CONTRIBUINTES

Quer você seja um estudante de graduação embarcando em uma campanha de medição ambiental, um pesquisador experiente ou um produtor preocupado com o gerenciamento da irrigação, em algum momento você provavelmente já percebeu que precisa medir a umidade do solo. Por quê? Porque a disponibilidade de água é um dos principais fatores de produtividade do ecossistema, e a umidade do solo (ou seja, o conteúdo de água do solo/potencial de água do solo) é a fonte imediata de água para a maioria das plantas. O que é umidade do solo? Abaixo está uma visão abrangente da definição de umidade do solo e uma exploração de alguns termos científicos importantes usados em conjunto com a umidade do solo.

O que significa a umidade do solo?

A umidade do solo é mais do que apenas saber a quantidade de água no solo. Há princípios básicos que você precisa conhecer antes de decidir como medi-la. Aqui estão algumas perguntas que podem ajudá-lo a se concentrar no que realmente está tentando descobrir.

• Você está interessado na água armazenada no solo?
• Você se preocupa mais com a água disponível para a produtividade primária para maximizar a produção ou entender a produção máxima em seu local?
• Você está estudando o movimento da água e dos solutos nos solos?
• Seu objetivo é otimizar o uso da água nas plantações?
• Você está modelando a hidrologia do solo?

Dependendo de qual dessas questões você está interessado, a umidade do solo pode ter um significado muito diferente.

Saiba qual variável você deve medir

A maioria das pessoas analisa a umidade do solo apenas em termos de uma variável: o conteúdo de água do solo. Mas são necessários dois tipos de variáveis para descrever o estado da água no solo: o conteúdo de água, que é a quantidade de água, e o potencial de água, que é o estado de energia da água.

O conteúdo de água do solo é uma variável extensa. Ele muda de acordo com o tamanho e a situação. É definido como a quantidade de água por unidade total de volume ou massa. Basicamente, é a quantidade de água existente.

O potencial hídrico é uma variável "intensiva" que descreve a intensidade ou a qualidade da matéria ou da energia. Ele é frequentemente comparado à temperatura. Assim como a temperatura indica o nível de conforto de um ser humano, o potencial da água pode indicar o nível de conforto de uma planta. O potencial da água é a energia potencial por mol (unidade de massa, volume, peso) de água com referência à água pura com potencial zero. Você pode considerar o potencial hídrico como o trabalho necessário para remover uma pequena quantidade de água do solo e depositá-la em uma piscina de água pura e livre.

Saiba mais sobre variáveis intensivas e extensivas

Faça o download do "Guia completo do pesquisador para o potencial hídrico"

Conteúdo de água do solo: É apenas uma quantidade

Este artigo examina brevemente dois métodos diferentes de medição do teor de água do solo: teor de água gravimétrico e teor de água volumétrico.

O conteúdo gravimétrico de água é a massa de água por massa de solo (ou seja, gramas de água por grama de solo). É o principal método de medição do conteúdo de água do solo porque a quantidade de água do solo é medida diretamente pela medição da massa. É calculado pesando o solo úmido amostrado no campo, secando-o em um forno e, em seguida, pesando o solo seco.

Assim, o conteúdo gravimétrico de água é igual à massa de solo úmido menos a massa de solo seco dividida pela massa de solo seco. Em outras palavras, a massa da água dividida pela massa do solo.

O conteúdo volumétrico de água é o volume de água por volume total de solo.

O teor de água volumétrico descreve a mesma coisa que o teor de água gravimétrico, exceto pelo fato de que está sendo relatado com base no volume.

Por exemplo, os componentes de um volume conhecido de solo são mostrados na Figura 1. Todos os componentes totalizam 100%. Como o conteúdo volumétrico de água (VWC) é igual ao volume de água dividido pelo volume total do solo, nesse caso, o VWC será de 35%. Às vezes, o VWC é relatado como ^cm3/cm3 ou polegadas por pé.

Gravimétrico e VWC: ligados pela densidade aparente

O conteúdo gravimétrico de água(w) pode ser convertido em conteúdo volumétrico de água(ϴ) multiplicando-se pela densidade aparente seca do solo(⍴_b) (Equação 3).

