Slide - Características Físico-hídricas de Solos e Medição da Umidade do Solo - Irrigação e Drenagem 2023 1

Universidade de Brasília Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária - FAV Prof. Dr. Delvio Sandri Características físico- hídricas de solos e medição da umidade do solo Brasília, DF http://www.acquarella.com.br/ACQ/%C3%A1 gua_mineral/%C3%A1gua_mineral.htm Disciplina: Irrigação e Drenagem Código: FAV0027, Semestre: 2023/1 É toda a água presente no solo, incluindo a água prontamente disponível para as plantas e a água higroscópica. Num determinado solo podem coexistir gases, partículas sólidas e líquido ou somente os dois últimos. O volume de sólidos é praticamente constante, mas dos gases e líquidos variam. Figura. Zona saturada e não saturada do solo http://aguasdepias.blogspot.com.br/2012/12/diferentesreservatorios-de-aguas.html Água no solo Água Ar Partículas de solo Água subterrânea Partículas de solo Infiltração Zona não saturada Nível de água Zona saturada Infiltração de água no solo: É processo pelo qual a água penetra nas camadas superficiais do solo, movendo- se através dos vazios pela ação da gravidade, até atingir uma camada impermeável Importância da VI: -Escolha do melhor método e sistema de irrigação; - Definir o tempo com que a água deve permanecer na superfície do solo ou a duração da irrigação por aspersão, de forma que seja aplicada apenas a irrigação necessária;VI (mm/h; cm/h; L/s); - Detectar alterações no sistema de cultivo e manejo do solo; São solo em que predominam os óxidos de ferro e alumínio em relação às argilas silicatadas, diante disso, a estrutura do solo tem, de maneira geral, mais influência na infiltração do que a textura. Ferro e Alumínio Solos do Cerrado brasileiro Infiltração acumulada É a quantidade de total de água infiltrada no solo durante um terminado tempo (mm/h, cm/h). É mais importante na irrigação por superfície. http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/arroz/arvore/CONT000foh49q3602wyiv8065610d5y5f5im.html http://infgerais.blogspot.com.br/2010/02/irrigacao-por-inundacao.html Fatores que afetam a VI - TEXTURA DO SOLO: significa ser arenoso, argiloso, siltoso, etc. http://sustentabilidadenaoepalavraeaccao.blogspot.com.br/2012/12/a-fisica-do-solo.html 1ª irrigação 2 ª irrigação 3 ª irrigação VIB Tempo (h) VI cm/h VI inicial 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 - Estrutura do solo: Significa mais ou menos compactado em função do uso do solo, como transito de máquinas, pisoteio animal, etc.. - Desaparece quase por completo após a terceira irrigação ou chuvas. Somente após estabilização da estrutura do solo é que se pode fazer o teste de infiltração de água no solo. -Porcentagem de umidade do solo Fazer o ensaio de VI quando a umidade estiver próximo àquela que se utiliza para iniciar nova irrigação, por exemplo, umidade na tensão crítica da cultura implantada. A VIB ou condutividade hidráulica saturada desaparece depois de certo tempo, em média 60 minutos, mas depende da umidade inicial do solo. Mas pode ser bem menor para solos de alta capacidade de infiltração. solo úmido Solo seco https://sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br/F ontesHTML/Cenoura/Cenoura_Daucus_Carota/i rrigacao.html - Qualidade e Temperatura da água: muda a densidade da água. - Porosidade: Diz respeito ao tamanho e formato dos poros. Reflete a quantidade de espaços existentes entre as partículas de solo (pedra, areia, silte e argila) ocupado pela água e