Humedad del suelo

La humedad del suelo es el contenido de agua del suelo . Se puede expresar en términos de volumen o peso. La medición de la humedad del suelo puede basarse en sondas in situ (por ejemplo, sondas de capacitancia , sondas de neutrones ) o en métodos de teledetección . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El agua que entra en un campo se elimina de él por escorrentía , drenaje , evaporación o transpiración . ^{[ 3 ]} La escorrentía es el agua que fluye por la superficie hasta el borde del campo; el drenaje es el agua que fluye a través del suelo hacia abajo o hacia el borde del campo bajo tierra; la pérdida de agua por evaporación de un campo es la parte del agua que se evapora a la atmósfera directamente desde la superficie del campo; la transpiración es la pérdida de agua del campo por su evaporación desde la propia planta.

El agua afecta la formación , la estructura , la estabilidad y la erosión del suelo , pero es de suma importancia con respecto al crecimiento de las plantas . ^{[ 4 ]} El agua es esencial para las plantas por cuatro razones:

1. Constituye entre el 80 y el 95% del protoplasma de la planta .
2. Es esencial para la fotosíntesis .
3. Es el disolvente en el que los nutrientes son transportados hacia, dentro y a través de la planta.
4. Proporciona la turgencia mediante la cual la planta se mantiene en la posición adecuada. ^{[ 5 ]}

Además, el agua altera el perfil del suelo disolviendo y redepositando solutos minerales y orgánicos y coloides , a menudo en niveles inferiores, un proceso llamado lixiviación . En un suelo franco , los sólidos constituyen la mitad del volumen, el gas una cuarta parte y el agua otra cuarta parte, de los cuales solo la mitad estará disponible para la mayoría de las plantas, con una fuerte variación según el potencial mátrico . ^{[ 6 ]}

El agua se mueve en el suelo bajo la influencia de la gravedad , la ósmosis y la capilaridad . ^{[ 7 ]} Cuando el agua penetra en el suelo, desplaza el aire de los macroporos interconectados por flotabilidad y rompe los agregados en los que está atrapado el aire, un proceso llamado disgregación . ^{[ 8 ]}

La velocidad a la que un suelo puede absorber agua depende del suelo y sus otras condiciones. A medida que una planta crece, sus raíces extraen primero el agua de los poros más grandes (macroporos). Pronto, los poros más grandes solo contienen aire, y el agua restante se encuentra únicamente en los poros de tamaño intermedio y más pequeño ( microporos ). El agua en los poros más pequeños está tan fuertemente adherida a las superficies de las partículas que las raíces de la planta no pueden extraerla. En consecuencia, no toda el agua del suelo está disponible para las plantas, con una fuerte dependencia de la textura . ^{[ 9 ]} Cuando está saturado, el suelo puede perder nutrientes a medida que el agua drena. ^{[ 10 ]} El agua se mueve en un campo de drenaje bajo la influencia de la presión donde el suelo está localmente saturado y por capilaridad hacia las partes más secas del suelo. ^{[ 11 ]} La mayor parte de las necesidades hídricas de las plantas se satisfacen mediante la succión causada por la evaporación de las hojas ( transpiración ) y una fracción menor se satisface mediante la succión creada por las diferencias de presión osmótica entre el interior de la planta y la solución del suelo. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Las raíces de las plantas deben buscar agua y crecer preferentemente en micrositios de suelo más húmedos, ^{[ 14 ]} pero algunas partes del sistema radicular también pueden humedecer partes secas del suelo. ^{[ 15 ]} La falta de agua dañará el rendimiento de un cultivo. ^{[ 16 ]} La mayor parte del agua disponible se utiliza en la transpiración para atraer nutrientes a la planta. ^{[ 17 ]}

El agua del suelo también es importante para la modelización climática y la predicción numérica del tiempo . El Sistema Mundial de Observación del Clima (GCOS) especificó el agua del suelo como una de las 50 Variables Climáticas Esenciales (VCE). ^{[ 18 ]} El agua del suelo se puede medir in situ con sensores de humedad del suelo o se puede estimar a diversas escalas y resoluciones: desde mediciones locales o por wifi mediante sensores en el suelo hasta imágenes satelitales que combinan la captura de datos y modelos hidrológicos . Cada método presenta ventajas y desventajas, por lo que la integración de diferentes técnicas puede disminuir los inconvenientes de un método en particular. ^{[ 19 ]}

Capacidad de campo

Un campo inundado drenará el agua gravitacional bajo la influencia de la gravedad hasta que las fuerzas adhesivas y cohesivas del agua resistan un mayor drenaje, momento en el que se dice que ha alcanzado la capacidad de campo . ^{[ 20 ]} En ese punto, las plantas deben aplicar succión para extraer agua del suelo. Por convención, se define como  una succión de 0,33 bar. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Agua disponible y agua no disponible

El agua que las plantas pueden extraer del suelo se llama agua disponible . ^{[ 20 ] [ 22 ]} Una vez que se agota el agua disponible, la humedad restante se llama agua no disponible, ya que la planta no puede producir la succión suficiente para absorberla.

