Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456. Tema 5 Física do Solo ANO 2013

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1 Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456 Tema 5 Física do Solo ANO 2013 Camilo Daleles Rennó Laura De Simone Borma

2 O Papel do Solo no Ciclo Hidrológico chuva transpiração evaporação (interceptação) evapotranspiração evaporação infiltração escoamento superficial Zona de Aeração (não saturada) fluxo ascendente percolação lençol freático Zona de Raízes Zona de Saturação escoamento sub-superficial rocha

3 O que é Solo? O termo solo se refere à camada superficial da crosta terrestre, que se encontra intemperizada e fragmentada e é constituída por partículas minerais, matéria orgânica, água, ar e organismos vivos. Origina-se da rocha que, por ação de processos físicos, químicos e biológicos de desintegração, decomposição e recombinação, transformou-se, no decorrer do tempo, num material poroso. Pode ter origem na rocha matriz subjacente ou ser constituído de materiais provenientes de outras regiões, transportadas pela água, vento ou gelo. Reconhecem-se cinco fatores na formação do solo: material de origem (rocha), tempo (idade), clima, topografia e organismos vivos. São necessários anos para a formação de 1 cm de solo a partir de uma rocha granítica

4 Perfil do Solo Água Matéria orgânica Argila Nutrientes O Horizonte com predominância de restos orgânicos (H quando em condições hidromórficas) A Horizonte mineral escurecido pela acumulação de matéria orgânica E Horizonte de cores claras, de onde as argilas e outras partículas finas foram lixiviadas pela água B Horizonte de acumulação de materiais provenientes dos horizontes superiores, principalmente argilas. Pode apresentar cores avermelhadas devido à presença de óxidos e hidróxidos de ferro C Horizonte constituído por material não consolidado R Rocha consolidada

5 Características Morfológicas dos Solos Espessura e transição entre horizontes Cor Textura Estrutura e Porosidade Consistência Cerosidade Presença de nódulos e concreções Estes atributos são utilizados para classificar os solos

6 Cor Cores escuras: indicam presença de matéria orgânica e estão relacionadas com os horizontes mais superficiais. Cores claras: indicam presença de minerais claros (caolinita e quartzo). Pode significar a perda de materiais corantes. Cores vermelhas: indicam condições de boa drenagem e aeração do solo. Estão relacionadas com a presença de hematita. Cores acinzentadas: indicam condições de saturação do solo com água (redução do ferro). Cores amarelas: podem indicar condições de boa drenagem, mas com regime mais úmido. Estão relacionadas com a presença de goetita. Cores mosqueadas: manchas amarelas, vermelhas, pretas, em uma matriz ou fundo normalmente acinzentado. Definida a partir da Carta de Cores Munsell para Solos (Matiz/Valor/Croma)

7 Textura Diz respeito a distribuição de tamanho das partículas do solo Classificação granulométrica Fração Diâmetro Matacões > 20 cm Calhaus 20 mm a 20cm O conhecimento da textura é importante pois fornece informação sobre o solo a respeito de: Cascalhos Areia Grossa Areia Fina Silte Argila 2 a 20 mm 0,2 a 2 mm 0,05 a 0,2 mm 0,002 a 0,05 mm < 0,002 mm sua capacidade em permitir a movimentação da água (condutividade hidráulica), sua capacidade em reter/armazenar água, seu potencial de fertilidade e, sua capacidade mecânica

8 Matacões, Calhaus e Cascalhos Diâmetros maiores que 2 mm Não são considerados como parte da fração fina do solo linha de pedras

9 Fração Areia Diâmetro entre 0,05 e 2 mm Partículas visíveis a olho nu Formato arredondado ou angular Sensação áspera ao tato Não tem coesão (não é plástico, nem pegajoso) As areias quartzosas têm coloração branca. Se o quartzo estiver misturado com outros minerais a coloração pode ser marrom. Algumas areias podem ser avermelhadas ou amareladas devido aos sesquióxidos Baixa superfície específica Pobre em nutrientes Os poros formados entre as partículas de areia favorecem a drenagem e a aeração Armazena pouca água

10 Fração Silte Diâmetro entre 0,002 e 0,05 mm Partículas invisíveis a olho nu Sensação sedosa ao tato É plástico, mas não é pegajoso quando molhado Retém mais água que a areia Facilmente lavável e sujeito à erosão Retém mais nutrientes que a areia

