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La humedad del suelo

La humedad del suelo es el contenido de agua del suelo . Se puede expresar en términos de volumen o peso. La medición de la humedad del suelo puede basarse en sondas in situ (p. ej., sondas de capacitancia , sondas de neutrones ) o métodos de detección remota . [1] [2]

El agua que ingresa a un campo se elimina de éste mediante escorrentía , drenaje , evaporación o transpiración . [3] La escorrentía es el agua que fluye desde la superficie hasta el borde del campo; el drenaje es el agua que fluye a través del suelo hacia abajo o hacia el borde del campo subterráneo; la pérdida de agua por evaporación de un campo es la parte del agua que se evapora a la atmósfera directamente desde la superficie del campo; La transpiración es la pérdida de agua del campo por su evaporación de la propia planta.

El agua afecta la formación , estructura , estabilidad y erosión del suelo , pero es una preocupación primordial con respecto al crecimiento de las plantas . [4] El agua es esencial para las plantas por cuatro razones:

  1. Constituye entre el 80 y el 95% del protoplasma de la planta .
  2. Es esencial para la fotosíntesis .
  3. Es el disolvente en el que se transportan los nutrientes hacia, dentro y por toda la planta.
  4. Proporciona la turgencia mediante la cual la planta se mantiene en la posición adecuada. [5]

Además, el agua altera el perfil del suelo al disolver y volver a depositar solutos y coloides minerales y orgánicos , a menudo en niveles más bajos, un proceso llamado lixiviación . En un suelo franco , los sólidos constituyen la mitad del volumen, el gas un cuarto del volumen y el agua un cuarto del volumen del cual sólo la mitad estará disponible para la mayoría de las plantas, con una fuerte variación según el potencial matricial . [6]

El agua se mueve en el suelo bajo la influencia de la gravedad , la ósmosis y la capilaridad . [7] Cuando el agua ingresa al suelo, desplaza el aire de los macroporos interconectados mediante flotabilidad y rompe los agregados en los que queda atrapado el aire, un proceso llamado apagado . [8] La velocidad a la que un suelo puede absorber agua depende del suelo y sus otras condiciones. A medida que una planta crece, sus raíces eliminan primero el agua de los poros más grandes (macroporos). Pronto, los poros más grandes sólo retienen aire y el agua restante se encuentra sólo en los poros de tamaño intermedio y más pequeño ( microporos ). El agua de los poros más pequeños está tan fuertemente adherida a las superficies de las partículas que las raíces de las plantas no pueden extraerla. En consecuencia, no toda el agua del suelo está disponible para las plantas, con una fuerte dependencia de la textura . [9] Cuando se satura, el suelo puede perder nutrientes a medida que se drena el agua. [10] El agua se mueve en un campo de drenaje bajo la influencia de la presión donde el suelo está localmente saturado y por capilaridad atrae hacia las partes más secas del suelo. [11] La mayoría de las necesidades de agua de las plantas se suministran mediante la succión causada por la evaporación de las hojas de las plantas ( transpiración ) y una fracción menor se suministra mediante la succión creada por las diferencias de presión osmótica entre el interior de la planta y la solución del suelo. [12] [13] Las raíces de las plantas deben buscar agua y crecer preferentemente en micrositios de suelo más húmedos, [14] pero algunas partes del sistema de raíces también pueden rehumedecer las partes secas del suelo. [15] La cantidad insuficiente de agua dañará el rendimiento de un cultivo. [16] La mayor parte del agua disponible se utiliza en la transpiración para atraer nutrientes a la planta. [17]

El agua del suelo también es importante para la modelización climática y la predicción numérica del tiempo . El Sistema Global de Observación del Clima especificó el agua del suelo como una de las 50 variables climáticas esenciales (ECV). [18] El agua del suelo se puede medir in situ con sensores de humedad del suelo o se puede estimar en varias escalas y resoluciones: desde medidas locales o wifi a través de sensores en el suelo hasta imágenes satelitales que combinan captura de datos y modelos hidrológicos . Cada método presenta ventajas y desventajas y, por lo tanto, la integración de diferentes técnicas puede disminuir los inconvenientes de un solo método determinado. [19]