Punto de marchitamiento

El punto de marchitamiento es la cantidad mínima de agua que las plantas necesitan para no marchitarse y se aproxima al límite entre el agua disponible y la no disponible. Por convención, se define como  una succión de 15 bares. En este punto, las semillas no germinarán, ^{[ 23 ] [ 20 ] [ 24 ]} las plantas comienzan a marchitarse y luego mueren a menos que puedan recuperarse después de la reposición de agua gracias a adaptaciones específicas de cada especie. ^{[ 25 ]}

El agua se retiene en un suelo cuando la fuerza adhesiva de atracción que los átomos de hidrógeno del agua tienen por el oxígeno de las partículas del suelo es más fuerte que las fuerzas cohesivas que el hidrógeno del agua siente por los átomos de oxígeno del agua. ^{[ 26 ]} Cuando un campo se inunda, el espacio poroso del suelo se llena completamente de agua. El campo drenará bajo la fuerza de la gravedad hasta que alcance lo que se llama capacidad de campo , momento en el que los poros más pequeños se llenan de agua y los más grandes de agua y gases. ^{[ 27 ]} La cantidad total de agua retenida cuando se alcanza la capacidad de campo es una función del área superficial específica de las partículas del suelo. ^{[ 28 ]} Como resultado, los suelos con alto contenido de arcilla y alto contenido de materia orgánica tienen capacidades de campo más altas. ^{[ 29 ]} La energía potencial del agua por unidad de volumen relativa al agua pura en condiciones de referencia se llama potencial hídrico . El potencial hídrico total es una suma del potencial mátrico que resulta de la acción capilar , el potencial osmótico para suelos salinos y el potencial gravitatorio cuando se trata del movimiento descendente del agua. El potencial hídrico en el suelo suele tener valores negativos y, por lo tanto, también se expresa en succión , que se define como el negativo del potencial hídrico. La succión tiene un valor positivo y puede considerarse como la fuerza total necesaria para extraer o expulsar agua del suelo. El potencial hídrico o succión se expresa en unidades de kPa (10³ ^pascal ) , bar (100  kPa) o cm H₂O ₍ aproximadamente 0,098  kPa). El logaritmo común de la succión en cm H₂O _se denomina pF. ^{[ 30 ]} Por lo tanto, pF₃  = 1000  cm = 98 kPa = 0,98  bar.

Las fuerzas con las que el agua se retiene en los suelos determinan su disponibilidad para las plantas. Las fuerzas de adhesión mantienen el agua fuertemente unida a las superficies minerales y de humus , y con menor fuerza a sí misma mediante fuerzas cohesivas. La raíz de una planta puede penetrar un volumen muy pequeño de agua adherida al suelo y ser capaz inicialmente de absorber agua que solo está ligeramente retenida por las fuerzas cohesivas. Pero a medida que la gota se absorbe, las fuerzas de adhesión del agua a las partículas del suelo producen una succión cada vez mayor , hasta alcanzar finalmente los 1500  kPa (pF = 4,2). ^{[ 31 ]} A una succión de 1500 kPa, la cantidad de agua en el suelo se denomina punto de marchitamiento . A esa succión, la planta no puede satisfacer sus necesidades hídricas, ya que sigue perdiendo agua por transpiración , pierde su turgencia y se marchita, aunque el cierre estomático puede disminuir la transpiración y, por lo tanto, retrasar el marchitamiento por debajo del punto de marchitamiento, en particular durante la adaptación o aclimatación a la sequía . ^{[ 32 ]} El siguiente nivel, llamado secado al aire, se produce a  una succión de 100 000 kPa (pF = 6). Finalmente, la condición de secado en horno se alcanza a  una succión de 1 000 000 kPa (pF = 7). Toda el agua por debajo del punto de marchitamiento se denomina agua no disponible. ^{[ 33 ]}

Cuando el contenido de humedad del suelo es óptimo para el crecimiento de las plantas, el agua en los poros de tamaño grande ( macroporos ) e intermedio ( mesoporos ) puede moverse en el suelo y ser utilizada fácilmente por las plantas. ^{[ 9 ]} La cantidad de agua que queda en un suelo drenado a capacidad de campo y la cantidad que está disponible son funciones de la textura del suelo . El suelo arenoso retendrá muy poca agua, mientras que la arcilla retendrá la cantidad máxima. ^{[ 29 ]} El agua disponible para el franco limoso podría ser del 20% mientras que para la arena podría ser solo del 6% en volumen, como se muestra en esta tabla.