11 Fração Argila Diâmetro menor que 0,002 mm Possuem formato de lâminas planas ou pequenos flocos As partículas de argila são colóides Sensação sedosa ao tato É pegajoso e plástico (fácil de ser moldado) Alguns tipos apresentam expansão e contração (argilas 2:1) Alta superfície específica Formam espaços porosos pequenos Alta capacidade de retenção de água Grande capacidade de adsorção de elementos químicos

12 Classe Textural A Classe textural é definida a partir das proporções das frações areia (grossa+fina), silte e argila presente na amostra de solo. Ex: 60% areia 10% argila e 30% silte Terra Fina Seca ao Ar Fração Matacões Calhaus Cascalhos Areia Grossa Areia Fina Silte Argila Diâmetro > 20 cm 20 mm a 20cm 2 a 20 mm 0,2 a 2 mm 0,05 a 0,2 mm 0,002 a 0,05 mm < 0,002 mm (textura franco arenosa) Triângulo Textural (SBCS)

13 Determinação da Textura do Solo Qualitativa (campo) baseado na sensação ao tato (plasticidade e pegajosidade) requer experiência (presença de outros materiais podem mascarar o resultado) Quantitativa (laboratório) uso de peneiras para frações mais grossas (> 0,05mmm) método da pipeta para frações argila e silte (areia fina é calculada por diferença)

14 Estrutura e Porosidade Estrutura é o arranjo das partículas primárias do solo formando agregados (torrões). Este arranjo é geralmente bastante complexo não permitindo uma caracterização geométrica. A descrição da estrutura é feita no campo, observando-se detalhadamente os agregados por ocasião de sua remoção no perfil. A estrutura depende do grau de adesão e coesão das partículas durante o processo de intemperismo. A estrutura do solo é determinante para a porosidade do solo, ou seja, na distribuição e no tamanho dos poros. A estrutura do solo afeta, portanto, a capacidade de retenção e a condutividade hidráulica do solo. Afeta processos tais como germinação, crescimento de raízes, erosão, etc. A estrutura do solo resulta de uma combinação de diversos fatores: raízes, húmus e matéria orgânica em geral, microorganismos, coesão das partículas, conteúdo e tipo de argila, e conteúdo de óxidos de alumínio e ferro.

15 Classificação de Solos Permite extrapolar as características dos solos para outros locais com iguais condições climáticas, geológicas e de relevo (sem dados experimentais) Sistema Brasileiro Sistema Americano Ex: Latossolo Amarelo Distrófico Típico Oxisol Ustic Dystrophic Typic (esta correspondência nem sempre é biunívoca)

16 Classificação de Solos Mapa de Solos do Brasil atualizado com base no atual Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (Embrapa, 2006) Cerca de 50% é Latossolo e 25% Argissolo (Podzólico) Atenção com legendas que representam associações de classes de solos bastante distintas (função da escala de mapeamento)

17 Relação entre Solo e Paisagem Região Norte Região Oeste Paulista Centro-Oeste Paulista Região Nordeste

18 As 3 fases do Solo (~50%) Poros Ar Água Sólidos (~50%) Orgânica (~5%) Mineral (~45%) O solo pode ser entendido como um meio poroso onde a fração sólida (matriz do solo) é praticamente constante para um determinado solo (cerca de 50%). Os espaços entre as partículas sólidas (poros) são ocupados pelas frações gasosa (atmosfera do solo - ar) e líquida (solução do solo água) em diferentes proporções.

19 Porosidade O arranjo entre os componentes sólidos (física e quimicamente diferentes, e com formas e tamanhos variados) determina as características geométricas dos poros, nos quais a água e o ar se movimentam ou são retidos. Solo Arenoso Solo Argiloso A porosidade influencia diretamente no movimento da água no solo Poros Grandes Poros Pequenos A porosidade determina a capacidade de armazenamento da água no solo Através das relações de massa e volume de cada fase do solo, é possível determinar uma série de métricas V p Ar Água M ar ~ 0 M w que caracterizam a densidade, porosidade e conteúdo de água do solo. V s Sólidos M s

