Funcionamiento hídrico del suelo en planteos agrícolas 1

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1 Funcionamiento hídrico del suelo en planteos agrícolas 1 Ing.Agr. MSc, Rodolfo C. Gil Instituto de Suelos. INTA Castelar. rodofogil@arnet.com.ar El doble propósito del uso eficiente del agua en el sistema de producción. En condiciones de producción de secano, el potencial de producción de un cultivo se ve limitado por la disponibilidad de agua y nutrientes determinando que los rendimientos logren un nivel alcanzable. En prácticamente todas las regiones agrícolas del país el agua es el recurso más limitante de la producción de granos, por lo tanto el desafío constante es conocer cómo el clima, el suelo, la genética vegetal y el manejo cultural pueden ser combinados de tal manera de aumentar la eficiencia del uso del agua por los cultivos. El ensamble de factores de producción tales como rotaciones, barbechos, estructura del cultivo, nutrición y protección, en armonía con el clima, debe permitir una mayor captación del agua y mejor eficiencia de uso como base para el logro de altos rindes. Al mismo tiempo su buen uso debe mantener la viabilidad del sistema a través del desarrollo de una cobertura completa del suelo con rastrojos (y/o barbechos vivos), abundante desarrollo de raíces, y un suficiente aporte de material orgánico que sea capaz de sostener un balance equilibrado de carbono en el suelo. Es para destacar, que dentro de los caminos que sigue el agua en el sistema de producción (entradas y salidas), solo aquella que es transpirada por las plantas resulta de utilidad para mejorar el rendimiento y el funcionamiento en las relaciones suelo-cultivo. Aunque puede variar con la época del año y el cultivo, la cantidad de biomasa generada será directamente proporcional al agua transpirada. Esa estrecha relación hace que, aumentar la proporción de agua que pasa por plantas se convierta doblemente en la clave para sustentar el sistema de producción: 1) por su aporte al volumen cosechable final, y 2) por el impacto que significa su conversión en materia orgánica: más agua transpirada > más biomasa vegetal > más aporte de material orgánico > más protección del suelo > mejor estructura más estable > más agua infiltrada al suelo para reiniciar el ciclo. Con lo cual más agua mejor utilizada se convierte así en un círculo virtuoso. Cómo funciona el suelo en al abastecimiento de agua para los cultivos? El suelo actúa como reservorio del agua, pero además en la zona radical también juega un importante rol como medio transmisor. El suelo es un sistema extremadamente complejo, sin embargo puede ser descrito simplemente a través de sus cuatro componentes principales: aire, agua, materia orgánica y mineral En un suelo agrícola el aire y el agua localizados en los poros componen cerca del 50 % de su volumen, la materia orgánica entre el 1 al 5 % y la materia mineral (representada por su textura en arena limo y arcilla), el restante %. mineral aire La materia orgánica del suelo no solo es la principal fuente de los nutrientes para las plantas, sino que además constituye uno de los principales componentes para la formación y buen funcionamiento de una estructura del suelo estable. orgánico agua 1

2 El espacio entre las partículas del suelo (minerales y orgánicas) constituye el volumen poroso que puede estar ocupado por cantidades variables de agua y aire. Además ese espacio poroso no solo impacta sobre el balance y utilización de agua, sino que también lo hace en la entrada y difusión del aire y de calor, y en el desarrollo y crecimiento de las raíces. La relación entre la porosidad y la capacidad que tiene un suelo de almacenaje y movimiento de agua es evidente y fundamental. Desde el punto de vista agronómico, la distribución de los poros no solo incide sobre la cantidad de agua que puede retener el suelo, sino que regula la energía con que la misma está retenida, el movimiento hacia la planta, hacia la atmósfera y hacia otras zonas del suelo; procesos todos relacionados con el tamaño, la continuidad y la estabilidad de los poros. De una manera sencilla se podría resumir que existen dos categorías de tamaños de poros: aquellos muy pequeños (del orden menor a las 50 micras); estos dependen en mayor medida de la textura del suelo, y participan en la capacidad de retener y almacenar agua, y en la habilidad para entregarla a la planta. Los restantes