Física de los suelos y sustratos 💧
En la mayoria de los casos cuando un suelo no es apto para la siembra de cultivos (generalmente por su textura), se utilizan sustratos, que son básicamente una mezcla de materiales organicos o inorganicos que harán las veces de suelo, dando soporte a la planta y sirviendo de medio para el almacenamiento de agua y nutrientes. Algunos de los materiales más comunes para la fabricación de dichos sustratos es la fibra de coco y cascarilla de arroz. Hacer esto brinda ventajas en la velocidad de desarrollo de las plantas, ya que la densidad de estos medios es muy baja lo que permite una alta aireación y un desarrollo radicular acelerado; por otra parte, este tipo de cultivos requieren un manejo más exahustivo y de entrada implicarán mayores recursos economicos y técnicos para su correcto manejo.
En este caso las propiedades de las que haremos mención aplican a suelo y sustrato. En la práctica la lógica es la misma pero los manejos varian dado que esas propiedades cambiarán en las magnitudes para cada uno de los medios.
La gestión adecuada del suelo y sustrato en la agricultura implican prácticas que conservan su estructura, promueven la fertilidad y minimizan la erosión. La comprensión detallada de las características del suelo y sustrato, y su adaptación a las necesidades de los cultivos es esencial para optimizar la producción agrícola y garantizar la sostenibilidad a largo plazo. La labranza agrícola es la manera de alterar las propiedades físicas del suelo con el objetivo de brindar a la planta un balance adecuado entre aireación y retención de humedad. Es importante destacar que las propiedades físicas del suelos son más sencillas de alterar que las propiedades químicas y resultan la mayor parte del tiempo más ecónomicas de transformar. En el caso de los sustratos es importante mencionar que precisamente esas propiedades físicas se "construyen" buscando el mejor medio para las raices, de ahí que se obtengan desarrollos tan acelerados. En este capitulo analizaremos las propiedades físicas más revelantes para la interpretación del suelo y sustrato, y sus usos prácticos y utiles en el desarrollo de cultivos.
Figura 1: Representación básica de un perfil de suelo
Si los suelos fuesen ideales...
El suelo es un medio mixto compuesto por 3 elementos básicos:- Materiales sólidos
- Agua
- Aire
La parte sólida es aquella que dará soporte y nutrientes a la planta. Esta fracción tiene particulas que según su tamaño daran al suelo lo que se denomina cómo la textura (proporción relativa de partículas de arena, limo y arcilla en una muestra de suelo). Según el tamaño de las particulas el suelo será de tipo arenoso (particulas "grandes"), arcilloso (particulas "pequeñas") o un intermedio entre estas dos clases, limoso. En general el suelo de textura en la que predominan los limos resulta ser el más "versatil" al ser un suelo con una capacidad retención de humedad sin dejar de lado la aireación de las raices. En los sustratos no se habla específicamente de textura, estos tienden a ser más parecidos a un suelo arenoso.
| Tipo de Suelo | Diámetro de Partículas (mm) | Descripción | Posible respuesta de la planta, al regar inadecuadamente |
|---|---|---|---|
| Arena | Mayor a 0.05 | Textura áspera, retiene poca agua, buena circulación de aire. | Deshidratación y perdida de turgencia |
| Limo | 0.002 - 0.05 | Textura suave, retiene más agua y nutrientes que la arena, buen drenaje. | Buena hidratación y adecuada turgencia |
| Arcilla | Menor 0.002 | Textura pegajosa, retiene gran cantidad de agua y nutrientes, compacta fácilmente. | Asfixia y amarillamiento |
Los suelos arenosos son de muy alta infiltración y baja retención de humedad, y las arcillas, de muy lenta infiltración y excesiva retención de humedad. Para cualquiera de los casos y según el suelo que se tenga se deberán definir manejos teniendo presente estás carácteristicas. Es importante entender además carácteristicas propias de cada suelo que ayudan a hacer más fácil su manejo.