20 Densidade do Solo e Porosidade Densidade real (ou das partículas): é uma medida da relação entre a massa do solo seco (M s, g) e o volume (V s, cm 3 ) das partículas do solo, dada por: (cerca de 2,65 g cm -3 para a maioria dos solos minerais) Densidade aparente: é uma medida da relação entre a massa do solo seco (M s, g) e o volume total* (V t, cm 3 ) da amostra do solo, dada por: Porosidade: é uma medida da relação entre o volume de poros (V p, cm 3 ) e o volume total (V t, cm 3 ) da amostra do solo, dada por: *V t considera a amostra indeformada, ou seja, a estrutura do solo

21 Conteúdo de Água no Solo Conteúdo gravimétrico: é uma medida da relação entre as massas de água (M w, g) e do solo seco (M s, g), dada por: Conteúdo volumétrico: é uma medida da relação entre os volumes de água (V w, cm 3 ) e total (V t, cm 3 ) do solo, dada por: Usa-se umidade volumétrica para se calcular a lâmina d água (1 mm = 1 l m -2 ) equivalente estocada no solo, quando se quer realizar o balanço hidrológico (relacionar precipitação, água no solo, evapotranspiração e deflúvio na mesma unidade de medida).

22 Determinação da umidade do solo Métodos diretos: Gravimétrico Métodos indiretos: Sonda de nêutrons Baseados na condutividade elétrica (TDR) Tensiômetros (curva de retenção)

23 Método Gravimétrico Uma amostra indeformada (não perturbada) do solo é retirada usando-se um anel volumétrico e imediatamente pesada (M t ) Leva-se a amostra para secar em estufa (105 o C) por 24 horas, pesando-a novamente. A diferença entre pesos resulta na massa de água (M w ) É um método destrutivo, não permitindo a repetição da amostragem no mesmo ponto

24 Exemplo Uma amostra não perturbada foi tirada do solo. A amostra tem 10 cm de comprimento e 5 cm de diâmetro. O peso da amostra imediatamente após ser retirada foi de 331,8 g. Após secagem a 105 o C, o peso foi de 302,4 g. Calcule a densidade aparente, a porosidade, o conteúdo de água (gravimétrico e volumétrico). Volume da amostra é A densidade do solo é Considerando que r = 2,65 gcm -3, a porosidade é O conteúdo volumétrico de água é O conteúdo gravimétrico é

25 Sonda de Nêutrons Usa uma fonte radioativa que emite nêutrons rápidos. Os nêutrons rápidos colidem com elementos do solo e desaceleram. Um detector conta o número de nêutrons lentos. A densidade de nêutrons lentos é diretamente proporcional a quantidade de hidrogênio presente no solo, permitindo correlacioná-la com a umidade volumétrica do solo através de uma calibração prévia. Grande limitação: é radiativo! Pode ser usado a qualquer profundidade (exceto à superfície), avaliando um volume referente a uma esfera de 15 a 30 cm de diâmetro, sem introduzir uma grande perturbação no solo. No entanto, sofre influência do conteúdo natural de hidrogênio no solo (grande desacelerador de nêutrons), da densidade do solo e de outros componentes químicos.

26 TDR (Time Domain Reflectometry) Baseia-se na determinação da constante dielétrica do solo ( ), que mede a tendência de moléculas de uma substância de se orientarem em um campo elétrico. A constante dielétrica da água é de cerca de 80, das partículas minerais de 3 a 7, e do ar de 1. Esta grande diferença permite estimar a umidade volumétrica do solo. É um método não destrutivo e não radiativo. Permite medições automáticas e contínuas. No entanto, requer uma calibração específica para cada tipo de solo e não funciona adequadamente em solos com alto teor de argila, quartzo e matéria orgânica. A temperatura do solo também influencia nas medições de umidade.

27 Propriedades da água: estrutura molecular As duas propriedades mais importantes da água são: As ligações covalentes (os átomos de H e O compartilham os elétrons da camada externa) são muito fortes na água. A estrutura molecular da água é assimétrica, formando ângulos de 104,5 o entre os átomos de H, o que provoca a existência de cargas positivas de um lado e negativa do outro, possibilitando a formação de pontes de hidrogênio que mantém a coesão entre as moléculas de água. - - H - O H O H pontes de hidrogênio As partículas do solo são carregadas positivamente, promovendo a adsorção (ou adesão) da água às partículas sólidas

28 gravidade adesão adesão Tensão Superficial e Capilaridade A tensão superficial ocorre, em geral, na interface líquido-gás. O líquido se comporta como se estivesse coberto por uma membrana elástica em estado de tensão permanente, e que tende a provocar a contração da superfície, tentando assumir uma área mínima. Tem relação com a capilaridade já que a interface entre o líquido e o gás não é plana mas curva, o coesão que provoca a movimentação ascendente da água. A altura da coluna d água é inversamente proporcional ao diâmetro do capilar.