pelo ar. - Camada de solo de diferentes materiais: possuem diferenças na textura, estrutura, umidade, etc - Cobertura vegetal: solo com cobertura melhora a estrutura do solo e mantém umidade mais estável e mais elevada. Evita formação de uma camada de selamento superficial. Cobertura vegetal https://www.slideshare.net/FabolaMello/or igem-e-formao-do-solo/26?smtNoRedir=1 solo nu -Carga hidráulica no ensaio: lâmina de água no interior do anel interno -Fauna (animais) e flora (vegetais): -Parâmetros químicos – sódio ✓ Degradação das propriedades químicas (O sódio inibe a absorção de nutrientes, como o K e Ca e aumento do potencial osmótico) e físicas do solo, a qualidade das águas subterrâneas e diminuição do crescimento de plantas são prejudicada. ✓ Dilatação das partículas de argila, inchando-as e reduzindo o espaço vazio entre os poros do solo. ✓ As propriedades físicas dos solos, tais como, estrutura do solo, estabilidade dos agregados, dispersão das partículas, permeabilidade e infiltração, são muito influenciadas pelos tipos de cátions trocáveis presentes no solo. ✓ O aumento do sódio trocável poderá torná-lo adensado, compacto em condições secas, disperso e pegajoso em condições molhadas. ✓ O sódio, promove um aumento na espessura da dupla camada iônica difusa, aumentando consideravelmente a expansão das partículas de argila acarretando em dispersão das mesmas, formando camadas impermeáveis, dificultando o movimento de ar e de água no solo. ✓ Esse rompimento de agregados do solo é indesejável, visto que causa grande impacto ambiental por também liberar de forma excessiva, nutrientes e biocidas utilizados na agricultura. Alumínio: redução no crescimento radicular de plantas sensíveis, o que impede a planta de obter água e nutrientes em profundidade. Classificação da VIB ou umidade saturada Tipo de VIB do solo (cm/h) Baixa < 0,5 Média 0,5 a 1,5 Alta 1,5 a 3,0 Muito alta > 3,0 Fonte: Bernardo et al. (2008) VIB Função: fundamental no dimensionamento de projetos agrícolas de irrigação, drenagem e conservação do solo e da água e na caracterização da estrutura do solo. Escolhas de aspersores. Influencia a lâmina e vazão do sistema de irrigação e portanto, nos custos de instalação do projeto de irrigação, consumo de água e custos de produção. Curva típica de velocidade de infiltração Curva típica de infiltração acumulada Equações representativas da infiltração Equação tipo potencial – é a mais conhecida e sendo denominada pela equação de Kostiakov (1932) em que: VI = infiltração acumulada (cm ou mm); k = constante dependente do solo (adimensional); T = tempo de infiltração (horas, min); e a = constante dependente do solo (adimensional), variando de 0 a 1 em valor absoluto. Tem o problema de a Vi tender a zero Equação tipo potencial modificada (equação de Kostiakov-Lewis) Com o objetivo de solucionar o problema de a Vi tender a zero para um tempo de infiltração muito grande, foi proposta a Equação abaixo em que: I = infiltração acumulada (cm); k = constante dependente do solo (adimensional); To = tempo de oportunidade de irrigação (min); a = constante dependente do solo (adimensional), com variação de 0 a 1 em valor absoluto; e, VIB = velocidade de infiltração básica (VIB) da água no solo (cm/ min). VI = k.Toa + VIB.To VIm = k.Toa-1 + VIB A velocidade de infiltração média, em cm/min: A equação que representa a velocidade de infiltração média (Vim) é obtida pela divisão da equação de VI pelo tempo T. O teste de infiltração deve ser realizado