Guía de estudio Nº 7

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1 Descubriendo la Ciencia por medio de la relación Suelo Agua Planta Instituto de Educación Rural - Liceo Técnico Profesional Paulino y Margarita Callejas Universidad de Chile - EXPLORA CONICYT Guía de estudio Nº 7 CAPÍTULO 2: RELACIÓN SUELO-AGUA-PLANTA UNIDAD II: EL AGUA EN EL SUELO El agua que las plantas transpiran proviene de las reservas que el suelo acumula cuando llueve o cuando es regado. La comprensión de las relaciones entre el agua y el suelo es de gran importancia pues es necesario adaptar el riego de acuerdo a las características particulares de cada suelo. PROPIEDADES GENERALES DEL AGUA El Agua es un líquido incoloro (sin color), inodoro (sin olor) e insípido (sin sabor). La densidad del agua es igual a 1, que es la relación entre la masa y el volumen. De ahí que un kilo de agua (masa) ocupa un litro de volumen. Al igual que el aire, el agua tiene una fuerza con la que empuja, esto se llama presión. El agua por sí misma no posee una forma definida, por eso es que toma la forma del recipiente que la contiene. La temperatura y la presión atmosférica determinan los diferentes estados del agua. A una temperatura menor o igual a 0º C se produce la congelación y el agua se convierte en hielo (estado sólido). Por sobre los 0º C el agua pasa al estado líquido, el cual se mantiene hasta una temperatura de 100º C, donde el líquido se transforma en vapor (estado gaseoso), proceso llamado ebullición. La superficie del agua adopta una posición horizontal.

2 El agua es el medio donde se disuelven casi todas las sustancias y se producen muchas reacciones químicas. CÓMO ES LA MOLÉCULA DEL AGUA? Es una molécula formada por dos elementos: oxígeno e hidrógeno, en la siguiente proporción: una parte de oxígeno y dos partes de hidrógeno (H 2 O), unidos por medio de enlaces o puentes de hidrógeno (Figura 1). Una molécula de agua Dos moléculas de agua unidas por un puente de hidrógeno (δ = polo o carga) Zonas parcialmente positivas Puente de Hidrógeno Zonas de electrones no compartidos Figura 1. Molécula de agua. El resultado es que la molécula del agua es dipolar, es decir, presenta un polo positivo (protones) y uno negativo (electrones), que confieren una carga eléctrica total neutra. Alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno concentran una densidad de carga positiva. PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DEL AGUA 1. Acción disolvente. Es una propiedad química del agua que le confiere la capacidad de disolver la mayoría de las sustancias existentes, y por esto es conocida como el disolvente universal. Esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, haciendo que éstas se disuelvan al interactuar con las moléculas del agua. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: a) Es el medio en que transcurren la mayor parte de las reacciones del metabolismo.

3 b) El aporte de nutrientes y la eliminación de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos. 2. Fuerza de cohesión entre sus moléculas. La estructura de la molécula de agua facilita la unión entre sus moléculas. La presencia del polo negativo del átomo de oxígeno (O) ejerce atracción sobre los polos positivos de los átomos de hidrógeno (H) de otras moléculas de agua adyacentes, uniéndose con facilidad por puentes de hidrógeno. De esta manera se forman enormes cadenas que constituyen el líquido. 3. Fuerza de adhesión o adsorción a otras superficies. La atracción que ejercen las moléculas de agua hacia superficies sólidas, por las características polares ya señaladas, se conoce como fuerza de adhesión o fuerza de adsorción. Esta fuerza hace que el agua se adhiera a superficies sólidas. 4. Tensión superficial La tensión superficial es una medida de la resistencia que ofrecen los líquidos a la rotura de su superficie, o dicho de otro modo, de la tendencia del líquido a la formación de gotas. Los puentes de H confieren al agua una tensión superficial relativamente alta, lo que significa que tiene un grado de resistencia más o menos alto a la formación de gotas. Se evidencia al poner en contacto la fase líquida del agua con el aire, reflejando la mayor cohesión existente entre las moléculas de agua que con las moléculas del aire que se encuentran por encima. 5. Capilaridad La capilaridad es una propiedad del agua que se debe tanto a la adsorción como a la tensión superficial provocada por la cohesión. Cuando se introduce un capilar, o tubo fino, (ver figura) en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente. Tubos capilares Atracción adhesiva El agua se adhiere a la superficie del capilar ascendiendo como un continuo, producto de la cohesión entre las moléculas del agua. Figura 2. Movimiento capilar del agua.

