Água no Solo (Trabalho completo)

A água move-se no sistema solo-planta-atmosfera em qualquer uma de suas fases. No solo e na planta, os principais movimentos dão-se na fase líquida, apesar de fluxos de vapor poderem assumir grande importância quando o solo se encontra "mais seco" e em certos órgãos da planta, como é o caso das câmaras estomatais na folha. Na atmosfera, o principal movimento dá-se na fase de vapor, mas em condições especiais, o movimento na fase líquida (chuva) e na fase sólida (granizo ou neve) pode assumir proporções importantes.

O Potencial da Água no solo ou na planta representa o estado de energia da água no solo ou na planta e governa todos os processos de transporte de água no sistema solo–planta–atmosfera. O entendimento e a aplicação desse conceito possibilitam uma visão global dos processos de absorção e transporte de água do solo para a planta, no interior da planta e das folhas para a atmosfera (transpiração). E A propriedade do solo de atrair e reter a água no estado líquido e em forma de vapor é o resultado da acção conjunta e complexa de uma série de factores. Como o solo apresenta cargas eléctricas (– ou +), as moléculas de água se orientam para serem retidas. Nessa interação solo-água, verifica-se a influência das forças de adsorção do solo, ou seja, adesão e coesão.

Infiltração da água no solo

É o processo pelo qual a água penetra no solo. A taxa na qual a água penetra no solo é variável com o tempo. Ela inicia com taxas altas no início e progressivamente vai diminuindo até atingir valores constantes. As forças responsáveis por esse movimento são a gravitacional e a mátrica, essa última originada nos meniscos côncavos resultantes da interacção entre as fases sólida, líquida e gasosa (forças de adsorção, coesão e tensão superficial).

 Quando o solo se encontra relativamente seco no início da infiltração, as forças mátrica dominam o processo e, por isso, as taxas de infiltração são altas. Com o passar do tempo, essas forças vão se anulando e a força gravitacional passa a ser a principal responsável por esse movimento. O conhecimento desse processo é particularmente importante em estudos de irrigação, conservação do solo e da água, etc.

Redistribuição da água do solo

O processo da redistribuição ou drenagem interna tem início quando cessa a infiltração da água de chuva ou irrigação. Portanto, o tempo final da infiltração é o tempo zero da redistribuição. No início desse processo, a força gravitacional é a principal responsável pelas alterações ocorrentes, e a umidade nas proximidades da superfície do solo é a que mais rapidamente decrescerá, se o solo apresentar boas condições para a drenagem livre.

Tanto as taxas de fluxo descendente quanto a umidade serão progressivamente diminuídas com o tempo, até quando essas variações se tornarem tão pequenas quanto desprezíveis. Nessas condições, costuma-se dizer que o excesso de água foi drenado e o solo atingiu a sua condição de capacidade de campo, o que pode levar horas, dias ou semanas (a presença de camadas restritivas fazem aumentar o tempo). A capacidade de campo tem sido assumida como o limite superior de disponibilidade às plantas e, por isso, ganhou grande importância, particularmente na engenharia da irrigação.

Retenção de água pelo solo

A propriedade do solo de atrair e reter a água no estado líquido e em forma de vapor é o resultado da ação conjunta e complexa de uma série de fatores. Como o solo apresenta cargas elétricas (– e/ou +), as moléculas de água se orientam para serem retidas. Nessa interação solo-água, verifica-se a influência das forças de adsorção do solo, ou seja, adesão e coesão. Adesão: é a atração da molécula de água pela partícula do solo e Coesão: é a atração das moléculas de água entre si. Além das forças de adsorção, deve-se considerar ainda que no solo, o espaço poroso é bastante semelhante a tubos capilares, aparecendo também na retenção de água pelo solo a ação dos fenômenos de capilaridade.

Fatores que afetam a retenção de água pelo solo:

            Textura e tipo de argila;

Matéria Orgânica;

Estrutura do solo.

Tensão superficial e capilaridade

A tensão superficial resulta da existência de forças de atração de curto alcance entre as moléculas do líquido chamadas forças moleculares de London-van der Waals de coesão, forças moleculares de coesão ou simplesmente forças de coesão. A distância limite de atuação destas forças, isto é, a distância máxima que uma molécula consegue exercer atração sobre as outras, delimita uma esfera de raio r conhecida pelo nome de esfera de ação das forças moleculares ou simplesmente esfera de ação molecular. Para a água, r não excede 0,05mm.

