber a velocidade com que a água se moverá no solo. Para isso, precisamos conhecer a condutividade hidráulica. Outros parâmetros importantes do solo são o espaço total de poros, o limite superior drenado para a água do solo e o limite inferior da água disponível em um solo. Como essas propriedades variam muito entre os solos, seria útil estabelecer correlações entre esses parâmetros muito úteis e as propriedades facilmente medidas, como a textura do solo e a densidade aparente. Este documento apresentará as informações necessárias para modelos simples de processos de água no solo.

Faça o download do "Guia completo do pesquisador para o potencial hídrico" para obter informações mais detalhadas sobre a água disponível para as plantas

Teor de água e densidade aparente

A quantidade de água no solo é descrita como o teor de água. Ele pode ser descrito com base na massa ou no volume. O teor de água com base na massa é a massa de água perdida de uma amostra de solo, quando ela é seca a 105 °C, dividida pela massa do solo seco. Essa definição é útil para determinar o teor de água no laboratório, mas não é particularmente útil para descrever a quantidade de água no campo. Nesse caso, o teor de água com base no volume é mais útil. É o volume de água retido por unidade de volume de solo. Se w for o conteúdo de água com base na massa e θ for o conteúdo de água com base no volume, então

em que _ρb e _ρw são a densidade aparente e a densidade da água. A densidade aparente do solo é a massa seca do solo dividida pelo volume do solo. A densidade da água é de 1 ^Mg/m3. Em solos minerais, a densidade aparente normalmente tem um valor entre 1,1 e 1,7 ^Mg/m3. O conteúdo volumétrico de água é, portanto, normalmente maior do que o conteúdo de água em massa. Você pode pensar em θ como a fração do volume do solo ocupada pela água. A fração ocupada por sólidos pode ser calculada a partir da densidade aparente

em que _ρs é a densidade dos sólidos do solo. Normalmente, ela tem um valor em torno de 2,65 ^Mg/m3. O espaço total de poros no solo é 1 - _fs. Quando o solo está completamente saturado com água, seu conteúdo de água é o conteúdo de água de saturação, _ρs. Ele pode ser calculado a partir da densidade aparente como

O potencial hídrico informa a água disponível para a planta

Nem toda a água contida no solo está igualmente disponível para plantas, micróbios e insetos. Uma maneira de determinar a água disponível para as plantas é medir o potencial hídrico. O potencial hídrico é a energia potencial por unidade de massa de água. A água no solo é mantida por forças de adesão à matriz do solo, está sujeita à atração gravitacional e contém solutos que reduzem sua energia em comparação com a energia da água pura e livre. Portanto, os organismos vivos precisam gastar energia para remover a água do solo. O potencial hídrico é uma medida da energia por unidade de massa de água necessária para remover uma quantidade infinitesimal de água do solo e transportá-la para um reservatório de referência de água pura e livre. Como geralmente é necessária energia para remover a água, o potencial hídrico costuma ser uma quantidade negativa. Para energia potencial por unidade de massa, as unidades de potencial hídrico são J/kg. A energia por unidade de volume é ^J/m3, ou N/m ou Pa. Preferimos J/kg, mas frequentemente vemos o potencial da água relatado em kPa ou MPa. Um J/kg é numericamente quase igual a 1 kPa.

Embora muitos fatores influenciem o potencial hídrico, o mais importante em um contexto biológico é geralmente o potencial matricial. Ele surge devido à atração da matriz do solo pela água e, portanto, depende muito das propriedades da matriz e da quantidade de água na matriz. Assista ao vídeo para ver como ele funciona.

A Figura 1 mostra curvas típicas de liberação de umidade ou características de umidade para solos de areia, silte e argila. As argilas, devido aos tamanhos menores de poros e às maiores áreas de superfície das partículas, reduzem mais o potencial hídrico em um determinado teor de água do que as areias e os solos argilosos. As características de umidade, como as da Figura 1, são lineares quando o logaritmo do potencial hídrico é plotado como uma função do logaritmo do teor de água. A equação que descreve essas curvas é

em que _ψm é o potencial matricial, θ é o conteúdo volumétrico de água, _ψe é chamado de potencial de entrada de ar do solo e b é uma constante. O potencial de entrada de ar e o conteúdo de água de saturação são, às vezes, combinados em uma única constante, a, resultando em

assim

O potencial de entrada de ar e o valor de b dependem da textura e da estrutura do solo. A textura do solo pode ser especificada usando o nome de uma classe textural, como franco-siltoso ou franco-arenoso fino, como frações de areia, silte e argila, ou como um diâmetro médio de partícula e um desvio padrão dos diâmetros de partícula. Esse último é o mais útil para determinar as propriedades hidráulicas. Usaremos a densidade aparente ou o espaço total de poros como medida da estrutura do solo.