Figura 2: Triangulo textural de los suelos
Además de esta metodología existen otras de mayor y menor precisión que pueden aún así brindar indicaciones del tipo de suelo que se esta trabajando. Existe una determinación de tipo organolpetica en la que a partir del tacto y la percepción de la textura percibida por la mano se le asigna una categoria al suelo.
Determinación de textura de manera organoleptica FAO
Densidad aparente
La densidad aparente se refiere a la masa de suelo o sustrato por unidad de volumen, considerando tanto los sólidos como los poros, es decir espacios vacios en el medio. En otras palabras, es la relación entre la masa total y el volumen total que ocupa. Esta medida es importante en la caracterización de los suelos y sustratos, ya que proporciona información sobre su compactación y capacidad de aireación. Se expresa de la siguiente manera:\(ρa (g/cm³) = \frac{ Ws \ } {Vs} \)
- ρa = densidad aparente (g/cm³).
- Ws = peso seco de la muestra en gramos (g).
- Vs = volumen de la muestra considerando espacios vácios en centimetros cúbicos (cm³).
La densidad aparente se expresa comúnmente en unidades de masa por unidad de volumen, como g/cm³ o kg/m³. Una densidad aparente alta indica que el suelo o el sustrato está más compactado y tiene menos espacio poroso, lo que puede afectar negativamente la disponibilidad de agua y nutrientes para las plantas. Por otro lado, una densidad aparente baja sugiere un medio más suelto y poroso, lo que puede favorecer el crecimiento de las raíces y la circulación del agua y el aire. Es una de las determinaciones más rápidas y sencillas de hacer. En general para suelos con alta tasa de labranza se esperan valores menores a 1.4 g/cm³, con valores superiores se considera suelo con tendecia a compactarse pudiendose limitar así el desarrollo radicular. Hablar de densidad aparente del suelo es hablar indirectamente de compactación del suelo. Por su parte un sustrato puede tener valores promedio de densidad de 0.2 a 0.3 g/cm³ que resultan valores adecuados para un medio "construido" y que darán una alta porosidad.
Densidad real
La densidad real a diferencia de la densidad aparente se refiere a la masa de los sólidos por unidad de volumen total del suelo, sin tener en cuenta el espacio vacio dentro del medio. Es una medida de la cantidad de material sólido presente en una unidad de volumen de suelo, excluyendo los poros y el espacio vacío. La densidad real se expresa tambien en unidades de masa por volumen, como gramos por centímetro cúbico (g/cm³) o kilogramos por metro cúbico (kg/m³).\(ρr (g/cm³) = \frac{ Ws \ } {Vs} \)
- ρr = densidad real (g/cm³).
- Ws = peso seco de la muestra en gramos (g).
- Vs = volumen de la muestra SIN considerar espacios vácios en centimetros cúbicos (cm³).
Porosidad del suelo
La medición de la densidad real y aparente del suelo permiten como anteriomente se explicó, determinar la compactación y el tipo de particulas que tiene el suelo. A partir de estás dos mediciones además se obtiene la porosidad del suelo, que se refiere a la cantidad de espacio vacio del suelo en un volumen determinado. En terminos prácticos determina el espacio que puede ser ocupado por agua y aire, lo que resulta muy util para determinar límites de humedad en el cultivo para garantizar un buen desarrollo de las plantas.\(η (\%) = (1 - \frac{ρa}{ρr})*100\)
- η = porosidad del suelo (%), SIEMPRE será menor a 100.
- ρa = densidad aparente del suelo (g/cm³).
- ρr = densidad real del suelo (g/cm³)
Entre más cercano a 1 sea el valor indicará un suelo de muy baja retención de humedad y densidad aparente alta, probablemente de tipo arenoso; por el contrario si el valor es más cercano a 0 indicará un suelo de alta retención de humedad, densidad aparente baja de tipo arcilloso. A partir del entendimiento de estas propiedades básicas se pueden definir carácteristicas más complejas y utiles en la toma de decisiones en los cultivos.