2.              Quantificação da água no solo

Seja uma amostra de solo cujo volume V é, evidentemente, igual à soma do volume de seus sólidos Vs e o volume de seus poros V_p, isto é, V =V_s +V_p.

Estando a amostra não saturada e chamando de Va e Var os volumes de água (solução) e de ar, respectivamente, presentes no interior do espaço poroso desta amostra num determinado momento, é claro que V_p =V_a +V_ar. E, portanto, V = V_s +V_a +V_ar.

Para solos de estrutura rígida (não expansíveis), V_p = V_a + V_ar = constante e, portanto, quando V_a aumenta (ou diminui), V_ar diminui (ou aumenta) do mesmo valor. Para solos expansíveis entretanto, V_p e portanto também V variam com V_a, ou seja, aumentam com o aumento de V_a e diminuem com a diminuição de V_a; mas dependem do valor de V_a. Igualmente, se for chamada de m a massa desta amostra de solo não-saturado num dado momento, de m_s a massa de seus sólidos e, no mesmo momento, de ma e mar as massas de água e de ar presentes no interior do seu espaço poroso, evidentemente, m = m_s + m_a + m_ar Entretanto, em comparação com a magnitude de m_s e m_a, mar pode ser considerada sempre desprezível, pelo que tanto para solo saturado como para solo não saturado, m = m_s + m_a.

A partir dessas informações pode-se, agora, definir os índices que quantificam a água no solo:

Conteúdo de água no solo à base de massa U

É, por definição, o quociente da massa de água presente numa amostra de solo num determinado instante e a massa de sólidos da amostra:

[kg kg^-1]     ou, tendo em vista a equação       [kg kg^-1].

É importante esclarecer que, pelo fato de U não ser uma fração (parte de uma unidade), não deveria ser expressa em porcentagem, muito embora isso seja muito comum! Observe-se, também, que não há necessidade de qualquer informação adicional quando se utiliza U para quantificar a água em solos expansíveis.

Conteúdo de água no solo à base de volume

É o quociente do volume de água presente numa amostra de solo num determinado instante e o volume da amostra, ou seja, [m³ m^-3] ou, lembrando que a densidade da água a = ma/Va e tendo em vista a equação,  [m³ m^-3].

Como é uma fração (parte de uma unidade), isto é, mostra quanto de V é Va num determinado instante, pode perfeitamente ser expressa também em porcentagem,. O conteúdo de água pode ser calculado a partir da determinação do conteúdo de água U e da densidade do solo . Como, por definição, densidade de um corpo é a razão da massa pelo volume deste corpo, então no caso, para nosso corpo poroso solo = sólidos + poros de massa ms e volume V,   kg  m^-3].

Armazenagem ou altura de água no solo

Imagine-se um perfil de solo no campo e que, num determinado momento, ao longo de sua profundidade Z, sejam obtidos valores de q a distâncias tão próximas entre si quanto possível de tal maneira que, num gráfico de q em função de Z, o conjunto dos pontos obtidos resulte numa curva contínua representando uma dada função  =  (Z). Tal gráfico recebe o nome de perfil de conteúdo de água no solo à base de volume.

Evidentemente, se L h for medido em dois instantes diferentes, obtém-se a variação de armazenagem da água no solo h_L, por:  h_L = ( f -i) ×L

Sendo _fo conteúdo de água no solo à base de volume médio verdadeiro no instante final e io conteúdo de água no solo à base de volume médio verdadeiro no instante inicial tem-se é claro os valores aproximados de hL e _hL , respectivamente.

 Energia da água no solo

Todo corpo na natureza possui uma propriedade denominada energia a qual é normalmente subdividida em três formas principais: energia cinética, resultante da velocidade instantânea do corpo em relação a algum referencial externo a ele, energia potencial, resultante da posição instantânea do corpo em relação a campos de força (gravitacional, elétrica, eletromagnética, etc).

A água no solo, do ponto de vista energético, segundo um modelo no qual se considera sempre duas situações com ela em equilíbrio. Umas das situações são a água no solo propriamente dita, isto é, dentro do solo. A outra situação é a mesma água (com a mesma energia interna que a água no solo), mas fora do solo, denominada água padrão e definida como água livre, de mesma energia interna que a água no solo e em cuja superfície plana, coincidente com a referência gravitacional, actua a pressão atmosférica do local onde a medida é feita.