Conceptos de nivel de humedad

Pronóstico de humedad del suelo del ECMWF para la región de Asia Oriental, que muestra los niveles clave de humedad y mediciones intermedias
Capacidad de campo
Un campo inundado drenará el agua gravitacional bajo la influencia de la gravedad hasta que las fuerzas adhesivas y cohesivas del agua resistan un mayor drenaje, momento en el que se dice que ha alcanzado la capacidad de campo . [20] En ese punto, las plantas deben aplicar succión para extraer agua del suelo. Por convención se define en 0,33 bar de succión. [20] [21]
Agua disponible y agua no disponible
El agua que las plantas pueden extraer del suelo se llama agua disponible . [20] [22] Una vez que se agota el agua disponible, la humedad restante se denomina agua no disponible, ya que la planta no puede producir suficiente succión para aspirar esa agua.
Punto de marchitez
El punto de marchitamiento es la cantidad mínima de agua que las plantas necesitan para no marchitarse y se aproxima al límite entre el agua disponible y no disponible. Por convención se define como succión de 15 bares. En este punto, las semillas no germinarán, [23] [20] [24] las plantas comienzan a marchitarse y luego mueren a menos que puedan recuperarse después de la reposición de agua gracias a adaptaciones específicas de cada especie. [25]

Retención de agua

El agua se retiene en un suelo cuando la fuerza adhesiva de atracción que los átomos de hidrógeno del agua tienen para el oxígeno de las partículas del suelo es más fuerte que las fuerzas de cohesión que el hidrógeno del agua siente para los átomos de oxígeno del agua. [26] Cuando un campo se inunda, el espacio poroso del suelo se llena completamente con agua. El campo se drenará bajo la fuerza de la gravedad hasta alcanzar lo que se llama capacidad de campo , momento en el que los poros más pequeños se llenan de agua y los más grandes de agua y gases. [27] La ​​cantidad total de agua retenida cuando se alcanza la capacidad de campo es función del área de superficie específica de las partículas del suelo. [28] Como resultado, los suelos con alto contenido de arcilla y materia orgánica tienen mayores capacidades de campo. [29] La energía potencial del agua por unidad de volumen en relación con el agua pura en condiciones de referencia se llama potencial hídrico . El potencial hídrico total es una suma del potencial mátrico que resulta de la acción capilar , el potencial osmótico para suelos salinos y el potencial gravitacional cuando se trata del movimiento descendente del agua. El potencial hídrico en el suelo suele tener valores negativos, por lo que también se expresa en succión , que se define como el menos del potencial hídrico. La succión tiene un valor positivo y puede considerarse como la fuerza total necesaria para extraer o empujar el agua fuera del suelo. El potencial hídrico o la succión se expresa en unidades de kPa (10 3 pascal ), bar (100 kPa) o cm H 2 O (aproximadamente 0,098 kPa). El logaritmo común de succión en cm H 2 O se llama pF. [30] Por lo tanto, pF 3 = 1000 cm = 98 kPa = 0,98 bar.

Las fuerzas con las que se retiene el agua en los suelos determinan su disponibilidad para las plantas. Las fuerzas de adhesión retienen el agua fuertemente a las superficies minerales y de humus y menos fuertemente a sí misma mediante fuerzas de cohesión. La raíz de una planta puede penetrar un volumen muy pequeño de agua que se adhiere al suelo e inicialmente puede aspirar agua que las fuerzas cohesivas sólo retienen ligeramente. Pero a medida que la gota desciende, las fuerzas de adhesión del agua a las partículas del suelo producen una succión cada vez mayor , finalmente hasta 1500 kPa (pF = 4,2). [31] A una succión de 1500 kPa, la cantidad de agua del suelo se llama punto de marchitez . En esa succión, la planta no puede satisfacer sus necesidades de agua ya que la planta todavía pierde agua por transpiración , la turgencia de la planta se pierde y se marchita, aunque el cierre de los estomas puede disminuir la transpiración y, por lo tanto, puede retrasar el marchitamiento por debajo del punto de marchitez, en particular. bajo adaptación o aclimatación a la sequía . [32] El siguiente nivel, llamado secado al aire, ocurre con una succión de 100.000 kPa (pF = 6). Finalmente, la condición de secado en horno se alcanza con una succión de 1.000.000 kPa (pF = 7). Toda el agua por debajo del punto de marchitamiento se llama agua no disponible. [33]

Cuando el contenido de humedad del suelo es óptimo para el crecimiento de las plantas, el agua de los poros de tamaño grande e intermedio puede moverse en el suelo y ser utilizada fácilmente por las plantas. [9] La cantidad de agua que queda en un suelo drenado a la capacidad de campo y la cantidad que está disponible son funciones del tipo de suelo. El suelo arenoso retendrá muy poca agua, mientras que la arcilla retendrá la cantidad máxima. [29] El agua disponible para la marga limosa podría ser del 20%, mientras que para la arena podría ser solo del 6% en volumen, como se muestra en esta tabla.

