NUEVA SONDA TDR PARA LA MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE LA SOLUCIÓN DEL SUELO

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1 Estudios en l Zon no Sturd del Suelo. Vol XI NUEVA SONDA TDR PARA LA MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE LA SOLUCIÓN DEL SUELO D. Moret-Fernández 1*, R. Argüés, C. Peñ 1 y M.V. López 1 1 Deprtmento de Suelo y Agu Estción Experimentl de Aul Dei, Consejo Superior de Investigciones Científics (CSIC), Apdo., 58 Zrgoz, Espñ. e-mil: dvid@eed.csic.es, Unidd de Suelos y Riegos, Centro de Investigción y Tecnologí Agrolimentri de Argón (CITA) Diputción Generl de Argón (DGA), Avenid Montñn 9, 559 Zrgoz, Espñ. RESUMEN. Est comunicción present un sond TDR (WEC P ) pr l medid de l conductividd eléctric de l solución del suelo ( w ), que consiste en un sond TDR trifilr (1 cm longitud) insertds en 14 discos cerámicos. L w se estim prtir de l humedd y l conductividd eléctric del conjunto de discos cerámicos. L WEC P fue clibrd y testd en lbortorio con suelo frnco y en condiciones de cmpo con diferentes soluciones de KCl. L w estimd con WEC P en lbortorio fue comprd con ls obtenids prtir de l solución de drenje. El experimento de cmpo compró w estimdos con WEC P con los medidos con lisímetros de tensión. En mbos experimentos se observó un buen y significtiv correlción (R,97; P <,1; Coeficiente de eficeinci Nsh-Sutdiffe >,9) entre los vlores de w estimdos con WEC P y los obtenidos en lbortorio y cmpo prtir de l solución de drenje. ABSTRACT. This communiction presents TDR probe (WEC P ) to mesure the electricl conductivity of the soil solution ( w ), which consists of stinless steel wires (1 cm length) inserted in 14 cermic pltes. The w is estimted from the wter content nd the bulk electricl conductivity of the cermic pltes. The WEC P ws clibrted nd tested in lbortory with lom soil columns wetted with different KCl solutions, nd in field conditions. The w estimted with WEC P in lbortory ws compred to those vlues mesured from the soil drined solutions. The field experiment compred w estimted with WEC P to the corresponding vlues mesured with tension lysismeters. A good correltion (R.97; P <.1; Efficiency Coefficient Nsh- Sutdiffe >.9) ws found between w estimted with WEC P nd the corresponding vlues mesured from the lbortory soil columns nd the field lysimeters. 1.- Introducción L técnic de Reflectometrí de Dominio Temporl (Time Domin Reflectometry; TDR) es un método no destructivo que permite estimciones simultánes y tiempo rel de l permitividd prente de suelo (ε ), que gurd relción con l humedd (θ), y conductividd eléctric prente del suelo ( ) (Topp y Ferré, ). El vlor de ε es proporcionl l tiempo de propgción del pulso TDR lo lrgo de un líne de trnsmisión de longitud L, y el vlor de está relciondo con l tenución de l ond TDR tiempos lrgos. L slinidd del suelo, definid como l concentrción totl de sles disuelts en l solución del suelo, tiene un influenci muy importnte sobre el desrrollo y crecimiento de los cultivos y ls propieddes físics y químics del suelo (Leone et l., 7). L slinidd del suelo se mide principlmente prtir de l conductividd eléctric (CE) de l solución del suelo ( w ). De entre los diferentes métodos disponibles pr estimr w cbe destcr los métodos indirectos que, utilizndo modelos empíricos, obtienen w prtir de θ y (Hendrickx et l., ), l cul puede medirse por resistividd eléctric, (TDR o técnic de inducción electromgnétic. El vlor de depende de θ, w y l geometrí de l porosidd de l mtriz del suelo (Rhodes et l., 197; Mulem y Friedmn, 1991). Hst l fech, se hn desrrolldo numerosos modelos que relcionn ests tres vribles (Mulem y Friedmn, 1991; Vogeler et l., 199; Persson, 1997; Hilhorst, ; Muñoz-Crpen et l., 5), sin embrgo, ls diferentes respuests del tipo de suelo l fctor geometrí de porosidd de l mtriz, oblig utilizr