29 Potencial de Água no Solo Os poros presentes no solo, representados pelos espaços entre as partículas (mineral e orgânica) que constituem o solo, podem estar totalmente preenchidos com água, como na zona saturada, ou estar parcialmente preenchidos por ar, como na zona não saturada. partículas de solo água ar Os poros da zona de aeração podem ficar temporariamente saturados por ocasião da chuva ou irrigação, mas, deixados em repouso, retornarão à condição não saturada. Toda molécula de água no solo está sujeita a uma série de forças que determinarão o sentido e velocidade de deslocamento desta molécula dentro do solo.

30 Potencial de Água no Solo A energia com a qual o solo retém a água é medida em termos de potencial de água ( ), que tem unidades de pressão*, ou energia por unidade de volume, que equivale à força por unidade de área. O movimento da água será sempre orientado para a região de menor potencial A A A B B B A > B A < B A = B O potencial de água no solo é a soma dos potenciais gravitacional, osmótico e de pressão. * Unidades de pressão: 1000 kpa = 10 bar = 101,98 mca = 7500,64 mmhg

31 Potencial Gravitacional O potencial gravitacional ( g ) é baseado simplesmente na posição da partícula de água dentro do campo gravitacional relativo a um nível de referência qualquer. Considerando como superfície de referência o nível do mar, a força gravitacional é sempre positiva e orientada para baixo, o que faz que a água, desconsiderando os outros potenciais, tenha a tendência de mover-se verticalmente para baixo ao longo do perfil do solo.

32 Potencial Osmótico O potencial osmótico ( o ) é baseado na diferença de concentração de sais entre dois pontos. Em geral, pode ser negligenciado para a maioria dos solos. Apenas em solos salinos este potencial pode tornar-se importante fazendo com que a água seja mais fortemente retida no solo, dificultando sua retirada pelas raízes das plantas.

33 Potencial de Pressão Por convenção, a pressão exercida na linha do lençol freático é nula, sendo positiva abaixo (zona saturada) e negativa acima deste nível (zona não saturada). O potencial de pressão negativo é chamado de potencial matricial ( m ) e o positivo é denominado simplesmente de carga ( c ). Em solos não saturados, o potencial matricial representa a força de adesão da água às partículas do solo. Quanto menor for a umidade, mais fortemente a água será retida pelas partículas do solo. Em solos saturados, a carga representa o peso da coluna d água sobre o ponto considerado.

34 Curva de Retenção do Solo Cada solo, dependendo de sua textura e porosidade, possui uma curva de retenção característica que relaciona o conteúdo de umidade e o potencial matricial deste solo. É importante observar que a relação entre a umidade e o potencial matricial é diferente se este solo estiver recebendo ou perdendo água. Este fenômeno é conhecido como histerese. 0,6 0,6 0,5 0,4 fase de secamento 0,5 0,4 argila 0,3 0,2 0,1 fase de umedecimento 0,3 0,2 0,1 areia silte 0 0-0,001-0,01-0, (MPa) m 0 0-0,001-0,01-0, (MPa) m

35 Medição do Potencial de Água no Solo Métodos indiretos: Medindo-se a umidade e obtendo-se o potencial através da curva de retenção característica do solo Métodos diretos: Tensiômetros (0 até -85 kpa) Baseados na condutividade elétrica (entre -100 e kpa)

36 Tensiômetro É um tubo cilíndrico, geralmente de PVC, com uma cápsula porosa instalada em um extremo. A cápsula porosa, geralmente de cerâmica, tem poros tão finos que eles permanecem saturados nos potenciais de pressão encontrados em condições de campo. A cápsula está em contato íntimo com o solo, e o interior do tubo é completamente cheio de água. A diferença de pressão entre a cápsula porosa e o solo é transmitida para o tubo do tensiômetro.

