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El análisis de algunos de los términos del balance de agua requiere conocer, en primer lugar, las propiedades hidráulicas del suelo

Caracterización hidráulica del suelo: implicaciones agronómicas y ambientales

Real M., Bosch-Serra À.D. (Departament de Medi Ambient i Ciències del Sòl, Universitat de Lleida)

Lidón A. (Instituto Universitario de Investigación de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente, Universitat Politècnica de València)

02/11/2016
Uno de los métodos para conocer la caracterización hidráulica del suelo es la técnica Hyprop (Hydraulic Property analyzer de UMS) que mide el potencial mátrico en función de la pérdida de contenido de humedad por evaporación, en el rango húmedo del suelo, entre 0 y -80 kPa. En este trabajo se muestran los resultados de la caracterización hidráulica de un suelo cultivado con cebada utilizando el equipo Hyprop.
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Conocer la dinámica del agua en el suelo puede ser importante para conocer la disponibilidad de agua para las plantas, estimar la recarga de los acuíferos o cuantificar el impacto ambiental de algunas prácticas agrícolas como la fertilización orgánica y mineral. El aporte de nitrógeno al suelo en grandes cantidades o en la forma no adecuada, puede derivar en problemas ambientales como la contaminación de las aguas subterráneas producida por la lixiviación de nitrato (Ramos et al, 2002), o la emisión de gases de efecto invernadero u otros gases, como el NH3, que pueden originar problemas de acidificación o eutrofización tras su deposición (Bosch-Serra et al., 2014).

El agua actúa como medio de transporte de sales solubles, como es el caso de las sales en las que interviene el ión nitrato. Consecuentemente, el estudio del balance de agua en el suelo a lo largo de un cultivo o rotación de cultivos y, en concreto, el conocimiento del drenaje profundo permite obtener una aproximación al riesgo de lixiviación de nitrato en un determinado suelo y bajo un determinado manejo del mismo. El establecimiento del balance permitiría además la adopción de medidas encaminadas a mejorar la eficiencia de uso del nitrógeno por las plantas.

El análisis de algunos de los términos del balance de agua requiere conocer, en primer lugar, las propiedades hidráulicas del suelo. Éstas proporcionan información acerca de cómo se comporta el agua en el suelo, es decir, cuál es su capacidad de almacenamiento y cuando se producen los flujos de agua en el suelo. En segundo lugar, es necesario conocer las relaciones entre los parámetros implicados y su dependencia del manejo agrícola realizado. Estos parámetros están relacionados con la curva de retención de humedad y la conductividad hidráulica. La primera expresa la correspondencia entre la humedad volumétrica del suelo y su potencial matricial (que es el resultado de las fuerzas capilares y de adsorción de la matriz del suelo). La segunda es la capacidad que posee el suelo para permitir el paso de agua a través del mismo.

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Por su interés físico y biológico hay que destacar tres contenidos de agua en el suelo: el contenido de agua a saturación, a capacidad de campo y en el punto de marchitez permanente. La humedad de saturación (0sat) es el contenido de agua (en términos volumétricos) que tiene el suelo cuando todos sus poros están llenos de agua (se corresponde con un potencial matricial de 0 kPa). Una medida de la humedad de saturación la proporciona la porosidad del suelo. La capacidad de campo (0cc) es la cantidad máxima de agua que un suelo puede retener después del drenaje del agua gravitacional, normalmente tras 2 o 3 días desde la saturación del suelo (se corresponde con un potencial matricial de entre -10 y -33 kPa, según la textura del suelo). El punto de marchitez permanente (0pmp) es el contenido de agua retenido en el suelo y que las plantas no pueden extraer, debido al predominio de las fuerzas de adsorción (equivale a un potencial matricial de -1.500 kPa).

A partir de estas humedades se define el agua disponible para las plantas, o agua útil, como la diferencia entre el contenido de agua en el suelo a capacidad de campo y el contenido de agua en el punto de marchitez permanente. Por otra parte, el drenaje rápido tras una lluvia importante o un riego viene dado por la diferencia entre el contenido de agua saturación y el contenido de agua en el suelo a capacidad de campo. Tener una idea del agua disponible en un suelo o del drenaje tras un aporte de agua no solo es importante desde el punto de vista agronómico, sino también desde el punto de vista medioambiental.

Otras propiedades físicas del suelo influyen sobre la dinámica del agua. Entre ellas destacan la textura y la estructura La textura determina el porcentaje de las distintas fracciones (tamaño < 2mm) del material mineral del suelo y la estructura el tamaño, volumen, conectividad y geometría de los poros (Conolly, 1998). En sistemas agrícolas a menudo la estructura es modificada por procesos de compactación como consecuencia del manejo del suelo, afectando a la porosidad del suelo y sus funciones (Dec et al., 2008). Este parámetro se puede evaluar indirectamente a través de la densidad aparente, generalmente considerada como un valor inversamente proporcional al grado de estructuración del suelo.