Humedad del suelo
La humedad volumétrica es la cantidad de agua presente en el suelo o sustrato y se puede expresar en terminos de volumen o de peso. La humedad es una de las variables más importantes ya que define la cantidad de agua que la planta puede tomar, y permitirá saber si las plantas están en un deficit, exceso o situación adecuada de aire y agua en sus raices, esta humedad cambia en el tiempo de acuerdo a condiciones climaticas y consumo de propio de la planta en su proceso de evapotranspiración. La humedad en el suelo o sustrato es una de las variables que con mayor frecuencia se mide e indica el momento de riego y la cantidad a regar. Para su medición existen métodos puntuales y métodos continuos, en los métodos puntuales se mide en un momento específico, en este caso uno de los implementos más usados es el tensiómetro; por su parte, en los métodos continuos se hace seguimiento a su evolución en el tiempo generalmente con sensores. La humedad se puede expresar en % volumétrico o gravimétrico. La forma volumétrica hace referencia a centimetros cúbicos de agua (cm³) por centrimetros cúbicos de suelo.\(θ (\%) = (\frac{Va}{Vc})*100\)
- θ = humedad volumétrica del suelo (%), SIEMPRE será menor a 100.
- Va = volumen de agua en la muestra de suelo (cm³).
- Vs = volumen de la muestra de suelo considerando espacios vácios en centimetros cúbicos (cm³).
La humedad del suelo permite cálcular la lámina de riego que se debe aplicar en un suelo para "moverse" de un contenido de humedad a otro. En el estudio de estas carácteristicas existe una herramienta muy importante que se denomina la curva de retención de humedad (CRH) que establece una relación entre la tensión maticial del suelo ("fuerza con la que el suelo retiene el agua") y la cantidad de agua presente en el medio. Esta correlación es inversa, es decir a mayor cantidad de agua en el suelo menor tensión matricial y viceversa. Se puede decir que la CRH proporciona la cantidad de energía necesaria para extraer una cantidad de agua determinada del medio (Ver figura 3).
Figura 3: Curva de retención de humedad
\(LR (\%) = (\frac{θ_r - θ_a}{100 * η})*Pr*(AR)\)
- LR = Lámina de riego (m³)
- θr = Humedad volumétrica requerida (%).
- θa = Humedad volumétrica actual (%).
- Pr = Profundidad a regar (m)
- η = Eficiencia del sistema de riego, goteo (0.9), aspersión (0.7 a 0.8)
- AR = Área a regar (m²)
Estimación de lámina de riego
La calculadora de estimación de lámina permite definir la cantidad de agua (volumen) para alcanzar un nivel de humedad en el suelo deseado. Para usarla se sebe conocer la humedad actual del suelo, la humedad deseada en el suelo en porcentajes de humedad volumétricos, la profundidad a la que quiere humedecer en cm, el área a regar en m2 y el sistema de riego a usar.
Capacidad de campo y humedad del suelo
La humedad del suelo se ha definido anteriomente como la cantidad de agua que hay en un determinado volumen de suelo. Recordemos que esta humedad varia en el tiempo dependiendo de las
condiciones climaticas y consumo de la plata. Dentro de la humedad del suelo hay "puntos claves" que se deben identificar ya que en estos las condiciones para las plantas cambia drásticamente
y pueden ser beneficiosas o adversas.
La capacidad de campo es la humedad que es capaz de retener el suelo en contra de la gravedad después de un evento de saturación 24 a 48 horas después (que puede ser ocasionado por un riego o lluvia) en este
momento el suelo demuestra la máxima cantidad de agua que es capaz de contener sin que haya "escurrido" o "lixiviado" (Waller & Yitayew, 2016). Este punto es de suma importancia porqué todas las humedades que se encuentren por debajo de él,
es decir que sean menores permitiran a la planta tener oxigeno disponible, por otra parte todas las humedades mayores a este punto harán que la planta se "asfixie" y no tenga la cantidad de oxigeno requerido.