clibrciones específics de w - -θ pr cd tipo de suelo (Mortl et l., 11). Est comunicción present un nuevo diseño de sond TDR pr medids preciss y no destructivs de l conductividd eléctric de l solución del suelo. L sond, que consiste en 14 discos cerámicos dispuestos lo lrgo de un sond TDR de tres electrodos, estim w prtir de l y l θ medids por TDR en el conjunto de discos cerámicos. Este método se bs en l hipótesis que l solución del suelo está en equilibrio con l de l mtriz de los discos cerámicos. Debido que l geometrí de l porosidd de ls discos cerámicos es constnte, un únic clibrción de w - -θ es requerid..- Teorí.1.- TDR El sistem TDR lnz un pulso electromgnético (EM) lo lrgo de un líne de trnsmisión y registr un ond TDR que se expresd como voltje o coeficiente de reflexión en función del tiempo (t). El tiempo de 1

2 propgción (t L) del pulso EM lo lrgo de un líne de trnsmisión de longitud L se expres como (Topp y Ferré, ) β θ = st + θst s (5) L ε tl = (1) c donde c es l velocidd de l luz en el vcío ( x 18 m s -1 ). Teniendo en cuent que el vlor de θ estimdo por TDR se ve fectdo por (Robinson et l., ; Evett et l., ), y sumiendo desprecibles los efectos dieléctricos de reljción, θ puede estimrse según (Evett et l., 5) t s θ = A + B,49 () tir πf viε donde A y B son fctores empíricos de l sond TDR clculdos con experimentos de clibrción, t s y t ir son el tiempo de tránsito del pulso electromgnético lo lrgo de l líne de trnsmisión inmers en suelo y ire, respectivmente, f vi es l frecuenci efectiv del equipo TDR y ε es l constnte dieléctric del vcío (8,854 x 1-1 F m -1 ). L conductividd eléctric prente, estimd prtir del nálisis del coeficiente de reflexión de l ond TDR tiempo lrgo, se clcul según (Giese y Tiemnn, 1975) K p 1 ρ, Scle = () Z r 1+ ρ, Scle donde Z r es l impednci de slid de ecómetro TDR (5 Ω), K p (m -1 ) l constnte de celd de l sond TDR que depende de l geometrí de l sond, y ρ es el, Scle coeficiente de reflexión escldo en fse estcionri en condiciones ideles en los que no existe pérdids por resistividd. Según Lin et l. (8), ρ, Scle se clcul ( ρir ρsc ) ( ρ ρir ) ( 1+ ρ )( ρ ρ ) + ( ρ ρ )( 1+ ρ ) ρ = 1 (4), Scle + SC ir ir SC ir ρ, ρ ir y ρ SC son los coeficientes de reflexión tiempo lrgo medidos con l sond en el medio de estudio, en ire y en cortocircuito, respectivmente...- Conductividd eléctric de l solución del suelo Siguiendo l hipótesis de Mulem y Friedmn (1991), que sumen que el fctor de tortuosidd que fect es idéntico l definido pr predecir l conductividd hidráulic del suelo, (θ) puede expresrse como donde -st y θ st son respectivmente l conductividd eléctric prente y l humedd volumétric sturción, -s es l conductividd eléctric prente de l fse sólid del suelo, y β es un fctor que, dependiendo de l porosidd trnsmisor de gu, define l ts de decrecimiento entre y θ. Según Mulem y Friedmn (1991), -st qued definido como st = θ τ w st () donde τ es el coeficiente de trnsmisión sturción que describe l tortuosidd que reduce l movilidd de los iones en ls proximiddes de ls interfces sólido-líquido y líquido-gs. Asumiendo que w depende únicmente de l sles disuelts (Rhodes et l., 197), su vlor puede teóricmente estimrse combinndo ls ecuciones (5) y () según w = β s τ θ θst θst El vlor de w, que es dependiente de l tempertur, T ºC, puede ser corregido 5 ºC ( w/5 ) según (Rhodes et l., 1999) (7) / 5 = f (8) w w donde f es un fctor empírico expresdo como (US Slinity Lbortory Stff, 1954) f = 1,4( T ) +,8( T ),555( T ) (9) y T ( T )/ 1 = C º 5.- Mteril y métodos.1.- Diseño de sond TDR El ecómetro utilizdo pr el registro de onds TDR fue un TDR1 (Cmpbell Sci.), el cul se conectó l sond TDR trvés de un cble coxil de 5 Ω de 1 m de longitud. Los pulsos electromgnéticos se trnsfirieron un ordendor pr su lmcenmiento y nálisis utilizndo el progrm TDR-Lb V.1.. (Moret-Fernández et l., 1), que utomáticmente clcul y θ. L sond TDR de medid de l conductividd eléctric de l mtriz del suelo (WEC P ) consiste en 14 discos cerámicos (7 mm espesor y 4 mm de diámetro) de -,5 br de presión de cvitción (Soil Moisture Inc., UK). Los