Como o teor de água gravimétrico é o método de primeiros princípios (ou direto) para medir a quantidade de água no solo, ele é usado para desenvolver calibrações e validar leituras de quase todas as medições de VWC que são detectadas in situ ou remotamente. Se você tiver um sensor dielétrico, terá alguma relação que converte o que está lendo no campo eletromagnético em conteúdo de água no solo. Portanto, se não tiver certeza de que seu conteúdo volumétrico de água está correto, faça uma amostragem do solo, meça o conteúdo gravimétrico de água, colete uma amostra de densidade aparente e verifique você mesmo.

Como medir o conteúdo volumétrico de água

A maioria das medições de conteúdo volumétrico de água é feita com algum tipo de sensor. Conteúdo de água METER sensores usam tecnologia de capacitância. Para fazer essa medição, esses sensores aproveitam a "polaridade" da água. Como isso funciona?

A Figura 2 mostra uma molécula de água. Há um polo negativo na parte superior com um átomo de oxigênio e um polo positivo na parte inferior com dois átomos de hidrogênio. Se introduzíssemos um campo eletromagnético (Figura 3) no solo, essa molécula de água chamaria a atenção. Se o campo fosse invertido, ela dançaria na direção oposta. Assim, ao criar um campo eletromagnético com um sensor de teor de água, é possível medir o efeito da água nesse campo eletromagnético. Se houver mais água no solo, o efeito será maior. Saiba mais sobre a tecnologia de capacitância aqui.

Por que medir o conteúdo de água do solo com um sensor?

O uso de um sensor de teor de água do solo abre a possibilidade de uma série temporal (Figura 4), uma ferramenta poderosa usada para entender o que está acontecendo no solo. Para medir o teor de água gravimétrico, é necessário coletar uma amostra ou uma série de amostras e levá-las ao laboratório. Se você precisar de uma série temporal, isso é impraticável porque você estaria essencialmente no campo coletando amostras o tempo todo.

Com um sensor de teor de água, você pode medir automaticamente o tempo das alterações no teor de água do solo e comparar as profundidades em um perfil. E as formas dessas curvas fornecem informações importantes sobre o que está acontecendo com a água em seu solo.

A Tabela 1 compara diferentes métodos de detecção de solo.

O teor de água gravimétrico é uma boa medida de princípios iniciais, mas consome tempo, é destrutivo e fornece apenas um instantâneo no tempo. Os sensores de conteúdo de água do solo fornecem uma série temporal, permitem a detecção de perfil ao longo do tempo e evitam a amostragem destrutiva, embora um sensor ainda seja inserido no solo. O sensoriamento remoto fornece uma série temporal em uma escala limitada, mas é extremamente poderoso para amostragem espacial, o que é importante para medir o teor de água. Os sensores de umidade do solo METER reduzem a perturbação com umaferramenta de instalação especializada , projetada para minimizar a perturbação do local (assista ao vídeo para ver como funciona).

Saturação: não é o que você pensa

Em termos de conteúdo volumétrico de água, o solo seco em estufa tem 0% de VWC por definição. É um ponto final definido. A água pura está no outro extremo da escala, em 100%. Muitas pessoas pensam que 100% de VWC é um solo totalmente saturado, mas não é. Cada tipo de solo se saturará em diferentes teores de água.

Uma maneira de ver isso é como uma porcentagem de saturação:

% de saturação = VWC/porosidade * 100

Se você conhece a porosidade de um determinado tipo de solo, é possível aproximar o conteúdo de água na saturação. Mas os solos raramente atingem a saturação no campo. Por quê?

Na Figura 6, você pode ver que, à medida que o solo adsorve água, ele cria uma película de água que se agarra às partículas do solo. Há também espaços porosos cheios de ar. Em condições de campo, é difícil eliminar esses espaços de ar. Esse aprisionamento de ar é a razão pela qual a porcentagem de saturação raramente será igual ao máximo de saturação teórica para qualquer tipo de solo.

O que é potencial hídrico?