Los valores anteriores son valores promedio para las texturas del suelo.

Water moves through soil due to the forces of gravity, osmosis and capillarity. At 0 to 33 kPa suction (field capacity), water is pushed through soil from the point of its application under the force of gravity and the pressure gradient created by differences in the pressure of water; this is called saturated flow. At higher suction, water movement is pulled by capillarity from wetter toward drier soil. This is caused by water's adhesion to soil solids, and is called unsaturated flow.^[35][36]

Water infiltration and movement in soil are controlled by six factors:

1. Soil texture
2. Soil structure. Fine-textured soils with granular structure are most favourable to infiltration of water.
3. The amount of organic matter. Coarse matter is best and if on the surface helps prevent the destruction of soil structure and the creation of soil crusts.
4. Depth of soil to impervious layers such as hardpans or bedrock
5. The amount of water already in the soil
6. Soil temperature. Warm soils take in water faster while frozen soils such as permafrost may not be able to absorb depending on the type of freezing.^[37]

Water infiltration rates range from 0.25 cm per hour for high clay soils to 2.5 cm per hour for sand and well stabilized and aggregated soil structures.^[38] Water flows through the ground unevenly, in the form of so-called gravity fingers, because of the surface tension between water particles.^[39][40]

Tree roots, whether living or dead, create preferential channels for rainwater flow through soil,^[41] magnifying infiltration rates of water up to 27 times.^[42]

Flooding temporarily increases soil permeability in river beds, helping to rechargeaquifers.^[43]

El agua aplicada a un suelo es empujada por gradientes de presión desde el punto de aplicación, donde está saturada localmente, hacia áreas menos saturadas, como la zona vadosa . ^{[ 44 ] [ 45 ]} Una vez que el suelo está completamente humedecido, el agua restante se moverá hacia abajo ( lixiviación ) o se filtrará fuera del alcance de las raíces de las plantas , arrastrando consigo arcilla, humus, nutrientes, principalmente cationes, y diversos contaminantes , incluidos pesticidas , contaminantes , virus y bacterias , lo que potencialmente causa contaminación de las aguas subterráneas . ^{[ 46 ] [ 47 ]} En orden decreciente de solubilidad, los nutrientes lixiviados son:

• Calcio
• Magnesio, azufre, potasio; dependiendo de la composición del suelo.
• Nitrógeno; generalmente poco, a menos que se haya aplicado fertilizante de nitrato recientemente.
• Fósforo; muy poco, ya que sus formas en el suelo son de baja solubilidad. ^{[ 48 ]}

El agua que drena a través del suelo por los macroporos cuando llueve se llama agua gravitacional . ^{[ 49 ]}

En Estados Unidos, el agua de percolación debida a las precipitaciones varía desde casi cero centímetros al este de las Montañas Rocosas hasta cincuenta o más centímetros por día en los Montes Apalaches y la costa norte del Golfo de México . ^{[ 50 ]}

El agua es atraída por acción capilar debido a la fuerza de adhesión del agua a los sólidos del suelo, produciendo un gradiente de succión desde el suelo húmedo hacia el más seco ^{[ 51 ]} y desde los macroporos a los microporos . ^{[ 52 ]} La llamada ecuación de Richards permite calcular la tasa de cambio temporal del contenido de humedad en los suelos debido al movimiento del agua en suelos no saturados . ^{[ 53 ]} Curiosamente, esta ecuación atribuida a Lorenzo Richards fue publicada originalmente por Lewis Richardson en 1922. ^{[ 54 ]} La ecuación de velocidad de la humedad del suelo , ^{[ 55 ]} que se puede resolver utilizando el método de flujo de la zona vadosa de contenido de agua finito , ^{[ 56 ] [ 57 ]} describe la velocidad del agua que fluye a través de un suelo no saturado en la dirección vertical. La solución numérica de la ecuación de Richardson/Richards permite calcular el flujo de agua no saturada y el transporte de solutos utilizando software como Hydrus , ^{[ 58 ]} proporcionando parámetros hidráulicos del suelo de funciones hidráulicas ( función de retención de agua y función de conductividad hidráulica no saturada ) y condiciones iniciales y de contorno. El flujo preferencial ocurre a lo largo de macroporos interconectados , grietas, canales de raíces y lombrices, que drenan el agua por gravedad . ^{[ 59 ] [ 60 ]}

Muchos modelos basados ​​en la física del suelo ahora permiten alguna representación del flujo preferencial como un continuo dual, opciones de porosidad dual o permeabilidad dual , pero generalmente se han "añadido" a la solución de Richards sin ningún fundamento físico riguroso. ^{[ 61 ]}