Método Hyprop

Existen diferentes alternativas para determinar las propiedades hidráulicas del suelo, pero el método de las placas de presión ha sido el método clásico de obtención de la curva característica de humedad. Tiene el inconveniente de que no siempre se trabaja con muestras inalteradas y en ocasiones los tiempos de equilibrio son elevados. Por ello, otros métodos como el de evaporación simplificado (Hyprop) están siendo cada vez más utilizados (Schelle et al., 2013; Biel-Maeso et al., 2015). El dispositivo Hyprop mide el potencial del agua en el suelo con pequeños tensiómetros insertados en la muestra de suelo que se va secando por evaporación, registrándose en una balanza la pérdida de humedad. En este sistema, las medidas experimentales de humedad volumétrica y potencial matricial del suelo obtenidas se ajustan diferentes funciones paramétricas (Figura 1). Indirectamente la metodología Hyprop permite obtener un parámetro difícil de medir: la conductividad hidráulica del suelo. Diversos modelos estadísticos basados en la distribución del tamaño de poros a partir de los datos de retención de agua en el suelo (Mualem, 1976) o las funciones de edafotransferencia (Zimmermann et al., 2008) permiten calcularla.

El presente trabajo muestra los resultados obtenidos sobre la caracterización hidráulica del suelo aplicando el sistema de laboratorio Hyprop. La experimentación consistió en tomar muestras de suelo a dos profundidades (0-30 y 30-60 cm) en una parcela de cereal. El suelo es profundo, con pocos elementos gruesos, no salino, calcáreo, con bajo contenido de materia orgánica y de textura franco limosa. Estas muestras se emplearon para establecer la curva de retención de humedad en laboratorio con el equipo Hyprop, determinándose también la densidad aparente, capacidad de campo, porosidad y conductividad hidráulica saturada.

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Figura 1. Interfaz de Hyprop y ejemplo de determinación de la capacidad de campo.

Previa saturación, las muestras inalteradas contenidas en cilindros de volumen conocido, se secaron por evaporación a temperatura ambiente (método de evaporación). Durante el proceso se realizó el registro de los cambios de peso de la muestra como consecuencia de la pérdida de agua por evaporación, y del potencial matricial mediante la colocación de dos tensiómetros a distintas alturas en el interior de la muestra. El contenido de agua en la muestra y el flujo de agua, se calcularon a partir de los cambios de peso registrados y del contenido de humedad en la muestra inicial, obtenido por gravimetría. Las medidas fueron implementadas en el programa Hyprop Fit 2.0 (Peters y Durner, 2006), ajustándose los valores obtenidos a diferentes modelos de retención y calculando el error de la predicción. Para evitar las discontinuidades de la curva entre el extremo húmedo y seco, se utilizó la función paramétrica de Van Genuchten bimodal, que mejora el ajuste en las medidas de muestras en las que hay heterogeneidad del sistema poroso, y que está basada en el concepto de agua efectiva. La conductividad hidráulica no saturada en cada punto se calculó a partir de la ecuación de Darcy, utilizando la tensión media entre los dos puntos de medida (centro de la muestra). La función de la conductividad hidráulica se obtuvo a partir de la ecuación bimodal de van Genuchten, ajustada a los datos experimentales obtenidos con Hyprop, empleando para ello el modelo predictivo de Peters-Durner II (Partassek et al., 2011), por su mejor ajuste a sistemas de porosidad discontinuos. A partir de la función conductividad-potencial matricial, se determinó el potencial en el que se produce un cambio en la pendiente de la conductividad hidráulica, que corresponde al momento en el que el suelo deja de drenar por gravedad. La humedad del suelo a este potencial es la empleada para definir la capacidad de campo del suelo (Figura 1).