4 En el capilar se podrá observar un menisco formado en la superficie de la columna de agua ascendente (Figura 3). Este menisco refleja la tensión superficial y la adhesión hacia las paredes, más el efecto de la fuerza de gravedad. Llegará un punto en que la fuerza de gravedad vencerá la tensión superficial y la adhesión, provocando que la columna de agua escurra y no se mantenga dentro del capilar, lo que será más factible mientras mayor sea el diámetro de éste. Adhesión Tensión superficial Fuerza de gravedad Adhesión Menisco En el caso del suelo, los poros forman canales que se asemejan a un capilar. Cuando los poros son finos, el menisco de agua se mantiene y se logra almacenar agua más fácilmente dentro de ellos. Cuando los poros son gruesos, el menisco se rompe y el agua escurre por efecto de la fuerza de gravedad. Esto determina que en un suelo arenoso sea más fácil perder agua por percolación. Figura 3. Menisco sobre la columna de agua dentro de un capilar o tubo. 6. Gran calor específico. El calor específico se refiere a la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en un 1º C. En el caso del agua, es necesario que ésta pierda 1 caloría para que 1 gramo de ella descienda su temperatura en 1º C. En términos prácticos esto implica que la temperatura del agua descenderá más lentamente que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite proteger a los organismos de los cambios bruscos de temperatura, ya que sus células están mayoritariamente compuestas por agua. 7. Elevado calor de vaporización. El calor de vaporización es la cantidad de energía necesaria para que una sustancia cambie de estado líquido a gaseoso. El agua requiere de una alta energía para superar las fuerzas de cohesión (establecidas por los puentes de H) entre sus moléculas, y además dotar a éstas de energía cinética (energía de movimiento) suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor.

5 INFILTRACIÓN DEL AGUA AL SUELO El agua penetra al suelo, normalmente, desde la superficie. El proceso de entrada de agua al suelo se conoce con el nombre de infiltración. Inicialmente este proceso es rápido, para disminuir paulatinamente en el tiempo. Este hecho queda reflejado en que inicialmente toda el agua que se aplica sobre el suelo es absorbida, pero después de un cierto tiempo el agua se apoza y comienza a escurrir por efecto de la fuerza de gravedad, si el suelo presenta pendiente. Dentro del proceso de infiltración es necesario distinguir dos aspectos: la velocidad de infiltración (VI) y la infiltración acumulada (IA). a) Velocidad de infiltración (VI): Se refiere a la velocidad con que el agua penetra al suelo y se expresa en términos de mm/h o cm/h. La velocidad de infiltración de un suelo depende de factores los siguientes factores: Textura del suelo: La textura determina el tamaño de poros. Un suelo arenoso presenta una velocidad de infiltración mayor que uno arcilloso. Estructura del suelo: La estructura determina la distribución de los poros. Un suelo con estructura granular tendrá una velocidad de infiltración mayor que el suelo que presente una estructura laminar. Calidad del agua de riego: Si el agua de riego presenta una composición relativamente mayor en Na que Ca y Mg, se producirá una dispersión de las partículas del suelo debido al Na (menos poros), lo que disminuirá la velocidad de infiltración. Compactación del suelo: En un suelo compactado la velocidad de infiltración es menor que en un suelo no compactado. Contenido de agua del suelo: A mayor contenido de agua del suelo menor es la velocidad de infiltración. Sólidos en suspensión: Si el agua contiene sólidos en suspensión, éstos forma sobre la superficie del suelo una costra impermeable al paso del agua por lo que la velocidad de infiltración es menor. Inicialmente, al aplicar agua, el valor de infiltración es alto, y a medida que se incrementa el contenido de agua del suelo disminuye paulatinamente, hasta llegar a un valor constante, denominado velocidad de infiltración básica. En la