3 discos fueron dispuestos uno encim de otro lo lrgo de un sond TDR trifilr (longitud, diámetro y seprción de electrodos más externos: 11,4,,7 y, mm, respectivmente). Se fbricó un segund sond TDR trifilr (SWC P ) sin discos cerámicos (longitud, diámetro y seprción de electrodos más externos: 1,4,,4 y,5 mm, respectivmente) pr l medid de l y θ del suelo. El cbezl de ls sonds TDR estb fbricdo de resin epoxi...- Experimentos de lbortorio de clibrción y vlidción de l sond WEC P Se relizó un primer experimento de lbortorio pr clculr los vlores K p de ls diferentes sonds TDR. Éste consistió en sumergir ls sonds WEC P (sin discos cerámicos) y SWC P en diferentes soluciones slins de NCl (,5, 1,, 5, 1 y 15 ds m -1 ). Seguidmente se relizó otr serie de experimentos de lbortorio encmindos clculr los fctores de τ y β (Mulem y Friedmn, 1991) de l Ec. (7). El vlor de τ se estimó prtir de los vlores de -st y θ st obtenidos con l sond WEC P (ms discos cerámicos) sumergid en seis soluciones slins de NCl (,5, 1,, 5, 1 y 15 ds m -1 ). Cd medid se relizó con l sond WEC P previmente deslinizd trs dejr dich sond 4 h sumergid en l correspondiente solución slin. El vlor de τ fue numéricmente clculdo minimizndo l ríz cudrd del error cudrático medio (RMSE) entre el vlor de medido por TDR (Ec. ) y los -st clculdos según Ec. (). El fctor β se clculó con un experimento de cámr de presión en cuyo interior se situó l sond WEC P. Se efectuó un primer medid de y θ con discos cerámicos secos, y continución se sturó l cámr de presión con un solución slin de NCl de 5 ds m -1. Se consideró que los discos cerámicos sturdos con l correspondiente solución slin estbn en equilibrio cundo l conductividd eléctric de l solución de slid de l cámr iguló l de entrd (proximdmente 4 h de durción). Seguidmente se procedió desturr los discos cerámicos diferentes presiones (, 5, 1, 5 y 1 kp) inyectndo ire por l prte superior de l cámr. El gu extríd fue recogid y l CE medid. El proceso de estbilizción de l cámr ls diferentes presiones duró uns 4 h. Este experimento fue nuevmente repetido pr un solución slid de 1 ds m -1. Finlmente, sumiendo un -s desprecible, el fctor β se clculó numéricmente minimizndo el RMSE pr los pres de vlores de w medidos y estimdos prtir de l Ec. (5). L sond WEC P fue seguidmente vlidd en condiciones de lbortorio, utilizndo pr tl fin un cámr de presión (Fig. 1). Ls sonds WEC P y SWC P fueron colocds en el interior de l cámr de presión, l cul fue rellend con suelo frnco tmizdo mm hst que el nivel de suelo cubrió los cbezles de ls sonds. En el interior de l cámr se instló un termopr pr registrr, tiempo rel, l tempertur del suelo. A continución, se sturó l cámr de presión con un solución slin de KCl de ds m -1, hst que l CE de l solución de slid iguló l de entrd (4 h). El volumen de gu ñdid fue proximdmente cutro veces l porosidd totl del suelo. Un vez l column estuvo sturd y l concentrción de l solución del suelo estbilizd, se procedió drenr el suelo inyectndo secuencilmente ire presión de,5,, 5, 1, 5 y 1 kp. El gu de drenje fue recogid y l CE medid. Se registrron los vlores de y θ estimdos con ls sonds WEC P y SWC P en suelo seco, sturdo y 4 h después de cd presión. Los vlores de w fueron clculdos, según Ec. (7), prtir de los vlores de y θ y los fctores τ y β estimdos en los experimentos de clibrción. Los vlores de w fueron finlmente corregidos 5 ºC. Este mismo experimento fue repetido pr concentrciones slids de 5 y 1 ds m -1. Finlmente, los vlores de w estimdos con l sond WEC P fueron contrstdos con los vlores de CE de ls soluciones slins de entrd. Fig. 1. Esquem de l cámr de presión utilizd pr vlidr l sond de medid de conductividd eléctric de l solución del suelo (WEC P). SWC P indic l sond TDR estándr de medid de humedd del suelo..