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Humedad del suelo

Cambio histórico en la humedad superficial del suelo en el Cuerno de África entre agosto de 2020 y diciembre de 2022

La humedad del suelo es el contenido de agua del suelo . Puede expresarse en términos de volumen o peso. La medición de la humedad del suelo puede basarse en sondas in situ (por ejemplo, sondas de capacitancia , sondas de neutrones ) o métodos de teledetección . [1] [2]

El agua que entra en un campo se elimina del mismo por escorrentía , drenaje , evaporación o transpiración . [3] La escorrentía es el agua que fluye por 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 , la estructura , la estabilidad y la erosión del suelo , pero es de principal importancia para el crecimiento de las plantas . [4] El agua es esencial para las plantas por cuatro razones:

  1. Constituye el 80-95% 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 a través de 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 una cuarta parte del volumen y el agua una cuarta parte del volumen del cual solo la mitad estará disponible para la mayoría de las plantas, con una fuerte variación según el potencial mátrico . [6]

El agua se mueve en el suelo bajo la influencia de la gravedad , la ósmosis y la capilaridad . [7] Cuando el agua entra en el suelo, desplaza el aire de los macroporos interconectados por flotabilidad y rompe los agregados en los que está atrapado el aire, un proceso llamado apagado . [8] La velocidad a la que un suelo puede absorber agua depende del suelo y de sus otras condiciones. A medida que una planta crece, sus raíces eliminan el agua de los poros más grandes (macroporos) primero. Pronto, los poros más grandes solo retienen aire, y el agua restante se encuentra solo en los poros de tamaño intermedio y más pequeño ( microporos ). El agua en 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 está saturado, el suelo puede perder nutrientes a medida que el agua se drena. [10] El agua se mueve en un campo de drenaje bajo la influencia de la presión donde el suelo está saturado localmente y por atracción capilar hacia partes más secas del suelo. [11] La mayoría de las necesidades de agua de las plantas se satisfacen mediante la succión causada por la evaporación de las hojas de las plantas ( transpiración ) y una fracción menor se satisface 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 radicular también pueden rehumedecer partes secas del suelo. [15] La falta 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 el modelado climático 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 mediciones 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 sobre el nivel de humedad

Pronóstico de humedad del suelo del ECMWF para la región de Asia Oriental, que muestra los niveles de humedad clave y las 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 como una succión de 0,33 bar. [20] [21]
Agua disponible y agua no disponible
El agua que las plantas pueden extraer del suelo se denomina 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 absorber esa agua.
Punto de marchitamiento
El punto de marchitamiento es la cantidad mínima de agua que necesitan las plantas para no marchitarse y se aproxima al límite entre el agua disponible y no disponible. Por convención, se define como una 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 la 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 por el oxígeno de las partículas del suelo es más fuerte que las fuerzas cohesivas que el hidrógeno del agua siente por los átomos de oxígeno del agua. [26] Cuando un campo se inunda, el espacio poroso del suelo se llena completamente de agua. El campo se drenará bajo la fuerza de la gravedad hasta que alcance 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 una función de la superficie específica de las partículas del suelo. [28] Como resultado, los suelos con alto contenido de arcilla y alto contenido orgánico 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 el suelo salino y el potencial gravitacional cuando se trata del movimiento descendente del agua. El potencial hídrico en el suelo suele tener valores negativos, y por lo tanto 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 del suelo. El potencial hídrico o 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 la 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 el agua se retiene en los suelos determinan su disponibilidad para las plantas. Las fuerzas de adhesión retienen el agua con fuerza en las superficies minerales y de humus y con menos fuerza en sí misma mediante fuerzas de cohesión. La raíz de una planta puede penetrar un volumen muy pequeño de agua que está adherida al suelo y ser inicialmente capaz de absorber agua que solo está ligeramente retenida por las fuerzas de cohesión. Pero a medida que la gota es atraída hacia abajo, las fuerzas de adhesión del agua para 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 denomina punto de marchitamiento . En esa succión, la planta no puede satisfacer sus necesidades de agua ya que todavía se está perdiendo agua de la planta por transpiración , la planta pierde su turgencia 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 marchitamiento, en particular bajo adaptación o aclimatación a la sequía . [32] El siguiente nivel, llamado secado al aire, se produce a una succión de 100 000 kPa (pF = 6). Finalmente, la condición de secado al horno se alcanza a una succión de 1 000 000 kPa (pF = 7). Toda el agua por debajo del punto de marchitamiento se denomina agua no disponible. [33]