quando o solo estiver com um teor de umidade próximo àquele em que se efetuará a irrigação. Métodos de determinação de VI - métodos que representam a infiltração praticamente na vertical: inundação e aspersão; - métodos que representam a infiltração tanto na direção vertical como horizontal: sulcos - Infiltração radial: gotejamento Método do infiltrômetro de anel Formado por dois cilindros de chapa de aço ou de ferro com 1/8“ de espessura, com 30 cm de altura e diâmetros de 25 e 50 cm (padrão) mas pode ser de outras medidas, como 40 cm e 16 cm, sendo que as bordas inferiores dos cilindros são biseladas em ângulo de 30o para facilitar a introdução no solo. Colocar uma um plástico no interior do cilindro de prova ou outro material para não desagregar a superfície do solo no início da aplicação de água Representação esquemática de um infiltrômetro de anel http://www.aquagri.com/equipamentos/ejk_insi tu.htm Então: A relação entre a lâmina infiltrada e o tempo necessário para esta infiltração nos dará a velocidade de infiltração instantânea. A soma das lâminas infiltradas durante o teste nos dará a infiltração acumulada. ▪ Método do infiltrômetro de sulco ▪ Método da entrada e saída da água no sulco Outros métodos Fonte: Patrícia Angélica Alves Marques LER o Artigo: Métodos de infiltração de água no solo para dimensionamento de sistemas de irrigação por sulcos Revista Brasileira de Agricultura Irrigada v.13, nº.1, p. 3262 -3274, 2019 https://www.proquest.com/openview/aca3bef475c74eb7efb83fd700710d34/1?pq-origsite=gscholar&cbl=2033446 A quantidade de água fornecida por irrigação ou utilizada pela planta e armazenada pelo solo é medida em mm, sendo a intensidade da precipitação dada em : Vol. (L)/Área (m2) = mm/h Armazenamento de Água no Solo Solo Água Um volume de 1 cm3 de solo com umidade () de 0,20 cm3 de água por cm3 de solo, armazena um volume de água (Vw) igual a 0,20 cm3 de água. Ou seja, naquele cm3 de solo, cuja base é 1 cm2, tem 0,20 cm3 de água ou a altura de água de 0,20 cm ou 2 mm. Conversão de volume para lâmina Lâmina de Água • Quantidade de água fornecida por irrigação ou utilizada pela planta e armazenada pelo solo é medida em mm: • Se aplicarmos 1 Litro de água sobre uma superfície plana e impermeável de 1 m2 , obteremos uma lâmina líquida de 1 mm • Para uso de lâmina é preciso conhecer a umidade do solo base volume. Exemplo: Um aspersão com vazão de 3,5 m3/h espaçado de 12 x 12 m, resulta numa lâmina em mm de: Lâmina média (mm) = 3500 L/h 144 m2 = 24,31 mm/h Obs. Se a VIB > 24,31 mm/h, não haverá escoamento superficial É a somatória das alturas de água (h= ) para cada centímetro de profundidade. AL =  i ou dz A L L . 0 =  obs: as variações de umidade no perfil do solo são reflexos das taxas de evapotranspiração, chuva, irrigação e movimentos de água no perfil de solo. Figura. Perfil de solo Neoosolo Quartzarênico cultivado com coqueiro. Onde: Z é a profundidade no solo, para fins de irrigação, normalmente é igual a profundidade efetiva do sistema radicular. http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/coco/arvore/C ONT000fo7hz6ox02wyiv8065610d3p52ebz.html Z Água armazenada no perfil do solo M3100(%) M2 M3 M1 Up − − = Up = Porcentagem de umidade em base seca (em peso); Uv = Umidade base volume; da = Densidade do solo; da = Ms/Vt, Vt o volume total. M1 = Peso do recipiente mais solo úmido; M2 = Peso do recipiente mais solo seco; M3 = Peso do recipiente. Up.da (%) Uv = Medidas da umidade do solo 1 – Método padrão da estufa U - Umidade do solo a base de massa (%); Mu - massa do solo úmido; Ms - massa de solo seco ou sólidos. 