- Vlidción de cmpo Se relizó un último experimento de cmpo pr vlidr l fibilidd de l sond WEC P en condiciones inlterds de suelo. Dicho experimento consistió en comprr ls medis de w estimds con WEC P con ls obtenids con un lisímetro de tensión (LT). El experimento se relizó en un suelo de un cmpo de mnznos loclizdo en l Estción Experimentl de Aul Dei (Zrgoz). L densidd prente del suelo fue 1, g cm -. Se insertron en el suelo tres LT (modelo SPS SDEC) en los vértices de un triángulo equilátero de 15 cm de ldo, en cuyo centro se

4 instló l sond WEC P, y l sond SWE P 9 cm de ést primer. Tods ls sonds fueron instlds igul profundidd, hst que el cbezl de ls sonds TDR estuvieron cubierts por 1 cm de suelo. L microprcel experimentl fue confind por un cilindro de metcrilto de 4 cm de diámetro y 5 cm ltur insertdo 1 cm en el suelo. Se efecturon diferentes ciclos de humectcióndrenje del suelo con gu destild y diferentes soluciones de KCl (Tbl 1). Se relizron medids periódics de y θ, sí como extrcciones de soluciones slids del suelo pr l medid direct de w. Se procedió tmbién l medid de l tempertur del suelo, utilizndo pr tl fin un sensor de termopr instldo 7 cm de profundidd. Finlmente, ls medids de w corregids 5 ºC obtenids con los LT fueron contrstds con los correspondientes vlores obtenidos con l sond WEC P. -st modelo y = 1,1x R =,99 RMSE =,1 y = 1.18x R = st TDR Fig.. Relción entre l conductividd eléctric prente sturción medid por TDR y l estimd con l Ec. pr los vlores optimizdos de τ Tbl 1. Ciclos de humectción del suelo con gu destild y diferentes soluciones slins de KCl plicds l experimento de cmpo Fech Observción Dí Infiltrción (mm) CE Riego 1 4, Lluvi 1, Riego 9 8 5, Riego 9 4, Riego 9 8 5, Riego 7 8 5, Riego 58 8, Riego 5 8,1 modelo y = 1,45x R =,971 RMSE =,1 4.- Resultdos y discusión.5 Los vlores de K p obtenidos pr ls dos sonds WEC p y SWC p fueron, y,44 m -1. Los vlores A y B utilizdos pr estimr θ prtir de ε fueron,17 y,115 (Ec. ) (Topp y Reynolds, 1998). El vlor de θ s t utilizdo en ls Ecs. (5), () y (7) pr clculr w fue,89 m m -, y el fctor τ obtenido en el experimento de clibrción de l sond WEC p con diferentes soluciones slins de NCl fue 1,957. Los resultdos muestrn como este fctor permite obtener un excelente correlción (p <,1; Coeficiente de eficeinci Nsh-Sutdiffe (E) =,99) (Fig. ) entre los vlores de -st medido con TDR los clculdos con l Ec. (). El vlor del fctor β clculdo con el experimento de cámr de presión fue 4,8. Este dto permitió un excelente juste (p <,1; E =,9) entre los vlores de medidos por TDR y los clculdos con l Ec. (5) (Fig. ) TDR Fig.. Relción entre l conductividd eléctric prente medid por TDR y l estimd con l Ec. (7) pr los vlores optimizdos de β w TDR y = 1,4x R =,981 RMSE =,17 Agu Cled de presión Suelo frnco w CC Fig. 4. Relción entre l conductividd eléctric de l solución del suelo medid ( w-cc ) en todos los experimentos de lbortorio (gu, cámr de presión y suelo frnco) y l estimd con TDR ( w-tdr ) (Ec. 7) 4

5 . Suelo frnco- KCl-solución ds m -1 Suelo frnco- KCl-solución Suelo frnco- KCl-solución 5 ds m -1 1 ds m (SWCP ) (WECP ) w(wecp ) 9 w. θ (m m - ) θ (SWCP ) θ (WECP ) Presión 1 9 Presión (kp) Fig. 5. Evolución temporl de θ y medid con SWC P y WEC p y w estimd con WEC p en l column con suelo frnco tmizdo trs ser sturdo con tres soluciones slins de KCl, y posterior drenje presiones comprendids entre y 1 kp θ (m m - ) ds m ds m ds m ds m ds m -1. ds m -1. ds m Dys 5 4 w Lluvi/ Riego (mm) Tempertur del suelo (ºC) (SWCP ) ( WECP ) w( WECP ) θ w(tl) (WECP ) θ (SWCP ) R-I (mm) Fig.. Evolución temporl de θ y medid con SWC P y WEC p, w estimd con WEC p y promedio de w medidos prtir del extrcto de solución slin obtenidos