Figura 4: Zonas de la curva de retención de humedad
La capacidad de campo permite a los macroporos del suelo estar libres de agua. En general las mayoria de las plantas se desarrollan de manera correcta en humedad menores, pero cercanas a este punto sin sobrepasarlo.
El secreto de un riego exitoso rádica en ser capaz de encontrar la tensión y humedad correspondiente a la capacidad de campo y con base en la experiencia y conocimiento del cultivo dejar "secar" a humedades
menores pero "no tan lejanas" de esa capacidad de campo, manteniendo el humedad adecuada para las plantas en esa llamada zona de riego. Un riego inadecuado hará que el cultivo
tenga exceso de humedad y se encuentre en zona de saturación o por el contrario tenga deficit y este en zona de marchitez.
Es importante destacar; la humedad que se encuentra en la zona de riego se denomina agua facilmente disponible (AFD) y la que esta en zona de marchitez se conoce cómo
agua dificilmente disponible (ADD).
¿Cómo determinar la capacidad de campo de un suelo?
La teória define capacidad de campo cómo la humedad que tiene un suelo en promedio en 33 cbar de potencial matricial o tensión de humedad. En la práctica y para los suelos de Colombia ese valor esta lejos de ser real. Una forma práctica y eficiente de determinar este punto es mediante la simulación de una saturación y posterior drenaje de 48 horas del suelo.
Materiales
- Cilindro PVC de 50 cm de alto de un diametro 12"
- Cilindro para muestra inalterada estandar de 2" de diametro por 5 cm de alto
- Tensiómetro preferiblemente de 12" o 18" de longitud
- Bolsas plásticas de tamaño pequeño
- Regadera plástica de jardin
- Plástico
Procedimiento
Para determinar capacidad de campo, el suelo inicialmente debe ser saturado. Esto se realiza con la ayuda del cilindro de PVC de 50 cm de alto de diámetro que se introduce en el suelo hasta una profundidad de 30 cm (profundidad donde predominan las raíces del cultivo). Ya Introducido el cilindro en el suelo, quedan 20 cm de este expuestos sobre la superficie. A continuación, se instala el tensiómetro dentro del cilindro con el fin de monitorear la humedad en su interior. El volumen expuesto del cilindro se llena con agua en su totalidad con la regadera de jardin, simulando una lluvia; dejando infiltrar por completo. Se repite este proceso cuatro (4) veces asegurándose que al finalizar ese cuarto ciclo la tensión en el tensiómetro sea de 0 cbar, alcanzando así la saturación del suelo. Enseguida, se cubre la superficie del cilindro con un plástico para evitar la evaporación y se deja drenar por 48 horas. Pasado ese tiempo se extre el cilindro introducido en el suelo y se tomán en la base de este (con el cilindro para muestras inalteradas), cinco (5) muestras de suelo para determinación de humedad volumétrica. Estás muestras son empacadas y pesadas para ser llevadas al secado de 48 horas a 105 °C para la determinación de humedad volúmetrica.
Se registra la tensión pasadas esas 48 horas que será la tensión o potencial matricial de capacidad de campo, la humedad determinada en las muestras será promediada y establece la humedad de capacidad de campo definiendo así el límite de humedad máximo permitido en el suelo antes de entrar en zona de saturación.
Figura 5: Secuencia para determinación de capacidad de campo.
¿Cómo determinar la humedad volumétrica del suelo?
Materiales Necesarios
- Cilindro de muestreo (de 2" de diámetro y 5 cm de altura).
- Papel aluminio o tapas herméticas para sellar la muestra.
- Cuchillo o espátula para nivelar la muestra.
- Guantes (para evitar contaminación).
- Balanza de precisión.
- Bolsas o contenedores para el transporte.
- Horno de secado (o microondas si se realiza un secado de emergencia).
- Registro de datos y etiquetado para cada muestra.
Procedimiento de Muestreo
- Selecciona la zona de muestreo: Identifica el lugar representativo del área para obtener una muestra en la que la humedad sea representativa del suelo.