De igual importancia que el almacenamiento y el movimiento del agua en el suelo es la forma en que las plantas la adquieren junto con sus nutrientes. La mayor parte del agua del suelo es absorbida por las plantas como absorción pasiva causada por la fuerza de succión del agua que se evapora ( transpira ) de la larga columna de agua ( flujo de savia del xilema ) que conduce desde las raíces de la planta hasta sus hojas, según la teoría de cohesión-tensión . ^{[ 62 ]} El movimiento ascendente de agua y solutos ( elevación hidráulica ) está regulado en las raíces por la endodermis ^{[ 63 ]} y en el follaje de la planta por la conductancia estomática , ^{[ 64 ]} y puede ser interrumpido en los vasos del xilema de la raíz y el tallo por cavitación , también llamada embolia del xilema . ^{[ 65 ]} Además, la alta concentración de sales dentro de las raíces de las plantas crea un gradiente de presión osmótica que empuja el agua del suelo hacia las raíces. ^{[ 66 ]} La absorción osmótica se vuelve más importante durante períodos de baja transpiración de agua causados ​​por temperaturas bajas (por ejemplo, durante la noche) o alta humedad, y ocurre lo contrario bajo altas temperaturas o baja humedad. Son estos procesos los que causan la gutación y el marchitamiento , respectivamente. ^{[ 67 ] [ 68 ]}

La extensión de las raíces es vital para la supervivencia de las plantas. Un estudio de una sola planta de centeno de invierno cultivada durante cuatro meses en un pie cúbico (0,0283 metros cúbicos) de suelo franco mostró que la planta desarrolló 13.800.000 raíces, un total de 620  km de longitud con 237 metros cuadrados de superficie ; y 14 mil millones de pelos radiculares de 10.620  km de longitud total y 400 metros cuadrados de superficie total; para una superficie total de 638 metros cuadrados. La superficie total del suelo franco se estimó en 52.000 metros cuadrados. ^{[ 69 ]} En otras palabras, las raíces estaban en contacto con solo el 1,2% del volumen del suelo. Sin embargo, la extensión de las raíces debe considerarse un proceso dinámico, que permite que nuevas raíces exploren un nuevo volumen de suelo cada día, aumentando drásticamente el volumen total de suelo explorado durante un período de crecimiento determinado y, por lo tanto, el volumen de agua absorbida por el sistema radicular durante este período. ^{[ 70 ]} La arquitectura de la raíz, es decir, la configuración espacial del sistema radicular, juega un papel destacado en la adaptación de las plantas a la disponibilidad de agua y nutrientes del suelo y, por lo tanto, en la productividad de las plantas . ^{[ 71 ]}

Las raíces deben buscar agua, ya que el flujo de agua no saturada en el suelo solo puede moverse a una velocidad de hasta 2,5  cm por día; como resultado, mueren y crecen constantemente mientras buscan altas concentraciones de humedad en el suelo. ^{[ 72 ]} La humedad insuficiente del suelo, hasta el punto de causar marchitamiento , provocará daños permanentes y los rendimientos de los cultivos se verán afectados. Cuando el sorgo de grano se expuso a una succión del suelo tan baja como 1300 kPa durante las etapas de emergencia de la espiga, floración y formación de semillas, su producción se redujo en un 34 %. ^{[ 73 ]}

Solo una pequeña fracción (del 0,1 % al 1 %) del agua utilizada por una planta se retiene en su interior. La mayor parte se pierde finalmente por transpiración . Al mismo tiempo, la evaporación de la superficie del suelo también es considerable, y la relación transpiración/evaporación (T/ET) varía según el tipo de vegetación y el clima, alcanzando su máximo en las selvas tropicales y disminuyendo en las estepas y los desiertos . ^{[ 74 ]} La transpiración más la pérdida de humedad del suelo por evaporación se denomina evapotranspiración . La evapotranspiración más el agua retenida en la planta da como resultado el consumo , que es casi idéntico a la evapotranspiración. ^{[ 73 ] [ 75 ]}

El agua total utilizada en un campo agrícola incluye la escorrentía superficial , el drenaje y el uso consuntivo. El uso de acolchados sueltos reducirá las pérdidas por evaporación durante un período después del riego del campo, pero al final, la pérdida total por evaporación (planta más suelo) se aproximará a la del suelo descubierto, mientras que habrá más agua disponible de inmediato para el crecimiento de las plantas. ^{[ 76 ]} La eficiencia del uso del agua se mide mediante el índice de transpiración , que es la relación entre el agua total transpirada por una planta y el peso seco de la planta cosechada. Los índices de transpiración para los cultivos varían de 300 a 700. Por ejemplo, la alfalfa puede tener un índice de transpiración de 500; como resultado, 500 kilogramos de agua producirán un kilogramo de alfalfa seca. ^{[ 77 ]}