Shiozawa e Campbell (1991) fornecem as seguintes relações para converter as medições das frações de silte e argila em diâmetro médio geométrico de partículas e desvio padrão

e

em que _mt e _my são as frações de silte e argila na amostra, _dg é o diâmetro médio geométrico das partículas em µm e _σg é o desvio padrão geométrico.

Propriedades hidráulicas e textura do solo

As relações entre as propriedades hidráulicas e a textura e estrutura do solo são, no momento, bastante incertas, embora muitas pesquisas tenham sido feitas nessa área. As equações a seguir são derivadas parcialmente da teoria e parcialmente do ajuste empírico de conjuntos de dados de vários locais. A dependência do potencial de entrada de ar em relação à textura e à densidade aparente pode ser calculada a partir de

em que _θs é da Equação 3 e _dg é da Equação 6.

O expoente, b, pode ser estimado a partir de

A Tabela 1 lista as doze classes de textura dos solos e fornece as frações aproximadas de silte e argila para o centro de cada classe. Em seguida, mostra os valores de _dg, _σg, _ψe e b para cada classe.

Capacidade de campo e ponto de murcha permanente

A água se move rapidamente pelo solo com alto teor de água, principalmente devido à força da gravidade para baixo e à alta condutividade hidráulica do solo quase saturado. No entanto, à medida que a água é drenada do solo, a condutividade hidráulica diminui rapidamente e a taxa de movimento fica mais lenta. O movimento descendente da água sob a influência da gravidade torna-se muito pequeno em potenciais de água entre -10 e -33 J/kg. A água em potenciais abaixo desses valores é, portanto, mantida dentro da zona da raiz e está disponível para absorção pela planta (água disponível para a planta). O teor de água quando o potencial matricial está entre -10 e -33 J/kg (-10 para areias; -33 para argilas) é o teor de água da capacidade de campo(_θfc) ou o limite superior drenado. Esse é o teor de água que se esperaria encontrar se um perfil de solo fosse molhado por uma chuva forte ou irrigação, coberto e deixado em repouso por dois ou três dias. Em outras palavras, é o teor de água mais alto que normalmente se espera encontrar em um solo de campo, exceto logo após a adição de água.

Os valores do teor de água a -33 J/kg foram calculados usando a Equação 4 para cada uma das texturas, supondo que ρs ₌ 0,5, e são mostrados na Tabela 1.

Observe que as areias drenam para apenas alguns por cento de umidade na capacidade de campo, enquanto os solos de textura mais fina podem ter teores de água acima de 0,3 ^m3m-3. Entretanto, todos os teores de água na capacidade de campo estão bem abaixo da saturação. Os valores mostrados na tabela podem precisar ser ajustados para representar o que seria encontrado no campo, pois a densidade aparente tende a depender da textura. As areias tendem a ter altas densidades aparentes (1,6 Mg/m), enquanto os solos de textura mais fina tendem a ter densidades aparentes mais baixas. O ponto de murcha permanente (PWP) não significa que a planta é morta por potenciais de água nessa faixa. Significa que a planta não se recuperará da murcha a menos que seja aplicada água. Muitas espécies são capazes de retirar água do solo para potenciais hídricos bem abaixo de -1500 J/kg, e a retirada rápida de água do solo tornará a água indisponível para uma planta que é mantida em potenciais bem acima de -1500 J/kg. No entanto, o valor fornece um limite inferior aproximado para o conteúdo de água do solo do qual as plantas estão extraindo água. Os valores de _θpwp também são mostrados na Tabela 1 para θs₌ 0,5.