Se a energia potencial total de um corpo (com energia interna constante) em equilíbrio for diferente em duas posições de um determinado meio, este corpo vai sempre se movimentar, se o meio permitir, da posição onde sua energia potencial total é maior para a posição onde ela é menor. O raciocínio é semelhante quando o corpo é a água no solo, mas, nesse caso, é mais conveniente utilizar a energia potencial total da água por unidade de massa de água ou energia potencial total específica da água (J kg-1), conforme o item a seguir.

2.3.1.      Potencial total da água no solo

O conceito de potencial total da água no solo foi introduzido com o intuito de estabelecer o sentido do movimento da água entre duas posição num meio poroso, sem conhecer os valores individuais da energia potencial total específica da água em cada posição. 

Potencial mátrico da água no solo

Considere-se uma determinada amostra de solo com água no seu espaço poroso. É fácil verificar que é necessário dispêndio de energia para retirar a água desta amostra, o qual é tanto maior quanto mais seca estiver a amostra. Isso mostra que o solo retém a água no seu espaço poroso com forças cujas intensidades aumentam conforme o seu conteúdo de água diminui. Essas forças, por se manifestarem devido à presença da matriz do solo, são denominadas forças mátricas, estão relacionadas aos já mencionados fenômenos da capilaridade e adsorção e que dão origem ao potencial mátrico que será definido logo a seguir.

Distinguem-se assim dois tipos de força mátrica: a) a força capilar, responsável pela retenção da água nos poros capilares dos agregados e b) a força de adsorção, responsável pela retenção da água na superfície das partículas do solo. Quantificar a contribuição de cada um desses tipos de força no potencial mátrico é praticamente impossível na faixa de conteúdo de água no solo que as plantas normalmente se desenvolvem. O que se pode dizer em termos qualitativos é que, logo após a drenagem livre de um solo saturado no campo, as forças capilares são dominantes e que, à medida que o solo seca a partir daí, a adsorção vai adquirindo maior importância.

  Solo saturado e não saturado de água

Das três fases do solo, sólida, líquida e gasosa, as duas últimas são complementares, isto é, a máxima presença de uma implica na ausência da outra. Sempre a porção do espaço poroso não ocupada pela fase líquida será complementada pela fase gasosa. Portanto, a fase líquida pode estar presente nos poros do solo completa ou parcialmente. No primeiro caso, o solo é dito saturado e, no segundo, não saturado.

De modo geral, os solos se encontram não saturados de água, mas mesmo assim armazenam considerável quantidade de água, parte da qual deve ser utilizada pelas plantas. Os processos dinâmicos da água em solos não saturados fazem parte de assuntos científicos terrestres do ciclo hidrológico e de problemas relacionados com irrigação, ecologia de plantas, e com a biologia da fauna e flora do solo. Processos específicos de grande interesse e importância incluem infiltração, redistribuição e evaporação da água pelos solos.

Evaporação da água do solo

A perda de água do solo por esse processo constitui-se num importante parâmetro no ciclo hidrológico, podendo atingir 50%, ou mais, da quantidade evapotranspirada. Contudo, a evaporação que ocorre na superfície do solo é indesejável, do ponto de vista agrícola, porque ela não participa diretamente do ciclo das plantas, sendo algumas vezes chamada de evaporação não produtiva. Cerca de 25% do território brasileiro oferece condições reconhecidamente favoráveis ao desenvolvimento da agricultura, mas apresentam problemas bem definidos com respeito às reservas hídricas.

O conhecimento dos fatores que determinam a evaporação da água dos solos permite a adoção de técnicas que objetivam controlá-la, possibilitando a conservação da água armazenada para uso das plantas. A evaporação da água de um solo nu, por exemplo, passa por três estágios distintos: no primeiro, quando a umidade do solo for suficientemente alta e a superfície do solo for exposta a condições constantes de radiação, umidade do ar, vento e temperatura, a evaporação caracteriza-se por uma perda constante e unicamente dependente das condições meteorológicas. Esse estágio termina quando se estabelece uma resistência ao fluxo da água na superfície do solo e a velocidade de evaporaçào decresce. Já nesse segundo estágio, a evaporação decresce com o decréscimo da umidade na superf’ície do solo e as condições reinantes não são mais importantes porque o processo é governado pelas propriedades hidráulicas nas proximidades da superfície do solo.