O potencial hídrico é a outra variável usada para descrever a umidade do solo. Conforme observado anteriormente, ele é definido como o estado de energia do solo ou a energia potencial por mol de água com referência à água pura com potencial zero. O que isso significa? Para entender esse princípio, compare a água em umaamostra de solo com a água em um copo. A água no copo é relativamente livre e disponível; a água no solo está ligada a superfícies e pode ser diluída por solutos e até mesmo sob pressão. Como resultado, a água do solo tem um estado de energia diferente da água "livre". A água livre pode ser acessada sem exercer nenhuma energia. A água do solo só pode ser extraída se for gasta uma energia equivalente ou maior do que a energia com a qual ela é mantida. O potencial da água expressa a quantidade de energia que você precisaria gastar para retirar a água da amostra de solo.

O potencial hídrico é a soma de quatro componentes diferentes: potencial gravitacional + potencial matricial + potencial de pressão + potencial osmótico (Equação 3).

O potencial matricial é o componente mais significativo no que diz respeito ao solo, pois está relacionado à água que está aderindo às superfícies do solo. Na Figura 6, o potencial matricial é o que criou a película de água aderida às partículas do solo. À medida que a água é drenada do solo, os espaços porosos cheios de ar ficam maiores, e a água fica mais aderida às partículas do solo à medida que o potencial matricial diminui. Assista ao vídeo abaixo para ver o potencial matricial em ação.

Um gradiente de potencial hídrico é a força motriz do fluxo de água no solo. E o potencial hídrico do solo é o melhor indicador da água disponível para as plantas(saiba por que aqui). Assim como o teor de água, o potencial hídrico pode ser medido com sensores no laboratório e no campo. Aqui estão alguns exemplos de diferentes tipos de sensores de potencial hídrico de campo.

O potencial hídrico prevê o movimento da água

A água se moverá de um local de maior energia para um local de menor energia até que os locais atinjam o equilíbrio, conforme ilustrado na Figura 7. Por exemplo, se o potencial hídrico de um solo fosse de -50 kPa, a água se moveria em direção a -100 kPa, mais negativo, para se tornar mais estável.

Isso também se aproxima do que acontece no continuum planta-solo-atmosfera. Na Figura 8, o solo está a -0,3 MPa e as raízes estão um pouco mais negativas, a -0,5 MPa. Isso significa que as raízes puxarão a água do solo para cima. Em seguida, a água subirá pelo xilema e sairá pelas folhas ao longo desse gradiente de potencial. E a atmosfera, a -100 MPa, é o que impulsiona esse gradiente. Portanto, o potencial hídrico define a direção em que a água se moverá no sistema.

O que é a água disponível na planta?

A água disponível para a planta é a diferença no conteúdo de água entre a capacidade de campo e o ponto de murcha permanente no solo ou no meio de cultivo (veja as definições abaixo). A maioria das culturas sofrerá uma perda significativa de rendimento se o solo secar mesmo perto do ponto de murcha permanente. Para maximizar o rendimento da cultura, o conteúdo de água do solo normalmente será mantido bem acima do ponto de murcha permanente, mas a água disponível para a planta ainda é um conceito útil porque comunica o tamanho do reservatório de água no solo. Com algum conhecimento básico sobre o tipo de solo, a capacidade de campo e o ponto de murcha permanente podem ser estimados a partir de medições feitas por sensores de umidade do solo in situ . Esses sensores fornecem dados contínuos sobre o conteúdo de água no solo que podem orientar as decisões de gerenciamento da irrigação para aumentar a produtividade da cultura e a eficiência do uso da água.

O que é capacidade de campo?

A capacidade de água no campo é definida como "o conteúdo de água em uma base de massa ou volume que permanece em um solo dois ou três dias após ter sido molhado com água e após a drenagem livre ser insignificante". Glossário de termos da ciência do solo. Soil Science Society of America, 1997. Geralmente, supõe-se que seja o conteúdo de água em um potencial hídrico de -33 kPa para solos de textura fina ou de -10 kPa em solos arenosos, mas esses são apenas pontos de partida grosseiros. A capacidade de campo real depende das características do perfil do solo. Ela deve ser determinada com base nos dados de conteúdo de água monitorados no campo. Se estiver analisando os dados de capacidade de campo, é bom saber como se chegou a esse ponto.