100(%) Ms Mu - Ms Up = ou Emite nêutrons dentro do solo, onde alguns destes nêutrons, ao colidirem-se com os íons de hidrogênio da água do solo são refletidos, sendo detectados por um sensor digital. Sonda 60 cm 15 cm Solo seco Solo úmido Desvantagem: Custo  5000 dólares Problemas de saúde aos usuários se manuseado incorretamente devido a utilização de elementos radiatiovos. 2 – Sonda de Nêutrons Baseado na resistência elétrica entre dois eletrodos inseridos em um bloco de gesso. Os blocos de gesso podem ou não absorver umidade do solo até entrar em equilíbrio. A resistência elétrica é medida por um “medidor” de corrente alternada, fornecendo a porcentagem de umidade do solo. 0% de resistência elétrica = solo seco 100% de resistência elétrica = solo saturado Figura. Bloco de Bouyoucos e medidor de corrente alternada Fonte: MUÑOZ-CARPENA (2004) 3 – Método de Boyoucos Mesmo princípio do método de Bouyoucos, porém, usa blocos de fibra de vidro e permite correção das leituras de umidade em função da variação da temperatura, pois possui um thermistor inserido no bloco. É mais sensível, porém, mais susceptível aos sais presentes no solo. Deve ser calibrado para cada tipo de solo para obter a % de água útil. 4 – Método de Colman Introduzido por Fellner – Feldegg (1969) para medir a permissividade dielétrica de líquidos. Estima a umidade diretamente, considerando o efeito da umidade do solo sobre a velocidade de propagação de micro-ondas, a partir de pulsos elétricos emitidos por um gerador de pulso em guias condutoras paralelas gravadas no solo. Figura – TDR instalado em campo Em que Ka representa a relação entre a capacitância de um meio isolador e o espaço livre. Quanto > Ka menor a velocidade da onda elétrica e maior é a umidade no solo. 5 – Reflectometria no domínio do tempo - Time Domaim Reflectometry (TDR) Origem da técnica TDR e utilizações A TDR tem como base a medição da constante dielétrica (Ka) do solo. Ka = Const. dielétrica aparente: ar = 1; Solo: 2 a 4 e água = 8 -1 -0,7 -0,4 -0,1 0,2 0,5 0,8 T e mpo de v iage m Coeficiente de reflexão t1 t2 Cabo coaxial Primeiro pico - Capacitor Ponto de inflexão t = tempo que a onda leva para percorrer a guia condutora (t2- t1, Figura baixo), em ns. c = velocidade da luz, em cm/ns; L = comprimento da guia condutora, em cm. 1 s = 1000000000 ns ns = nanosegundo Figura. Visualização do tempo de deslocamento da microanda na guia condutora Fonte: TOMMASELLI & BACCHI (2001) para Latossolo Vermelho- Amarelo.  = 0,053 + 0,0292.Ka Ler ARTIGOS TÉCNICOS: CLAUDINEI F. SOUZA; MARCOS V. FOLEGATTI; EDSON E. MATSURA; DANI OR. Calibração da reflectometria no domínio do tempo (tdr) para a estimativa da concentração da solução no solo. Eng. Agrícola, Jaboticabal, v.26, n.1, p. 282- 291, jan./abr. 2006. Exemplo de equações que representam a relação umidade e Ka de cada solo A TDR fornece a Umidade ( ) em base volume Para obter a umidade é necessário, dentre outras informações, gerar uma equação que relacione a Ka, calculada conforme descrito anteriormente. TDR Tektronix 1502 C acoplado a um computador, utilizando o programa WinTDR 6.0 como interface gráfica para o cálculo da condutividade elétrica aparente. Transferência e armazenamento de dados 200mm 15mm 15mm Aço inoxidável = 3 mm O 20mm 15mm 10mm Capacitor de 3.9 pico Faradey (pF) 50mm Cabo de 50 Ohm 1500mm Conector BNC Cabo de 50 Ohm Conector BNC 