- Prepara la superficie: Limpia la superficie del suelo en el lugar de muestreo, retirando restos de materia orgánica, piedras o materiales que no sean suelo.
- Inserta el cilindro: Coloca el cilindro verticalmente en la superficie y presiona suavemente para introducirlo en el suelo. Si es necesario, usa un martillo de goma para no deformar el cilindro ni el suelo. Evita presionar en exceso para no compactar la muestra.
- Extrae la muestra: Una vez que el cilindro esté insertado hasta la profundidad requerida (5 cm), corta el suelo alrededor del cilindro usando un cuchillo o espátula. Asegúrate de que el cilindro esté lleno de suelo y que no haya espacios vacíos.
- Nivela la muestra: Usando el cuchillo o espátula, corta el exceso de suelo en ambos extremos del cilindro, nivelándolo a ras de la superficie del cilindro.
- Sella la muestra: Cubre los extremos del cilindro con papel aluminio o coloca tapas herméticas para evitar la pérdida de humedad. Etiqueta el cilindro con la fecha, ubicación y profundidad de la muestra.
Figura 6: Toma de muestra de humedad.
Procedimiento de Análisis en Laboratorio
- Pesaje inicial: Pesa el cilindro con la muestra de suelo y registra el peso inicial, sin retirar las tapas para evitar pérdida de humedad.
- Secado de la muestra: Coloca el cilindro (con la muestra) en el horno a una temperatura constante de 105°C durante 24 horas o hasta alcanzar un peso constante. Si usas un microondas, realiza secados en intervalos cortos y pesar cada vez para evitar sobrecalentamiento.
- Pesaje final: Después del secado, retira el cilindro y déjalo enfriar en un desecador, luego pesa nuevamente para registrar el peso seco de la muestra.
- Cálculo del contenido de humedad: Usa la siguiente fórmula para calcular el contenido de humedad:
\(θ (\%) = \left(\frac{\text{Peso húmedo de la muestra} - \text{Peso seco de la muestra}}{\text{Volumen del cilindro}}\right) \times 100\)
Notas Importantes
- Realiza el muestreo y manejo con cuidado para que la muestra no pierda agua antes del secado.
- Realiza al menos tres repeticiones en la misma área para obtener un promedio representativo.
Este método preserva la estructura y la humedad del suelo, permitiendo obtener un valor preciso del contenido de humedad del suelo en condiciones inalteradas.
Otros métodos para medir la humedad en el suelo
Recordemos que para la medición de la humedad del suelo hay métodos indirectos que son puntuales o continuos y deberán ser seleccionados de acuerdo a las facilidades de las que se dispongan. En general uno de los métodos más confiable son lo sensores de humedad aunque resultan más costosos de adquirir y requieren mayor conocimiento.
La humedad del suelo es un parámetro crítico para el éxito agrícola, ya que determina la cantidad de agua disponible para las plantas y afecta directamente el crecimiento de los cultivos. La medición precisa de la humedad del suelo ayuda a los agricultores a tomar decisiones informadas sobre el riego, maximizando el uso eficiente del agua y optimizando la producción. En este contexto, los sensores de humedad para suelo se han convertido en herramientas indispensables en la agricultura moderna.
¿Qué son los Sensores de Humedad para Suelo?
Los sensores de humedad del suelo son dispositivos que miden el contenido de agua en el suelo y envían los datos de forma continua o periódica a sistemas de monitoreo. Este tipo de sensor permite conocer la cantidad de agua en el suelo y su variabilidad en diferentes puntos de un campo agrícola, lo cual es esencial para ajustar las prácticas de riego y mejorar el rendimiento de los cultivos. Existen distintos tipos de sensores de humedad, pero en general se dividen en dos categorías principales:
- Sensores de Humedad Volumétrica: Miden el volumen de agua en el suelo en relación con el volumen total del suelo.
- Sensores de Tensión de Humedad: Miden la cantidad de energía que las plantas necesitan para extraer agua del suelo.