de mayor tamaño, están relacionados más bien con la estructura, y hacen lo propio en el movimiento gravitacional del agua, en la aireación y en capacidad de enraizar que tiene un suelo. Si bien la textura es una propiedad del suelo que difícilmente se pueda modificar, su estructura, representada por la forma en que se ordenan las partículas minerales y orgánicas, está muy afectada por las características del manejo utilizado, principalmente labranzas y todo aquello que se relacione con el aporte de materiales orgánicos, como son las secuencias de cultivos (y el manejo del barbecho), las rotaciones con pasturas y la forma de laboreo o no laboreo que se realice sobre el suelo. Agua almacenada?, Agua disponible?, Agua fácilmente disponible? El agua que infiltra en el suelo queda retenida en los espacios porosos entre partículas y también como una fina película que recubre las partículas del suelo a medida que este se va secando. Su dinámica está principalmente gobernada por acción de la fuerza de gravedad y por fuerzas capilares. Las fuerzas capilares pueden ser interpretadas a través de un grupo de tubos capilares pequeños de diferentes diámetros ubicados sobre un recipiente con agua. El ascenso de agua en cada tubo por efecto de la tensión superficial dependerá fundamentalmente de su diámetro, F cuanto más pequeño sea el diámetro del mismo mas alto subirá el agua y más presión (o succión en términos negativos) habrá que ejercer para eliminarla. Este fenómeno capilar puede funcionar en cualquier dirección y es la razón por la cual el agua se mueve en todas direcciones siguiendo gradientes de presión o potencial. La geometría del poro es mucho mas compleja que en los simples tubos capilares, pero el agua esta bajo presión negativa a causa de estas fuerzas capilares. Esto tiene mucha incidencia en las relaciones suelo-agua-planta. Los poros pequeños retienen el agua con mayor fuerza (presión negativa) que los poros mayores; además a medida que las películas de agua alrededor de los componentes de los suelos se afinan, la tensión del agua aumenta. Cuando el suelo se va secando la fuerza de retención del agua aumenta y las plantas tienen más dificultad para poder extraerla, es decir que las plantas pueden extraer agua más fácilmente cuando la tensión es menor, por ejemplo a contenidos más altos de humedad del suelo y/o desde poros con mayor diámetro. La tensión del agua del suelo da la medida de la fuerza con que dicha agua es retenida por el suelo. Una planta que esta extrayendo agua de un suelo que se encuentra en su máxima capacidad de almacenaje, conocida como su capacidad de campo esta ejerciendo una presión negativa de entre -0,1 y -0,3 atmósferas; que en términos de altura de columna de agua representa 2

3 algo así como -1 a -3 metros. Esa misma planta sometida a estrés hídrico deberá ejercer cada vez más fuerza de succión a medida que el suelo se va desecando, hasta un límite de mínimo contenido hídrico que le ocasionará su marchitamiento. Este límite mínimo de humedad de suelo, conocido como Punto de Marchitamiento Permanente generalmente coincide con una presión negativa de retención de alrededor de -15 atmósferas, lo que en una columna de agua representa algo así como -150 metros. (ver ejemplo de la vida cotidiana ) Estos conceptos tienen una importancia práctica muy destacada a la hora de diseñar estrategias de manejo tendientes a mejorar la eficiencia de uso del agua en un sistema de producción, tanto de secano como bajo riego. En primer lugar nos hace ver que no todos los suelos funcionan de la misma manera desde el punto de vista hídrico, aireación, etc. Así por ejemplo sobre dos suelos que contengan una misma cantidad de agua almacenada en el perfil sus cultivos respectivos pueden tener cantidades diferentes de agua disponible, dependiendo de cuál sea su textura. En segundo término nos muestra que más allá de la cantidad de agua disponible, la posibilidad de satisfacer los requerimientos hídricos para una transpiración efectiva depende en gran medida de la energía con que la misma El concepto de agua fácilmente disponible en un ejemplo de la vida cotidiana Imaginemos querer saciar nuestra sed tomando agua desde un vaso colocado en el suelo y utilizando un sorbete de 1 metro de altura. Seguramente con un poco de esfuerzo lograremos satisfacer nuestro cometido con bastante facilidad. Imaginemos ahora la misma situación, sin mover el vaso del suelo, pero nosotros ubicados en la terraza de un edificio de 150 metros de altura. Lo lograremos? 