25mm 10mm 30mm 2,5mm Resina Epoxi Figura. Esquema construtivo da sonda de TDR O custo fixo de cada sonda construída foi US$ 7.00, enquanto que a sonda original custava US$ 45.00. C. F. SOUZA, D. SANDRI, E. E. MATSURA, R. TESTEZLAF. Construção de sondas de TDR para a irrigação. XXX Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola – CONBEA 2001, Mabu Hotel & Resort, Foz do Iguaçu – Paraná, 31 de julho a 03 de agosto de 2001. Um solo argiloso retêm mais água que um solo arenoso para um mesmo nível de tensão. Para cada grau de tensão corresponde a um teor de água no solo dado pela Curva de retenção de água no solo. Retenção de água no solo 1 m2 1 cm Capacidade de campo (CC) VARIÁVEIS DA ÁGUA DO SOLO Na umidade do solo em capacidade de campo (limite superior), a água está retida nos poros pequenos do solo e o ar ocupa grande parte do espaço dos poros maiores. Ponto de murcha permanente (PMP) Marca o limite inferior de aproveitamento da água do solo pelas plantas. Porém, não deve ser atingido. Energia de retenção: m = - 1.500 kPa Energia de retenção: Solos textura fina têm m = - 33,3 kPa= -1/3 atm Solos textura grossa têm m = - 10 kPa = -1/10 atm 0 100% m s =  = →   Condição de Saturação s = umidade dosolo http://www.gtacc.com.br/pdf/irrigation/210.pdf A quantidade de água que pode reter um solo na capacidade de campo depende da quantidade de microporos , ou seja, da textura, estrutura, MO, etc. Saturação Capacidade de campo Ponto de murcha Água sujeita a drenagem Limite superior Limite inferior Água não disponível 100% da água Limite tolerável Limite tolerável ou fator de disponibilidade (f), que corresponde a determinada tensão de água no solo Água sujeita à drenagem ou água gravitacional: É a água que o solo pode armazenar entre a saturação e a capacidade de campo (CC) Água não disponível (AND): É a água que o solo pode armazenar, abaixo do PM, cuja energia de retenção é alta o suficiente para dificultar ou impedir a sua absorção pelas raízes da cultura. Relaciona potencial matricial (m) com umidade do solo Quanto > m ( mais próximo de zero) e < força de retenção da água no solo Curva característica de água no solo Curva característica de retenção de água Modelo de Van GENUCHTEN (1980) Mais utilizado para representar o ajuste dos dados de umidade volumétrica com potencial matricial. Sendo: θ é o conteúdo de água do solo (%); θR é o conteúdo de água residual (%); θS é o conteúdo de água na saturação (%); Ψm é o potencial matricial num dado momento (kPa); α, n e m são os parâmetros empíricos do modelo https://www.pc-progress.com/en/default.aspx?retc-downloads RETC Downloads - PC-Progress Determinar os parâmetros da equação: ➢ Varia com as variações de textura, estrutura e compactação ➢ Variações de densidade global e de textura de um horizonte para outro podem determinar a necessidade de curvas distintas ➢ Apresenta o fenômeno de histerese na realização das medidas em panela de pressão Limitações da curva características de água do solo http://www.solotest.com.br/novo/ Disponibilidade total de água (DTA) no solo em mm de água por cm de solo CC e PM em % base seca Densidade aparente do solo (da) = g/cm3. A disponibilidade total de água geralmente aumenta a medida que a textura do solo vai diminuindo Disponibilidade real de água (DRA) e Capacidade total de água (CTA) Leva em consideração a profundidade de interesse, que normalmente corresponde à profundidade efetiva do sistema radicular (Z) em cm. Q* = teor critico de água no solo, definido