Figura 7: Sensor de humedad TEROS 10.
Tipos de Sensores de Humedad para Suelo
Existen diversos tipos de sensores de humedad en función de su tecnología de medición:
- Sensores de Capacitancia: Utilizan la constante dieléctrica del suelo, que cambia con el contenido de humedad. Cuanto mayor es el contenido de agua, mayor es la capacitancia medida por el sensor.
- Ventajas: Rápida respuesta y bajo consumo de energía.
- Desventajas: Pueden requerir calibración en función del tipo de suelo.
- Sensores TDR (Reflectometría en el Dominio del Tiempo): Utilizan pulsos electromagnéticos que reflejan en el suelo, y la velocidad de retorno varía con el contenido de humedad.
- Ventajas: Alta precisión y consistencia en las lecturas.
- Desventajas: Costo elevado y mayor consumo de energía.
- Sensores de Tensión (o de Matricidad): Miden la energía que las raíces de las plantas deben usar para extraer agua del suelo.
- Ventajas: Buena correlación con la disponibilidad de agua para las plantas.
- Desventajas: Limitados en suelos de baja humedad y requieren un mantenimiento constante.
- Sensores de Reflectancia de Neutrones: Miden la cantidad de agua a través de la detección de neutrones que rebotan en las moléculas de agua en el suelo.
- Ventajas: Medición precisa en un área amplia.
- Desventajas: Necesitan regulaciones especiales debido a la radiación.
Aplicaciones de los Sensores de Humedad en la Agricultura
El uso de sensores de humedad en el suelo permite una serie de aplicaciones prácticas y beneficios:
- Optimización del Riego: Los sensores de humedad permiten a los agricultores aplicar agua únicamente cuando el suelo lo necesita, evitando el riego excesivo y el desperdicio de agua.
- Aumento del Rendimiento de los Cultivos: La gestión precisa de la humedad en el suelo permite que las plantas crezcan en condiciones óptimas, lo que mejora la salud y el rendimiento de los cultivos.
- Reducción de Costos y Conservación de Recursos: Al usar solo la cantidad de agua necesaria, se reducen los costos de riego y el consumo de agua, además de minimizar los efectos ambientales negativos.
- Monitoreo Remoto y Agricultura de Precisión: Muchos sensores modernos de humedad del suelo están conectados a sistemas de monitoreo remoto, que permiten a los agricultores ver los datos de humedad en tiempo real desde dispositivos móviles o computadoras.
Figura 8: Sensor de humedad Bluelab METER.
Limitaciones y Consideraciones al Usar Sensores de Humedad
A pesar de sus beneficios, los sensores de humedad también presentan algunas limitaciones:
- Calibración: Muchos sensores requieren calibración específica para cada tipo de suelo, ya que los suelos con diferentes texturas, densidades y niveles de salinidad pueden afectar las lecturas.
- Costos Iniciales: Aunque el costo de los sensores ha disminuido, algunos tipos, especialmente los TDR y los sensores de neutrones, aún pueden ser costosos, lo que limita su adopción en pequeñas explotaciones agrícolas.
- Mantenimiento y Durabilidad: Los sensores requieren mantenimiento regular, especialmente en condiciones de campo donde pueden ser afectados por factores ambientales.
Conclusión
Los sensores de humedad del suelo han transformado la gestión del riego en la agricultura, permitiendo una aplicación de agua más precisa y eficiente. Con diversas opciones disponibles, desde sensores de capacitancia asequibles hasta sofisticados sensores TDR, los agricultores tienen la capacidad de seleccionar la tecnología que mejor se adapte a sus necesidades y recursos. A medida que la tecnología sigue avanzando, estos sensores continuarán desempeñando un papel crucial en la agricultura sostenible y en la gestión de recursos hídricos, contribuyendo a una mayor productividad y conservación de recursos.
Bibliografía
- Waller, P., & Yitayew, M. (2016). Book Irrigation And Drainage Engineering. Tucson, Arizona, USA:Springer.