37 Blocos Porosos Dois eletrodos envolvidos por um bloco de gesso ou nylon medem a condutividade elétrica, que tem relação com o potencial de água no solo (necessitam calibração). Não são adequados para solos salinos, já que o conteúdo de sais afeta a calibração do bloco. Podem ser usados sob tensão bem maior que os tensiômetros, e são mais sensíveis em potenciais mais negativos (solos muito secos). Não tem boa precisão em potenciais próximos a zero (umidade próximo à saturação).

38 Câmara de Richards (Laboratório) O sistema consta de panela de pressão, placa cerâmica porosa e equipamentos de produção e controle de pressão, podendo usar tanto amostras indeformadas como deformadas. Trabalham com pressões entre -10 e kpa As amostras (úmidas) são pesadas logo após serem submetidas a uma pressão negativa pré-determinada e, em seguida, são secas em estufa para determinar o conteúdo de água da amostra.

39 Modelos de Relação entre e m S e é a saturação efetiva (entre 0 e 1) s e r são os conteúdos volumétricos de água na saturação natural (V w = V p ) e residual ( = -1500kPa) Brooks-Corey b é o potencial de entrada de ar ou pressão de entrada do ar é chamado de índice de distribuição de poros (se m b então = s ) van Genuchten e n são parâmetros - m vg BC Brooks, R.H.; Corey, A.T. (1966). Properties of porous media affecting fluid flow. Journal Irrigation Drain. Div., 92 (IR2): van Genuchten, M.Th. (1980). A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44 (5): r s

40 Redistribuição da Água no Perfil - m arenoso Condições de equilíbrio para um solo homogêneo argiloso s (arg) > s (aren) r (arg) > r (aren) Limite superior da zona capilar lençol freático ( = 0) Em condições reais vários fatores alteram esta distribuição: A existência de horizontes do solo que determinam que a relação entre o m e (curva de retenção) variem com a profundidade. A existência de raízes, que reduzem o conteúdo de umidade na zona radicular A oscilação do lençol freático como consequência da recarga e do fluxo de base A presença de frentes de umidade no perfil do solo como consequência da infiltração A presença de evaporação do solo, que cria perfis de dessecamento nas camadas superiores do solo

41 Baseado em Hewlett (1982) Redistribuição da Água no Perfil a) condição de equilíbrio com solo seco à superfície e saturado ao nível do lençol freático b) com o início da precipitação, a infiltração é rápida, adicionando água nas camadas superficiais c) a precipitação continua, saturando o solo nas primeiras camadas d) a precipitação cessa, a umidade superficial começa a descer no perfil do solo e evaporar e) a umidade continua a descer com velocidades diferentes (camadas com diferentes texturas e porosidades) gerando curvas de umidade mais complexas

42 Macroporos Matriz do Solo Macroporo kpa kpa -100 kpa Filmes de água

43 Água Disponível: CC e PMP Após a chuva ou irrigação, a infiltração cessa e a água se redistribui dentro do perfil principalmente pela influência do potencial gravitacional. A umidade do solo na qual a redistribuição praticamente cessa é denominada capacidade de campo (CC), ou seja, é a umidade que o solo consegue sustentar sob a ação da gravidade. Em laboratório, corresponde a umidade da amostra de solo previamente saturada, submetida a uma pressão de -33kPa (ou -6 ou -10 kpa). Apesar de arbitrário, este conceito é considerado por muitos como um critério prático e útil para o limite superior de água que um solo pode reter. Saturação Todos os poros estão cheios de água. A água gravitacional é perdida. Capacidade de Campo Apenas os macroporos estão ocupados por ar.

44 Água Disponível: CC e PMP A água perdida pelas plantas por transpiração deve ser constantemente reposta pela extração da água do solo na zona radicular. Quando a planta não consegue mais retirar a água do solo, as folhas perdem a turgidez e a planta murcha. Água Disponível (CC PMP) O ponto de murcha permanente (PMP) é definido como a umidade do solo na qual uma planta não mais recupera a turgidez (mesmo quando colocada em atmosfera saturada por 12 horas). Em laboratório, corresponde a umidade da amostra de solo submetida a uma pressão de kpa. É também bastante arbitrário (as xerófitas podem extrair água até kpa e as freatófitas não além de -500 kpa) Capacidade de Campo Apenas os macroporos estão ocupados por ar. Ponto de Murcha Permanente Não há mais água disponível para as plantas (apenas umidade residual)

45 UMIDADE Água Disponível: CC e PMP CC PMP areia franco arenoso franco franco siltoso franco argiloso argila