Cuando el contenido de humedad del suelo es óptimo para el crecimiento de las plantas, el agua en 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 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 el suelo franco limoso puede ser del 20%, mientras que para la arena puede 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 la gravedad , la ósmosis y la 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. Con una succión más alta, el movimiento del agua es atraído 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 no saturado. [35] [36]

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

  1. Textura del suelo
  2. Estructura del suelo. Los suelos de textura fina y estructura granular son los más favorables a la infiltración de agua.
  3. La cantidad de materia orgánica. La materia gruesa es la mejor y, si se encuentra 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 rápidamente, mientras que los suelos congelados, como el permafrost, pueden no ser capaces de absorberla, dependiendo del tipo de congelación. [37]

Las tasas de infiltración de agua varían de 0,25 cm por hora para suelos con alto contenido de arcilla a 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 el flujo del agua de lluvia 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 su aplicación donde está saturada localmente, a áreas menos saturadas, como la zona vadosa . [44] [45] Una vez que el suelo está completamente mojado, cualquier otra 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 varios contaminantes , incluidos pesticidas , contaminantes , virus y bacterias , lo que potencialmente causa la contaminación de las aguas subterráneas . [46] [47] En orden de solubilidad decreciente, los nutrientes lixiviados son:

En Estados Unidos, el agua de percolación debida a las lluvias 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 hacia los microporos . [51] La llamada ecuación de Richards permite el cálculo de 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 la humedad del suelo , [54] que se puede resolver utilizando el método de flujo de zona vadosa de contenido de agua finito , [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 el cálculo del flujo de agua no saturada y el transporte de solutos utilizando software como Hydrus , [57] al proporcionar parámetros hidráulicos del suelo de funciones hidráulicas ( función de retención de agua y función de conductividad hidráulica no saturada) y condiciones iniciales y de contorno. El flujo preferencial ocurre a lo largo de macroporos interconectados , grietas, canales de raíces y gusanos, 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 doble continuo, doble porosidad o doble permeabilidad , pero estas generalmente se han "agregado" a la solución de Richards sin ninguna base física rigurosa. [60]

Absorción de agua por las plantas

De igual importancia que el almacenamiento y movimiento del agua en el suelo es el medio por el cual 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 tracción del agua que se evapora ( transpira ) de la larga columna de agua ( flujo de savia del xilema ) que conduce 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 la conductancia estomática , [63] y puede ser interrumpido en los vasos del xilema de las raíces y los brotes por cavitación , también llamada 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 temperaturas altas o baja humedad. Son estos procesos los que causan 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, con una longitud total de 620 km y una superficie de 237 metros cuadrados ; y 14 mil millones de pelos radiculares de 10.620 km de longitud total y 400 metros cuadrados de superficie 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 solo el 1,2% del volumen del suelo. Sin embargo, la extensión de las raíces debe verse como un proceso dinámico, que permite que las nuevas raíces exploren un nuevo volumen de suelo cada día, lo que aumenta drásticamente el volumen total de suelo explorado durante un período de crecimiento determinado y, por lo tanto, el volumen de agua absorbido por el sistema radicular durante este período. [69] La arquitectura de las raíces, es decir, la configuración espacial del sistema radicular, desempeña 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 de agua no saturada en el suelo solo puede moverse a una velocidad de hasta 2,5 cm por día; como resultado, mueren y crecen constantemente mientras buscan altas concentraciones de humedad en el suelo. [71] La humedad insuficiente del suelo, hasta el punto de causar marchitamiento , causará daños permanentes y los rendimientos de los cultivos se verán afectados. Cuando el sorgo de grano se expuso a una succión del suelo tan baja como 1300 kPa durante las etapas de crecimiento de la emergencia de la cabeza de la semilla hasta la floración y el cuajado de la semilla, 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 retiene dentro de la planta. La mayoría se pierde finalmente a través de la transpiración . Al mismo tiempo, 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 un máximo en las selvas tropicales y disminuyendo 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 totaliza el uso consuntivo , que es casi idéntico a la evapotranspiración. [72] [74]

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

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