150 m está retenida. Con frecuencia, y para simplificar el análisis (erróneamente), se considera que el agua entre la capacidad de campo y punto de marchitamiento permanente es igualmente disponible para las plantas en todo el intervalo, y que el crecimiento y la transpiración de las mismas no se ven afectados dentro de ese rango. Sin embargo, es reconocido que se requiere mas energía para extraer agua a medida que el suelo se seca. 1 m En base a este concepto, algunos autores separan el rango de agua útil en dos zonas definidas como de fácil y lenta disponibilidad de acuerdo a la facilidad que las plantas encuentran para extraerla. Esta idea surge de la aplicación del concepto de potencial a la totalidad del sistema suelo-plantaatmósfera. En general, las plantas pueden usar aproximadamente la primera mitad del agua disponible sin sufrir estrés hídrico, sin embargo con el 50 % que queda la planta puede acusar algún grado de estrés creciente, dependiendo del estado del cultivo y condición climática. Valores orientativos de agua disponible para las plantas según la textura de los suelos Texturas Capacidad de agua disponible (mm./cm) Arenas gruesas Arenas finas Franco arenosas Arenas francas Franco arenoso fino Franco limoso Franco-limo- arcilloso Arcilla limosa Arcilla La aceptación del potencial como fuerza motriz del flujo de agua en el sistema lleva a aceptar que lo que influye en los procesos de transpiración y crecimiento es el potencial agua de la planta, y que éste no solo depende del contenido hídrico (o potencial agua) del suelo, sino también de la 3

4 demanda atmosférica de agua. Por esta razón en días muy secos y ventosos, las plantas pueden sufrir sequía aunque el suelo tenga altos contenidos de humedad y por el contrario, pueden vegetar y crecer óptimamente en suelos relativamente secos, cuando la demanda atmosférica es baja. El movimiento del agua en el suelo. Como se dijo en párrafos anteriores, el suelo en la zona radical actúa como reservorio del agua pero también juega un papel muy importante como medio transmisor. El agua del suelo muy raramente esta en reposo, se mueve en el perfil del suelo siguiendo gradientes de potencial (de mayor a menor potencial), proporcionalmente a su conductividad hidráulica, K, (o habilidad de transmisión). En condiciones de saturación la conductividad depende del tipo de suelo (por su textura y estructura) y es constante; mientras que en condiciones no saturadas la conductividad además del tipo de suelo, depende del contenido de humedad, que define la energía con que el agua está retenida (potencial agua del suelo). Infiltración: Es la entrada de agua al perfil del suelo. La velocidad de infiltración es la que determina qué cantidad de agua puede entrar en el suelo en un determinado tiempo, sin que se produzcan escurrimientos no deseados. La velocidad de infiltración disminuye a medida que aumenta la cantidad de agua ingresada en el suelo, hasta alcanzar un nivel mínimo estable denominado frecuentemente infiltración básica. Cuando el agua (lluvia, riego), se pone en contacto con la superficie del suelo, el movimiento inicial hacia el interior del perfil, es dominado por las propiedades capilares del suelo, siendo su máxima expresión cuando el suelo se encuentra seco. A medida que el suelo se va humedeciendo hasta alcanzar el estado de saturación, la velocidad de movimiento disminuye y va siendo gobernado por un factor hidráulico (K), y un factor gravitacional que depende en gran medida de la macroporosidad. Esto explica porqué la magnitud de las lluvias efectivas (la que infiltra) está muy relacionada con el tipo de suelo y la condición de humedad en que se encuentre (además de la cobertura de la superficie). Por ejemplo la velocidad de infiltración a altos contenidos de humedad tiende a ser mayor en los suelos arenosos que en los finos debido a que en dicho contenido de humedad, el movimiento de agua se produce en los poros de mayor diámetro y la cantidad de estos es mayor en los suelos gruesos. Por el contrario, en contenidos bajos de humedad, o al inicio de una lluvia o riego, los suelos finos pueden presentar mayores velocidades de infiltración dado que en estas condiciones, el gradiente por efecto capilar es el determinante del flujo y es siempre mayor en suelos más