Embora geralmente especifiquemos a capacidade de campo em termos de potencial hídrico, é importante perceber que ela é, na verdade, uma propriedade de fluxo. A água se move para baixo no perfil do solo sob a influência do gradiente de potencial gravitacional. Ela continuará descendo para sempre, mas, à medida que o solo seca, a condutividade hidráulica diminui rapidamente, tornando o fluxo descendente pequeno em comparação com as perdas por evaporação e transpiração. Pense no solo como um balde com vazamento. As plantas estão tentando pegar parte da água à medida que ela desce pela zona da raiz.

O que é ponto de murcha permanente?

No extremo oposto da escala está o ponto de murcha permanente. O ponto de murcha permanente foi determinado experimentalmente em girassóis e definido como -15 bar (-1500 kPa, Briggs e Shantz, 1912, p. 9). É o potencial do solo no qual os girassóis murcham e não conseguem se recuperar durante a noite. Teoricamente, é o tanque vazio, onde há uma perda completa da pressão de turgor e a planta murcha. Mas -1500 kPa não é necessariamente o ponto de murcha para todas as plantas. Muitas plantas "murcham" em pontos diferentes; algumas plantas começarão a se proteger de danos permanentes muito antes de -1500 kPa e outras bem depois. Portanto, -1500 kPa é um ponto de referência útil no solo, mas esteja ciente de que um cacto provavelmente não se importa com -1500 kPa, e um pinheiro ponderosa certamente não se desligará nesse ponto. Portanto, isso pode significar coisas diferentes para plantas ou culturas diferentes (leia mais: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).

Você pode determinar de forma rápida e fácil o ponto de murcha permanente de qualquer solo usando o software METER. WP4C.

Tipo de solo: a lente através da qual você vê

Para tirar conclusões significativas sobre o teor de água, é preciso saber algo sobre o tipo de solo.

A Figura 9 é um gráfico das classes de textura mais comuns, de areia a argila. Cada textura tem uma distribuição de tamanho de partícula diferente. A Tabela 2 ilustra que, a -1500 kPa (ponto de murcha permanente), cada classe de textura tem um teor de água diferente. E o mesmo acontece com a capacidade de campo.

Tabela 2. Capacidade de campo representativa e ponto de murcha permanente para diferentes texturas de solo

Textura	FC (v%)	PWP (v%)
Areia	5	1
Areia argilosa	10	2
Argila arenosa	17	6
Argila arenosa	32	19
Barro	27	14
Argila arenosa	38	28
Argila siltosa	27	13
Silte	24	10
Argila argilosa	36	23
Argila siltosa	36	22
Argila siltosa	40	28
Argila	42	32

É interessante notar que uma argila arenosa pode ter um VWC de 32% na capacidade de campo (que é um solo bem hidratado), mas para uma argila, o VWC de 32% está no ponto de murcha permanente. Isso significa que você deve coletar uma amostra do solo ao instalar sensores para garantir que conhece a textura do solo e o que está acontecendo nele. Isso é especialmente importante quando há mudanças no tipo de solo: mudanças no perfil do solo ou variabilidade espacial de um local para outro. Observe que o potencial hídrico não muda com a situação. Para todos esses tipos de solo, -33 kPa é -33 kPa, seja em argila ou areia. Se considerarmos um solo siltoso como um tipo de solo de textura média, seu teor de água de -33 kPa é de 27% e seu teor de água de -1500 kPa é de 13%. Em uma densidade aparente típica, o espaço poroso total é de cerca de 50%. Se esse espaço fosse preenchido, o solo estaria saturado. Portanto, a partir da saturação (supondo que a capacidade de campo seja de -33 kPa), metade da água seria drenada para atingir a capacidade de campo. Cerca de metade da água restante é água disponível para a planta. Depois que a planta tiver extraído toda a água que puder, uma quantidade de água aproximadamente igual à água disponível para a planta ainda estará no solo, mas não poderá ser removida pela planta.

O PARIO é um instrumento que determina automaticamente o tipo de solo e a distribuição do tamanho das partículas de qualquer solo.