Los anteriores son valores promedio para las texturas del suelo.

Flujo de agua

El agua se mueve a través del suelo debido a la fuerza de gravedad , ósmosis y capilaridad . Con una succión de 0 a 33 kPa ( capacidad de campo ), el agua es empujada a través del suelo desde el punto de su aplicación bajo la fuerza de la gravedad y el gradiente de presión creado por las diferencias en la presión del agua; esto se llama flujo saturado. A mayor succión, el movimiento del agua es arrastrado por capilaridad desde el suelo más húmedo hacia el más seco. Esto es causado por la adhesión del agua a los sólidos del suelo y se llama flujo insaturado. [35] [36]

La infiltración y el movimiento del agua en el suelo están controlados por seis factores:

  1. Textura de la tierra
  2. Estructura del suelo. Los suelos de textura fina con estructura granular son los más favorables para la infiltración de agua.
  3. La cantidad de materia orgánica. La materia gruesa es mejor y si está en la superficie ayuda a prevenir la destrucción de la estructura del suelo y la creación de costras .
  4. Profundidad del suelo hasta capas impermeables como capas duras o lecho de roca
  5. La cantidad de agua que ya hay en el suelo.
  6. Temperatura del suelo. Los suelos cálidos absorben agua más rápido, mientras que los suelos congelados, como el permafrost, pueden no poder absorberla según el tipo de congelación. [37]

Las tasas de infiltración de agua varían desde 0,25 cm por hora para suelos con alto contenido de arcilla hasta 2,5 cm por hora para arena y estructuras de suelo bien estabilizadas y agregadas. [38] El agua fluye a través del suelo de manera desigual, en forma de los llamados dedos de gravedad , debido a la tensión superficial entre las partículas de agua. [39] [40]

Las raíces de los árboles, ya sean vivas o muertas, crean canales preferenciales para que el agua de lluvia fluya a través del suelo, [41] aumentando las tasas de infiltración de agua hasta 27 veces. [42]

Las inundaciones aumentan temporalmente la permeabilidad del suelo en los lechos de los ríos , lo que ayuda a recargar los acuíferos . [43]

El agua aplicada a un suelo es empujada por gradientes de presión desde el punto de aplicación donde está saturada localmente, hasta áreas menos saturadas, como la zona vadosa . [44] [45] Una vez que el suelo está completamente mojado, más agua se moverá hacia abajo o se filtrará fuera del alcance de las raíces de las plantas , llevando consigo arcilla, humus, nutrientes, principalmente cationes y diversos contaminantes , incluidos pesticidas , contaminantes , virus y bacterias , que potencialmente causan contaminación del agua subterránea . [46] [47] En orden de solubilidad decreciente, los nutrientes lixiviados son:

En los Estados Unidos, la filtración de agua debida a las precipitaciones varía desde casi cero centímetros justo al este de las Montañas Rocosas hasta cincuenta o más centímetros por día en los Montes Apalaches y la costa norte del Golfo de México . [49]

El agua es atraída por acción capilar debido a la fuerza de adhesión del agua a los sólidos del suelo, produciendo un gradiente de succión desde el suelo húmedo hacia el más seco [50] y desde los macroporos a los microporos . [51] La llamada ecuación de Richards permite calcular la tasa temporal de cambio del contenido de humedad en los suelos debido al movimiento del agua en suelos no saturados . [52] Curiosamente, esta ecuación atribuida a Richards fue publicada originalmente por Richardson en 1922. [53] La ecuación de velocidad de humedad del suelo , [54] que se puede resolver utilizando el método de flujo de zona vadosa con contenido finito de agua , [55] [56 ] describe la velocidad del agua que fluye a través de un suelo no saturado en dirección vertical. La solución numérica de la ecuación de Richardson/Richards permite calcular el flujo de agua no saturada y el transporte de solutos utilizando software como Hydrus , [57] al proporcionar parámetros hidráulicos de las funciones hidráulicas del suelo ( función de retención de agua y función de conductividad hidráulica no saturada) y condiciones iniciales y de contorno. . El flujo preferencial se produce a lo largo de macroporos , grietas, canales de raíces y gusanos interconectados, que drenan el agua por gravedad . [58] [59] Muchos modelos basados ​​en la física del suelo ahora permiten alguna representación del flujo preferencial como opciones de continuo dual, porosidad dual o permeabilidad dual , pero generalmente se han "integrado" a la solución de Richards sin ningún fundamento físico riguroso. . [60]

Absorción de agua por las plantas.