con los tres lisímetros de tensión (LT). Ls columns de l figur inferior muestrn el volumen de solución slin de KCl ñdid en el suelo. Ls brrs verticles indicn l desvición estándr sobre l medi de w medidos con los lisímetros de tensión T soil L excelente correlción (p<,1; E =,98) entre l conductividd eléctric de l solución del suelo ( w ) medid prtir del lixivido de l solución slin y l obtenid pr TDR (Ec. 7) pr el conjunto de medids de lbortorio (Fig. 4) demuestr que l sond WEC p puede ser un lterntiv vible pr l medid indirect de w. L evolución temporl de θ y medidos en lbortorio con ls sonds SWC P y WEC p y l w estimd con WEC p, insertds mbs en suelo frnco tmizdo humectdo con diferentes soluciones slins y posteriormente drendo diferentes tensiones ( 1 kp), muestr como los vlores de θ y medidos por TDR decrecen l umentr l presión de drenje. Sin embrgo, los vlores de w permnecen prácticmente constntes lo lrgo del experimento (Fig. 5). Esto es debido que, durnte un proceso de drenje sin evporción, los vlores de dependen de l humedd y l concentrción de sles de l solución del suelo, expresdo con w. El experimento de cmpo diseñdo pr vlidr los resultdos obtenidos en lbortorio, muestrn un excelente correlción entre el vlor promedio de w estimdo con de tres LT ( w-lt ) y los obtenidos con l sond WEC p ( w-tdr = 1,7 w-lt, R =,97, RMSE =,7, p <,1). L dinámic de θ y medid con ls sonds SWC P y WEC p y l w medid con WEC p y los LT fue similr l observd en el experimento de lbortorio. Mientrs ls fluctuciones de dependieron de l humedd del suelo y l CE de l solución slin de infiltrción, el vlor de w medid con WEC p y LT estuvo solmente condiciondo por l solución slin de infiltrción, cuyos vlores umentron medid que se ñdín nuevs soluciones slins (Fig. ). Se observó un comportmiento inverso de decrecimiento de w cundo en el suelo comenzó plicrse gu destild. Los vlores de w medidos 5

6 con WEC p fueron prejos los estimdos con LT, excepto durnte ls primers 48 h trs plicr gu destild (dís 58 y 5; Fig. ). Estos resultdos indicn que l sond WEC p necesit proximdmente dos dís pr equilibrr l solución slin entre ls discos poross y los poros de suelo; sin embrgo, el tiempo de respuest del sensor no es un limitción relevnte pr los estudios lrgo plzo de procesos de slinizción del suelo. 5.- Conclusiones Este trbjo present un nuev sond TDR (WEC p ) pr l medid de l conductividd eléctric de l solución del suelo por TDR. El diseño consiste en un sond TDR de electrodos de 1 cm de longitud insertd en 14 discos cerámicos de,5 br de presión de cvitción. Este método se bs en l hipótesis de que l solución slin en los discos cerámicos está en equilibrio con l solución en el sistem de poros del suelo. Debido que los discos cerámicos tienen un geometrí de poros constnte, un únic clibrción de w - -θ es requerid. Est nuev sond fue clibrd y testd en lbortorio y finlmente vlidd en condiciones de cmpo. Los resultdos muestrn que est nuev sond permite estimr de form precis l conductividd eléctric de l solución del suelo, independientemente del contenido de humedd volumétric del suelo. Aunque el equipo TDR es reltivmente cro, l grn verstilidd de est técnic permite desrrollr sonds de fbricción cser de bjo coste. Ls principles ventjs de este nuevo método pueden resumirse en (i) sensores de bjo coste; (ii) sonds de fácil y rápid instlción; (iii) sonds robusts y de reducido mntenimiento. Sin embrgo, son necesrios nuevos trbjos encmindos incorporr sensores de tempertur en l sond TDR o l búsqued de nuevos mteriles cerámicos que permitn mplir el rngo de tensiones plicr. Hilhorst, M.,. A pore wter conductivity sensor. Soil Sci. Soc. Am. J. 4, Leone, A.P., M. Menenti, A. Buondonno, A. Letizi, C. Mffei, y G. Sorrentino, 7. A field experiment on spectrometry of crop response to soil slinity. Agric. 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