Curvas de retenção de água no solo

Há uma relação entre o potencial hídrico e o conteúdo volumétrico de água que pode ser ilustrada por meio de uma curva de retenção de água no solo (às vezes chamada de curva de liberação de umidade ou curva característica de água no solo). A Figura 10 mostra exemplos de curvas para três solos diferentes. No eixo x está o potencial de água em uma escala logarítmica e no eixo Y está o conteúdo volumétrico de água. As curvas de retenção de água do solo são como impressões digitais físicas, exclusivas de cada solo. Isso ocorre porque a relação entre o potencial hídrico e o conteúdo de água do solo é diferente para cada solo. Com essa relação, você pode descobrir como os diferentes solos se comportarão em qualquer ponto da curva. Você pode responder a perguntas críticas, como: a água será drenada pelo solo rapidamente ou ficará retida na zona da raiz? As curvas de retenção de água no solo são ferramentas poderosas usadas para prever a absorção de água pelas plantas, a drenagem profunda, o escoamento superficial e muito mais. Saiba mais sobre como isso funciona aqui ou assista ao Soil Moisture 201.

O HYPROP é um instrumento que gera automaticamente curvas de retenção de água no solo na faixa úmida. É possível criar curvas de retenção em toda a faixa de umidade do solo combinando o HYPROP e o WP4C.

Umidade do solo: Preciso do conteúdo de água ou do potencial hídrico?

Antes de embarcar em qualquer campanha de medição da umidade do solo, faça a si mesmo as seguintes perguntas:

• Preciso saber quanta água está armazenada no solo?
• Preciso saber em que direção a água vai se mover?
• Preciso saber se minhas plantas podem receber água?
• Preciso saber quanta água há no solo para minhas plantas?
• Preciso saber quando regar?

Se você só precisa saber quanta água está armazenada no solo, deve se concentrar no conteúdo de água do solo. Se você quiser saber para onde a água vai se deslocar, então o potencial hídrico é a medida certa. Para saber se suas plantas podem receber água, você precisará medir o potencial hídrico. Leia mais sobre isso no artigo: "Por que a umidade do solo não pode lhe dizer tudo o que você precisa saber". No entanto, se você quiser saber quando regar ou quanta água está armazenada no solo para as plantas, provavelmente precisará do conteúdo de água e do potencial hídrico. Isso ocorre porque você precisa saber quanta água está fisicamente no solo e precisa saber em que ponto suas plantas não conseguirão obtê-la. Saiba mais sobre como isso funciona no artigo: "Quando regar: medições duplas resolvem o mistério".

Qual sensor de teor de água é o melhor para sua aplicação?

Neste webinar de 20 minutos, o Dr. Colin Campbell desmistifica as diferenças entre os métodos de medição do conteúdo de água do solo . Ele explora a teoria da medição científica e os prós e contras de cada método. Ele também explica qual tecnologia pode ser aplicada a diferentes tipos de pesquisa de campo e por que o sensoriamento moderno é mais do que apenas o sensor.

Aprenda: 

• Teoria de medição por trás do método gravimétrico, capacitância, reflectometria no domínio do tempo (TDR), transmissão no domínio do tempo (TDT), reflectometria no domínio da frequência (FDR), sensores de resistência e muito mais
• Qual tecnologia se aplica a diferentes situações de campo
• Quais fatores são importantes na escolha de um tipo de sensor
• Por que alguns métodos não são de nível de pesquisa
• Como a detecção moderna é mais do que apenas o sensor
• Como determinar uma boa relação preço/desempenho para sua aplicação exclusiva

Recursos para: O que é umidade do solo?

Kirkham, Mary Beth. Principles of soil and plant water relations (Princípios das relações hídricas do solo e da planta). Academic Press, 2014.(Link do livro)

Taylor, Sterling A. e Gaylen L. Ashcroft. Physical edaphology (Edafologia física). The physics of irrigated and nonirrigated soils (A física dos solos irrigados e não irrigados). 1972.(Link do livro)

Hillel, Daniel. Fundamentals of soil physics (Fundamentos da física do solo). Imprensa acadêmica, 2013.(Link do livro)

Dane, Jacob H., G. C. Topp e Gaylon S. Campbell. Methods of soil analysis physical methods (Métodos de análise de solo: métodos físicos). No. 631.41 S63/4. 2002.(Link do livro)

Como interpretar os dados de umidade do solo

Mergulhe fundo no aprendizado sobre a umidade do solo. No webinar abaixo, o Dr. Colin Campbell discute como interpretar dados surpreendentes e problemáticos sobre a umidade do solo. Ele também ensina o que esperar em diferentes situações de solo, local e ambiente.