finos que en los gruesos. Esto se relaciona con la habilidad que tienen los suelos de absorber agua (sortividad), en función de su textura. Si bien la velocidad de infiltración aumenta desde los suelos finos (arcillosos) a los gruesos (arenosos), no siempre se logra una relación precisa entre textura e infiltración dado que la estructura del suelo juega un rol fundamental en la conformación de los macroporos. De ahí la importancia de procurar a través del manejo estructuras estables y bio-porosidad. Al respecto, recordemos que la física nos muestra (Poiseville), que el flujo de agua depende de la cuarta potencia del radio; es decir que por ejemplo, si compactamos un suelo y reducimos el diámetro de los poros a la mitad, el efecto sobre reducción de la infiltración se verá incrementado dieciséis veces; viceversa si generamos poros de mayor tamaño (estructura, raíces, lombrices, etc.). Evaporación: La evaporación desde la superficie del suelo depende de la energía disponible para el proceso y de otros factores meteorológicos, pero también puede ser limitada por el movimiento del agua en el suelo hacia la superficie evaporante. Cuando el suelo se encuentra con altos contenidos hídricos (cercano a saturación), la evaporación al principio máxima y relativamente constante, pero disminuye a medida que la parte superior del suelo se deseca. A partir de ese momento, la perdida de agua se hace menor y depende de las características de transmisibilidad del sistema poroso. 4

5 Con frecuencia la condición de humedad del suelo es igual o inferior a la capacidad de campo; en este caso si la demanda atmosférica es baja, la evaporación del suelo es similar al nivel de la demanda climática y muy parecida aún en suelos diferentes. Por el contrario si la demanda atmosférica es alta, la velocidad de evaporación del suelo es significativamente menor y alcanza un valor máximo para cada tipo de suelo y condición de superficie (dependiendo de la cobertura y rugosidad superficial). Ascenso capilar: Con una capa freática cercana a la superficie el potencial total del agua en la superficie del suelo es menor (menos agua) que el potencial en la superficie del agua freática (más agua). Por lo tanto ese gradiente produce un ascenso de agua hacia la superficie. La altura y la intensidad de este flujo ascendente depende de la textura y del gradiente de humedad que se alcance. En suelos de texturas finas, el ascenso capilar puede ser importante, alcanzando en el tiempo niveles de hasta 3 metros. En suelos desnudos, por efecto de la evaporación desde la superficie, el gradiente es grande, pero por la importante disminución de la conductividad hidráulica no saturada al disminuir la humedad, el flujo ascendente se reduce al profundizarse la superficie freática y difícilmente pueda compensar los gastos de evaporación. En suelos cultivados el gradiente puede generarse por consumo de agua por las raíces, y por lo tanto, es suficiente que el ascenso alcance la zona radical para que exista un aporte importante desde la capa freática. Los aportes de agua subterráneos pueden ser beneficiosos en caso de que la calidad del agua freática sea relativamente buena. Sin embargo, en muchas regiones el agua freática presenta un contenido muy alto de sales, que representan un peligro de salinización potencial y que demanda un manejo especial. El agua del suelo y el crecimiento y funcionamiento de las raíces. El contenido hídrico o más específicamente los potenciales hídricos a lo largo del perfil del suelo afectan directamente la distribución de raíces como también su morfología y por ende su comportamiento funcional. A mayores potenciales de agua en el suelo (menos negativo, más agua), se produce un mayor crecimiento radical, ya sea por provocar una menor resistencia a la penetración como así también generar un gradiente de potencial agua para un flujo rápido hacia las células radicales. De esta manera las raíces tienden a proliferar en las zonas más húmedas del perfil del suelo. En otras palabras, las raíces no crecen buscando agua sino que crecen porque hay agua. Generalmente se considera que un potencial de -15 bares en toda la zona radical puede generar el marchitamiento permanente en la mayoría de los cultivos. Pero debe tenerse en cuenta que la tasa de extensión radical puede verse comprometida a valores muy superiores de potencial, por ejemplo entre -0,5 y -1 bar, pudiendo continuar