como função de f do potencial matricial crítico (m*). Pode ser obtido na curva de retenção de água no solo, para a tensão limite para cada cultura. CC e Q* em % base seca (Adaptado de RAPOSO , 1980) Tensão (kPa) Hortaliças 10 – 30 Alface, alho, beterraba, cebola, cenoura, morango, folhosas, hortaliças sob cultivo protegido e/ou irrigadas por gotejamento 30 – 50 Abóbora, batata, berinjela, brócolos, melancia, melão, pimentão, tomate, vagem 50 – 70 Batata-doce, couve-flor, mandioquinha-salsa, milho-doce, repolho > 70* Ervilha, grão-de-bico, lentilha, pepino, tomate industrial Valores de Z para diferentes culturas. Fonte: Tabela 22 (Allen et al., 1998). Capacidade real de água (CRA) Grupos de culturas de acordo com a influência da redução de água do solo, na redução da ETm Valores de f para diferentes grupos de cultura e valores de evapotranspiração máxima diária O valor de f não permite que a planta gaste energia extra para seu crescimento. Valores de f para diferentes culturas. Fonte: Tabela 22 (Allen et al., 1998). Ex. f = 0,4, pode-se retirar 40% da umidade e 60% deve permanecer no solo. Capacidade de campo Ponto de murcha Limite superior Limite inferior Limite tolerável ou f 40% 60% Quando toda a água necessária à cultura for suprida pela irrigação; neste caso, IRN = DRA. Para os sistemas de irrigação por sulcos de infiltração ou aspersão, IRN = DRA. Quando se utiliza os sistemas de irrigação por pivô central, auto-propelido ou localizados, IRN < DRA Irrigação Real Necessária (IRN) Para irrigação suplementar Para irrigação total CC PM Exemplo: Irrigar quando o potencial matricial chegar a - 45 kPa (m*) (tensão = 45 kPa) e CC = 10 kPa. Utilizar a curva de retenção de água no solo ao lado. Cultura: tomate; Z = 50 cm ETm = 7,5 mm/dia da = 1,54 g/cm3 IRN = 20,79 mm/50 cm de solo = Lâmina líquida Portanto, para Tensão = 45 kPa, f = 0,38 f = 0,38 Então, para IRN obtida, tem fator de disponibilidade equivalente: Umidade base seca (%) Irrigação Total Necessária (ITN) Eficiência aplicação do sistema de irrigação (Ea), em decimal Turno de rega: é o intervalo entre duas irrigações, dado pela equação abaixo ETpc = Evapotranspiração potencial da cultura (mm/dia) TR = Turno de rega (dias) Exemplo: Cultura = tomate de mesa CC = 27,0% (base seca) PM = 19,9% (base seca) ETpc = 6,5 mm/dia Solo = Franco-Argiloso Z = 40 cm f = 0,35 Tensão = 35 kPa da = 1,3 g/cm3 Ea = 85% CC PM 100% 35,2% 64,8% 35kPa Umidade base seca (%) Tempo de irrigação (Ti)? Considerar um aspersor com precipitação de 6,46 mm/h? Ti = 15,20 mm a cada 2 dias (TR), então: 15,20 (ITN)/6,46 mm/h (precipitação do aspersor) = 2,35 horas ou 2 h 21 minutos IRN = 12,92 mm/40 cm de solo (corresponde a remoção 35,2% entre CC e PM), sendo que 64,8% da umidade deve permanecer no solo – Lâmina bruta Exemplo: Realizar todos os cálculos do exercício anterior utilizando a mesma curva de retenção de água no solo, mas os dados abaixo: Dados faltantes podem ser adotados. Cultura: soja Pe = 9 mm (precipitação efetiva) CC = 31% (base seca) PMP = 19% (base seca) ETpc = 4,5 mm/dia Z = 45 cm da = 1,30 g/cm3 Ea = 75%. Tensão crítica = 60 kPa Ver apostila a partir da p. 71. Título: Irrigação Prof. Jorge Luiz Pimenta Mello; Prof. Leonardo Duarte Batista da Silva, Abril, 2007. BERNARDO, S.; SOARES A. A.; MANTOVANI, C. E. Manual de irrigação. Imprensa Universidade Federal de Viçosa. 8ª Ed. 2006. 611p. P. 34 a 44 Lei nº 12.787, de 11 de janeiro de 2013. DISPÕE SOBRE A POLITICA NACIONAL DE IRRIGAÇÃO. Bibliografia