A água disponível para a planta é definida como a água retida no solo entre a capacidade de campo e a murcha permanente. Esses valores também são mostrados na Tabela 1. Os valores são baixos para solos de textura grossa, mas tendem a ser bastante uniformes para outras texturas de solo, embora os valores da capacidade de campo e do ponto de murcha permanente variem bastante. No entanto, é preciso ter cuidado ao usar os valores fornecidos na tabela.

Previsão do ponto de murcha permanente a partir da capacidade de campo

Como tanto a capacidade de campo quanto o ponto de murcha permanente podem ser calculados a partir de parâmetros básicos do solo, é lógico que eles estariam correlacionados. A Figura 2 mostra o conteúdo de água de murcha permanente para todas as doze classes de textura plotadas como uma função do conteúdo de água da capacidade de campo. A correlação é boa, e os dados são bem ajustados por um polinômio de segunda ordem. O resultado prático disso é que basta conhecer uma ou outra dessas variáveis, e a outra pode ser encontrada a partir da relação entre as duas.

Obtenção de propriedades hidráulicas a partir de dados de levantamento do solo

Os teores de água de -33 e -1500 J/kg (1/3 e 15 bar) geralmente estão disponíveis nos dados de levantamento do solo. Se eles forem conhecidos, podemos encontrar a e b na Equação 5.5. Tomando os logaritmos de ambos os lados da Equação 5.5, obtemos ln ψm₌ ln a-b ln θ. Substituindo _θfc = 33 e _θpwp = 1500 e seus teores de água correspondentes (use números positivos para _ψm ao tomar logs; não é possível tomar o log de um número negativo), obtemos duas equações em duas incógnitas, b e a, que podem ser resolvidas simultaneamente para obter os dois parâmetros

Certifique-se de que os valores de _θfc e _θpwp que você usa são de conteúdo volumétrico de água. A maioria dos dados laboratoriais são teores de água com base na massa, pois são medidos por meio de secagem em estufa. Se forem teores de água com base na massa, converta-os em teores de água com base no volume usando a densidade aparente e a Equação 1 antes de usá-los para calcular a e b. Às vezes, tudo o que se tem é uma estimativa do teor de água disponível para um solo. Nesse caso, podemos estimar b com precisão suficiente para ainda encontrar um valor para a. Seja _θav = _θfc - _θpwp, o conteúdo de água disponível (água disponível para a planta) para o solo. Podemos reorganizar a Equação 5 para obter

Se não tivermos nenhuma outra informação que indique o valor de b, assumiremos um valor de 5. Isso resulta em a = _637θ5av. Conhecendo os valores de a e b, podemos usar a Equação 5 para encontrar _θfc e _θpwp. Uma estimativa do conteúdo de água seco ao ar, que precisaremos nos modelos de evaporação das superfícies do solo, é estimada a partir de

Medir todos os parâmetros necessários para modelar a água disponível na planta

Tanto o teor quanto o potencial de água podem ser medidos de forma contínua e fácil com os sensores de solo METER. O WP4C mede o potencial da água no laboratório e pode ser usado para prever o ponto de murcha permanente. A METER também fornece uma série de outros instrumentos de pesquisa de campo e de laboratório que medem a condutividade hidráulica e a textura do solo. Assista ao vídeo para ver como nossos instrumentos de laboratório trabalham juntos para caracterizar as propriedades hidráulicas do solo.

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• Por que a umidade do solo é mais do que apenas uma quantidade
• Teor de água: o que é, como é medido e por que você precisa dele
• Potencial hídrico: o que é, como é diferente do teor de água e por que você precisa dele
• Se você deve medir o conteúdo de água, o potencial hídrico ou ambos
• Quais sensores medem cada tipo de parâmetro

Referências

1. Campbell, Gaylon S. Soil physics with BASIC: transport models for soil-plant systems (Física do solo com BASIC: modelos de transporte para sistemas solo-planta). Vol. 14. Elsevier, 1985. Link do livro.

2. Shiozawa, S., e G. S. Campbell. "On the calculation of mean particle diameter and standard deviation from sand, silt, and clay fractions" (Sobre o cálculo do diâmetro médio das partículas e do desvio padrão das frações de areia, silte e argila). Soil Science 152, no. 6 (1991): 427-431. Link do artigo.

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