Quanto mais seca e mais espessa a camada, menor a taxa de evaporação. E a espessura da camada seca é determinada pela taxa na qual o fluxo de água das camadas subjacentes pode alcançar a superfície de secagem. Se o suprimento de água for muito lento, a camada superficial de secamento aumenta, causando um aumento na resistência ao fluxo. O terceiro estágio da evaporação é algumas vezes identificado quando a taxa de decréscimo da evaporação com o tempo torna-se ainda mais baixa. Esse estágio caracteriza-se por um movimento bastante lento da água no solo, decorrente da adsorção de água pelas partículas sólidas.

Classificação física da água do solo briggs (1897)

Segundo o autor acima citado classifica física da agua no solo quanto a:
  Água gravitacional: localizada nos macroporos; permanência efêmera no solo; removida facilmente pela drenagem e provoca lixiviação no solo.
Água capilar: localizada nos microporos; parcialmente permanente no solo; não removida pela drenagem; actua como solução do solo.
Água higroscópica: localizada próxima da superfície da partícula; permanente no solo; removida apenas no estado de vapor.

Nota: A classificação de Briggs não deve ser utilizada nos dias actuais.

 Caracterização Físico-Hídrica do Solo

Do ponto de vista ciências agrárias, o solo pode ser caracterizado através de sua classe pedológica, de análises de perfis, físicas e de fertilidade. Em estudos e planeamento de irrigação, o solo pode também ser classificado de acordo com sua aptidão para irrigação. Para o manejo da irrigação, é necessário que se conheçam algumas das propriedades físicas e físico-hídricas do solo. As principais são a densidade global ou aparente, a capacidade de campo, o ponto de murcha permanente e a curva característica de retenção de água. Outros parâmetros não menos importantes são a análise textural, a densidade das partículas ou da fração sólida, a condutividade hidráulica saturada, a taxa ou velocidade de infiltração básica e a porosidade total do solo.

Composição do Solo e Relações Massa/Volume

O solo é composto de partículas sólidas de várias formas e diferentes dimensões. O espaço poroso pode ser preenchido com quantidades variáveis de água (solução) e ar (gases) (Figura 1).

Figura 1. Representação esquemática do solo, segundo a composição de suas frações.

A partir da representação esquemática das frações componentes do solo, pode-se estabelecer uma série de relações massa/volume de grande importância na caracterização físico-hídrica dos solos, como apresentada a seguir: · Volume de poros, Vp:         

Vp = Vg + Va         

O volume de poros, Vp, é constituído pelo volume total de fluidos (água e ar). Um solo encontra-se saturado quando o volume de poros, Vp, é igual ao volume ocupado pela água, Va, Isto é, quando o volume ocupadopelo ar (gases) Vg = 0.

 Métodos para Determinação da Humidade do Solo

O conteúdo de água no solo está constantemente mudando e uma determinada amostra representa apenas a condição de água naquele momento, uma vez que o sistema é dinâmico. Portanto, essa desigualdade na distribuição de água no solo resulta em variações na amostragem que introduzem incertezas em qualquer estimativa de água em condições de campo. Essa incerteza é denominada erro de amostragem ou simplesmente variabilidade. Portanto, na amostragem, devem-se tomar as devidas precauções para reduzir os efeitos dessa variabilidade.

Dessa forma, a medição ou estimativa do conteúdo de água do solo em condições de campo é difícil, devido a uma série de factores, tais como:

ü  O crescimento desigual das plantas e a desuniformidade na distribuição do sistema radicular causam variações no conteúdo de água no solo.

ü  Diferenças em características de infiltração resultam em variações logo após chuva ou irrigação.

ü  A variação do solo no campo com relação à estrutura, estratificação e textura causa diferenças na quantidade de água armazenada no solo.

ü  Distúrbios e mudanças na densidade global, variação em volume de poros e distribuição de tamanho de poros causam profundas variações no conteúdo de água ao longo do perfil do solo, em condições de campo.

ü  Desigualdades no relevo superficial do solo resultam em umedecimento desuniforme do solo.

ü  Sistemas de irrigação mal dimensionados ou operados inadequadamente podem contribuir para uma distribuição de água desuniforme, no campo.