De igual importancia para el almacenamiento y movimiento del agua en el suelo son los medios por los cuales las plantas la adquieren y sus nutrientes. La mayor parte del agua del suelo es absorbida por las plantas como absorción pasiva causada por la fuerza de atracción del agua que se evapora ( transpira ) de la larga columna de agua ( flujo de savia del xilema ) que va desde las raíces de la planta hasta sus hojas, según la teoría de cohesión-tensión. . [61] El movimiento ascendente de agua y solutos ( elevación hidráulica ) está regulado en las raíces por la endodermis [62] y en el follaje de la planta por conductancia estomática , [63] y puede interrumpirse en los vasos del xilema de las raíces y los brotes por cavitación . También se llama embolia del xilema . [64] Además, la alta concentración de sales dentro de las raíces de las plantas crea un gradiente de presión osmótica que empuja el agua del suelo hacia las raíces. [65] La absorción osmótica se vuelve más importante durante épocas de baja transpiración de agua causada por temperaturas más bajas (por ejemplo, durante la noche) o alta humedad, y ocurre lo contrario bajo altas temperaturas o baja humedad. Son estos procesos los que provocan la gutación y el marchitamiento , respectivamente. [66] [67]

La extensión de las raíces es vital para la supervivencia de las plantas. Un estudio de una sola planta de centeno de invierno cultivada durante cuatro meses en un pie cúbico (0,0283 metros cúbicos) de suelo franco mostró que la planta desarrolló 13.800.000 raíces, un total de 620 km de longitud con 237 metros cuadrados de superficie ; y 14 mil millones de pelos radiculares de 10,620 km de longitud total y 400 metros cuadrados de área total; para una superficie total de 638 metros cuadrados. La superficie total del suelo franco se estimó en 52.000 metros cuadrados. [68] En otras palabras, las raíces estaban en contacto con sólo el 1,2% del volumen del suelo. Sin embargo, la extensión de las raíces debe verse como un proceso dinámico, que permite que nuevas raíces exploren un nuevo volumen de suelo cada día, aumentando dramáticamente el volumen total de suelo explorado durante un período de crecimiento determinado y, por lo tanto, el volumen de agua absorbido por la raíz. sistema durante este período. [69] La arquitectura de las raíces, es decir, la configuración espacial del sistema de raíces, juega un papel destacado en la adaptación de las plantas a la disponibilidad de agua y nutrientes del suelo y, por tanto, en la productividad de las plantas. [70]

Las raíces deben buscar agua ya que el flujo no saturado de agua en el suelo sólo puede moverse a un ritmo de hasta 2,5 cm por día; como resultado, mueren y crecen constantemente mientras buscan altas concentraciones de humedad en el suelo. [71] Una humedad insuficiente del suelo, hasta el punto de provocar el marchitamiento , provocará daños permanentes y el rendimiento de los cultivos se verá afectado. Cuando el sorgo en grano estuvo expuesto a una succión del suelo tan baja como 1300 kPa durante la emergencia de la semilla hasta las etapas de floración y crecimiento de la formación de semillas, su producción se redujo en un 34%. [72]

Uso consuntivo y eficiencia en el uso del agua.

Sólo una pequeña fracción (0,1% a 1%) del agua utilizada por una planta se mantiene dentro de la planta. La mayor parte se pierde finalmente a través de la transpiración , mientras que la evaporación de la superficie del suelo también es sustancial; la relación transpiración:evaporación (T/ET) varía según el tipo de vegetación y el clima, alcanzando su punto máximo en las selvas tropicales y descendiendo en las estepas y desiertos . [73] La transpiración más la pérdida de humedad del suelo por evaporación se denomina evapotranspiración . La evapotranspiración más el agua retenida en la planta equivalen al uso consuntivo , que es casi idéntico a la evapotranspiración. [72] [74]

El agua total utilizada en un campo agrícola incluye escorrentía superficial , drenaje y uso consuntivo. El uso de mantillos sueltos reducirá las pérdidas por evaporación durante un período después de regar un campo, pero al final la pérdida por evaporación total (planta más suelo) se aproximará a la de un suelo descubierto, mientras que inmediatamente habrá más agua disponible para el crecimiento de las plantas. [75] La eficiencia en el uso del agua se mide mediante la relación de transpiración , que es la relación entre el agua total transpirada por una planta y el peso seco de la planta cosechada. Los índices de transpiración de los cultivos oscilan entre 300 y 700. Por ejemplo, la alfalfa puede tener un índice de transpiración de 500 y, como resultado, 500 kilogramos de agua producirán un kilogramo de alfalfa seca. [76]

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