6 figura 4 se presenta el comportamiento de la velocidad de infiltración en suelos de diferentes texturas. Figura 4. Curva de velocidad de infiltración para tres tipos de suelos. Infiltración básica según tipo de suelo: Tipo de suelo mm/hr Arenoso grueso 25 a 60 Arenoso fino 18 a 25 Franco arenoso 14 a 18 Franco limoso 10 a 14 Franco arcilloso 7 a 10 Arcillo limoso 4 a 7 Arcilloso compacto 2 a 5 Los suelos de texturas gruesas presentan una velocidad de infiltración (VI), más alta que los de suelos de texturas más finas, lo cual indica que para hacer penetrar una determinada lámina de agua, el tiempo de aplicación del agua será mayor en un suelo arcilloso que en un suelo arenoso. b) Infiltración acumulada: El segundo término que define la infiltración de un suelo es la infiltración acumulada, que se refiere a la cantidad total de agua que penetra al suelo en función del tiempo. La infiltración acumulada esta íntimamente relacionada con la velocidad de infiltración (VI) que presente el suelo, ya que a mayor velocidad de infiltración mayor infiltración acumulada (Figura 5).

7 Figura 5. Velocidad de infiltración instantánea e infiltración acumulada. Las características de la infiltración de agua en un suelo nos darán una guía sobre cómo manejar el riego, modificando el tiempo de aplicación de agua (tiempo de riego) de acuerdo a la capacidad del suelo de absorber agua, para evitar que ésta se acumule en la superficie y se produzcan pérdidas por escurrimiento superficial. MOVIMIENTO DEL AGUA EN EL SUELO El agua se encuentra presente en el suelo dentro del espacio poroso. Es por esta razón que las propiedades del suelo tales como textura, estructura, densidad aparente (que nos da una idea del grado de compactación del suelo), etc. que determinan el espacio poroso, establecerán la facilidad con que el agua pueda moverse dentro del suelo. El agua en el suelo se moverá debido a la fuerza de gravedad en un principio, durante el proceso de infiltración. Una vez dentro del suelo, las propiedades del agua y la interacción de ésta con las partículas del suelo determinarán su movimiento en distintas direcciones y sentidos (Figura 6). El agua siempre será atraída por las partículas del suelo hacia los sectores más secos, existiendo un movimiento preferencial desde las zonas más húmedas hacia las zonas más secas. La capilaridad, producto de la tensión superficial y la adhesión, le permitirán al agua mantenerse almacenada dentro de los poros más finos, ya que en poros

8 más gruesos estas fuerzas serán vencidas por la fuerza de gravedad, perdiéndose agua por percolación. De este modo, los poros finos serán los que permitirán al suelo ser un reservorio de agua para las plantas. A su vez, las fuerzas de adhesión entre el agua y las partículas del suelo determinan la resistencia que se le ofrece a las raíces para extraer y utilizar esta agua. Así, habrá una porción del agua fácilmente extraíble que será el agua disponible para las plantas y otra muy fuertemente adherida a la superficie de las partículas del suelo que no podrá ser extraída y por lo tanto, será la porción no disponible para las plantas. El agua del reservorio además tenderá a ser liberada por evaporación desde la superficie del suelo. Riego, lluvia Ev Movimiento a zonas más secas Fg Movimiento a zonas más secas Figura 6. Movimiento del agua en el suelo

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