  Processo gravimétrico

É o método clássico e o mais utilizado na determinação do conteúdo de água do solo. As amostras são retiradas em vários locais e profundidades, no campo, podendo constituir-se de amostras simples ou compostas. Essas amostras podem ser deformadas, utilizando-se trados comuns, ou não deformadas, de volume conhecido, utilizando-se trados especiais, como, por exemplo, o trado de Uhland. Deve-se ter muito cuidado para evitar perdas de água, por evaporação, pelo solo durante a amostragem. As amostras de solo são colocadas em latas de alumínio e estas, vedadas com fita adesiva. Essas amostras são levadas para o laboratório o mais rápido possível. As amostras são pesadas e levadas à estufa a 105-110°C, onde permanecem até atingirem peso constante, geralmente 48h são suficientes.

O cálculo da humidade do solo é feito com base nas seguintes equações: · % em Peso, U:     Em que: m_a =(Massa do solo húmido) e m_s = Massa do solo seco a 105 0C

Disponibilidade de Água no Solo

Capacidade de Campo, CC.

É a quantidade de água retida pelo solo após a drenagem ter ocorrido, ou cessado em um solo previamente saturado por chuva ou irrigação. É a quantidade de água retida pelo solo quando a condutividade hidráulica não saturada se torna tão pequena que o fluxo de água pode ser considerado como sendo zero. Para fins de irrigação, capacidade de campo é o conteúdo volumétrico de água em equilíbrio com o componente matricial do potencial de água de 10 a 30 kPa (curva característica de água no solo).

 Ponto de Murcha Permanente, PMP

É o conteúdo de água no solo retido a um componente matricial do potencial de água tão elevado, em valor absoluto, que a maioria das plantas não consegue extrair água do solo e entra em murcha permanente. Para fins de irrigação, o ponto de murcha permanente é o conteúdo volumétrico de água em equilíbrio com o componente matricial do potencial de água no solo de 1500 kPa ou 15 atmosferas (curva característica de água no solo).

 CONCLUSÃO

Diante do exposto é fácil poder-se admitir que é possível produzir mais e com melhor qualidade, se houver atenção com a qualidade física dos solos, promovendo-se condições para um adequado manejo da água, já que ela é um dos cinco factores essenciais à produção de qualquer espécie vegetal.

Descrevem-se inicialmente os aspectos básicos da retenção da água no solo, notadamente a teoria da capilaridade, visando principalmente à determinação da curva de retenção da água no solo pelos métodos do funil e da câmara de pressão de ar com placa porosa. Índices para quantificar a água no solo, em especial a armazenagem da água, são definidos em seguida. A energia da água, bem como o modelo dos potenciais e, então, as equações de fluxo da água no solo, são tratados com certo detalhe. O texto termina com uma discussão resumida a respeito do balanço de água no solo.

De modo geral, os solos se encontram não saturados de água, mas mesmo assim armazenam considerável quantidade de água, parte da qual deve ser utilizada pelas plantas. Os processos dinâmicos da água em solos não saturados fazem parte de assuntos científicos terrestres do ciclo hidrológico e de problemas relacionados com irrigação, ecologia de plantas, e com a biologia da fauna e flora do solo

  REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

BUCKINGHAM,Studies of the movement of soil moisture.USDA Bur.,Soil Bull. 38, 1907.

CRUZ, A.C.R., LIBARDI, P.L., ROCHA, G.C. & CARVALHO, L.A. Evapotranspiração real de uma cultura de laranja em produção num latossolo vermelho-amarelo. R. Bras. Ci. Solo, 29: 659- 668, 2005.

DE MARIA, I.C. et al. Atributos físicos do solo e crescimento radicular da soja em Latossolo Roxo sob diferentes métodos de preparo do solo. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v.23, p.703-709, 1999.

SILVA, A.P. et al. Influência da compactação nas propriedades físicas de dois Latossolos. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v.10, p.91-95, 1986.

TEDESCO, M.J. et al. Análises de solo, plantas e outros materiais. 2.ed. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 1995. 174p. (Boletim Técnico de Solos, 5).

HAINES, W. B. Studies in the physical properties of soil: V. The hysteresis effect in capillary properties and the modes of moisture associated therewith. J. Agr. Sci. 20: 97-116, 1930.

KIRKHAM, D. & POWERS, W.L. Advanced Soil Physics. New York, Wiley-Iterscience, a division of John Wiley & Sons, 533p, 1972.