En un rango de potencial entre 0 y -100 kPa, la estructura tiene una gran influencia en la capacidad del suelo para retener agua, y la posible compactación en algunas zonas puede originar diferencias importantes entre puntos situados en la misma parcela (Figura 2). Los valores de densidad aparente estimados con Hyprop describen un suelo compactado, que se ha podido producir durante la toma de muestras, puesto que tanto las producciones como las observaciones en campo muestran que se trata de un suelo sin importantes limitaciones para el desarrollo de las plantas. Por ello, es importante no compactar el suelo en la toma de muestras, ya que los valores de humedad-retención de la curva característica con el método Hyprop pueden resultar afectados, siendo infravalorados por el efecto de la compactación. Por otra parte, la determinación de la capacidad de campo requiere conocer el potencial exacto al que el agua deja de moverse por gravedad y pasa a ser retenida por capilaridad. Hyprop permite establecer con precisión el potencial al cual se produce un cambio en la pendiente de la función de conductividad-potencial, momento en el que el suelo se encuentra a capacidad de campo (Figura 1). Los valores de potencial matricial asociados a la capacidad de campo obtenidos con Hyprop (-10 y -25 kPa), fueron mayores que el valor estándar de -33 kPa empleado para la determinación de la capacidad de campo mediante los métodos tradicionales. Ello tiene implicaciones en las prácticas de manejo de suelo que se realicen, puesto que si se considera que bajo suelos compactados el volumen de macroporos se reduce, es probable encontrar el suelo a capacidad de campo bajo potenciales matriciales superiores al valor de -33 kPa. La consideración de este valor estándar provocaría una infraestimación de la humedad del suelo a capacidad de campo, que afectaría al cálculo del agua disponible y que podría no ser la misma que la que le correspondería a un suelo de acuerdo a su textura.

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Figura 2. Curva de retención de humedad obtenida con Hyprop en la capa superficial del suelo (0-30 cm) y en la capa subsuperficial (30-60 cm) en cada uno de los puntos de muestreo.

En cuanto a la conductividad hidráulica saturada, el valor obtenido con Hyprop es mayor que el estimado a través de las funciones de edafotransferencia, las cuales proporcionan sin embargo mayores conductividades conforme el suelo se seca. Puesto que la conductividad hidráulica está relacionada con el tamaño, volumen y conectividad de los macroporos, la medida de Hyprop puede estar reflejando una menor conectividad entre poros, aspecto no contemplado en las funciones de edafotransferencia. El conocimiento de la estructura porosa del suelo a través del comportamiento de la conductividad hidráulica es importante de cara a evaluar el drenaje del suelo, el cual es no solo de interés desde el punto de vista agronómico, sino también medioambiental.

La disponibilidad de métodos más asequibles y sencillos para la caracterización física del suelo y su comportamiento hidráulico, como es el caso de Hyprop, es de sumo interés. Una de las ventajas es que permiten considerar aspectos no siempre contemplados en el manejo de los suelos agrícolas, ayudan a evaluar prácticas encaminadas a la mejora de la estructura del suelo, a disponer de un mayor conocimiento del agua disponible para las plantas y a conocer términos del balance de agua, como el drenaje, de gran importancia en aspectos ambientales como la contaminación de acuíferos.

Referencias bibliográficas

  • Biel-Maeso M., Valdes–Abellan J., Tamoh K., Corada–Fernández C., Candela L. (2015). Comparación y validación de las propiedades hidráulicas del suelo mediante diferentes equipos de laboratorio. XII Jornadas de Investigación en la Zona no Saturada del Suelo, Alcala de Henares.
  • Bosch-Serra À.D., Yagüe M.R., Teira-Esmatges M.R. (2014). Ammonia emissions from different fertilizing strategies in Mediterranean rainfed winter cereals. Atmos. Environ. 84, 204–212.
  • Connolly R.D. (1998). Modelling effects of soil structure on the water balance of soil-crop systems: a review. Soil Till. Res. 48, 1–19.
  • Dec D., Dörner J., Becker-Fazekas O., Horn R. (2008). Effect of bulk density on hydraulic properties of homogenized and structured soils. RC Suelo Nutr. Veg. 8, 1–13.
  • Mualem Y. (1976). A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resour. Res. 12, 513–522.
  • Partassek T., Peters A., Durner W. (2011). HYPROP Data Evaluation Software User’s Manual. V.1.0. Munich. UMS.
  • Peters A., Durner W. (2006). Improved estimation of soil water retention characteristics from hydrostatic column experiments. Water Resour. Res. 42, W11401, doi:10.1029/2006WR004952.
  • Ramos C., Agut A., Lidón A.L. (2002). Nitrate leaching in important crops of the Valencian Community region (Spain). Environ. Pollut. 118, 215–223.
  • Schelle H., Heise L., Jänicke K., y Durner W. (2013). Water retention characteristics of soils over the whole moisture range: a comparison of laboratory methods. Eur. J. Soil Sci. 64, 814–821.
  • Zimmermann E.D. Baile, P.A. (2008). Uso de funciones de pedotransferencia para la estimación de parámetros hidráulicos en suelos limosos (Llanura Argentina). Boletín Geológico y Minero 119, 71-80.

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