creciendo cada vez más lentamente hasta que el potencial agua del suelo caiga por debajo de los - 7 bares o más. Un comportamiento frecuente en la mayoría de los cultivos en condiciones de campo es que la densidad de raíces bajo buenos contenidos de humedad declina exponencialmente con la profundidad, pero cuando la zona más superficial del suelo se seca se puede producir una proliferación de raíces en profundidades que presenten mayores contenidos de humedad. A menudo las plantas pueden desarrollar crecimiento compensatorio de raíces en zonas del suelo favorables cuando el crecimiento normal de estas se ve restringido en otra parte. De la misma manera puede haber crecimiento de raíces en zonas cercanas al punto de marchitamiento permanente si otras partes del sistema radical se encuentran en suelo húmedo. 5

6 Las relaciones hídricas suelo raíz. Más del 95 % del agua extraída por el vegetal es transferida a la atmósfera, por lo tanto la intensidad de transpiración en la planta determina la intensidad con que el suelo debe reponer tal cantidad de agua. Es indudable que la producción del cultivo esta íntimamente ligada a la transpiración. Los estomas sobre la epidermis de las hojas son las válvulas que permiten la difusión del vapor de agua desde estas a la atmósfera, y simultáneamente permiten entrar el dióxido de carbono para su fijación en el proceso de fotosíntesis. Es lógico pensar entonces, la importancia que tiene el contar con un buen sistema de raíces que permita más entrada de agua a la planta para la transpiración. El funcionamiento del sistema radical no puede analizarse en forma aislada. La utilización de agua por las plantas lleva necesariamente a la consideración de un conjunto de factores, edáficos biológicos y climáticos, con sus respectivas características, que repercuten directa e indirectamente sobre la respuesta del cultivo, pero básicamente el aporte de agua al cultivo y la posibilidad de satisfacer su requerimiento involucra: almacenaje de agua dentro del suelo; capacidad de las raíces de extraerla; capacidad del tejido vegetal de transmitirla a la parte aérea; y capacidad de las raíces de explorar nuevos volúmenes de suelo. Por otra parte la tasa de absorción de agua por las raíces depende de: la tasa de transpiración; la longitud radical y la tasa de absorción de agua por unidad de longitud radical; y de la diferencia de potencial agua en el continuo suelo planta atmósfera La eficiencia de absorción de las raíces depende de la permeabilidad al agua, la cual tiende a decrecer con la suberización de los tejidos que sigue a la diferenciación y maduración de las raíces. Por esta razón, en un momento determinado, el sistema radical de un cultivo exhibe una amplia gama de permeabilidad, por presentar raíces que recién inician su desarrollo, hasta aquellas que ya se encuentran en estado avanzado de suberización. La absorción es más rápida a corta distancia del ápice radical, donde ya los vasos están bien diferenciados y la suberización no se ha iniciado o es solo incipiente. También es la zona de mayor proliferación de pelos absorbentes. Esto puede tener implicancias prácticas de importancia, relacionado con las técnicas de manejo. La densidad de las raíces presentes para extraer agua desde un nivel del perfil, y por lo tanto la cantidad de vasos xilemáticos disponibles para transportar agua, condicionan la respuesta de absorción. Generalmente los patrones de extracción de agua, muestran un mayor consumo de las partes más superficiales del perfil al comienzo, con una progresiva profundización a medida que avanza la estación de crecimiento. A medida que las capas más superficiales del suelo se van agotando, la extracción de agua va cambiando hasta las capas más profundas. Este patrón es acentuado por el hecho que los estratos más superficiales del suelo están explorados por las primeras raíces, con frecuencia muy abundante respecto a los más profundos. Cuando la absorción es pequeña en superficie, por suelo más seco, las raíces absorben más cantidad de agua a mayor profundidad donde presenta niveles de humedad superior. Si bien bajo condiciones de buena humedad, la mayor parte del agua es extraída de las partes más superficiales, muchos resultados indican que a medida que el suelo se va agotando, una pequeña cantidad de raíces en zonas húmedas más profundas puede proveer cantidades de agua no proporcionales a su número. 6