Interfaces entre a Física e outros campos da Ciência DO SOLO. Prof. Hugo A. Ruiz Prof. Igor R. de Assis

Transcrição

1 Interfaces entre a Física e outros campos da Ciência DO SOLO Prof. Hugo A. Ruiz hruiz@ufv.br Prof. Igor R. de Assis igor.assis@ufv.br

2 FÍSICA DO SOLO Estuda o estado e o movimento de matéria e o fluxo e as transformações de energia no solo. Inclui aspectos como: Composição granulométrica e estrutura da matriz sólida; Retenção e movimento de água; Transporte de solutos; Temperatura do solo e fluxo de calor; Transporte de gases.

3 FÍSICA DO SOLO Aplicação da física do solo objetiva, na prática, o manejo apropriado por meio de: Práticas culturais; Irrigação; Drenagem; Aeração; Melhora da estrutura do solo; Controle da infiltração e evaporação; Regulação da temperatura do solo; Prevenção da erosão.

4 INTERFACES A física do solo interage com outras áreas da ciência do solo com destaque para: Química e mineralogia do solo; Fertilidade do solo; Biologia do solo; Pedologia; Manejo e conservação do solo.

5 Grandes problemas do mundo! Qual a relação do solo com isso??

6 Ciclo da água

7 Ciclo do carbono

8 SBCS: mm 2,0 Areia Grossa 0,2 Areia Fina 0,05 Silte 0,002 Argila

9 SUSPENSÕES E SOLUÇÕES Suspensão Grosseira Sistema bifásico com partículas sólidas de dimensões que permitem sua sedimentação sob ação da gravidade. Suspensão Coloidal Sistema bifásico constituído de uma fase dispersa, extremamente subdividida, imersa na outra, denominada fase dispersora. As partículas da fase dispersa denominam-se micelas. Solução Sistema homogêneo com mais de um componente.

10 Suspensão Grosseira Suspensão Coloidal Solução > Heterogeneidade Sistema Disperso > Homogeneidade Limites: nm Areia, Silte, Argila Argila

11 SUPERFÍCIE ESPECÍFICA Superfície Específica (s): É a proporção de superfície (S), ou área exposta, por unidade de massa (M). Se expressa, geralmente, em m 2 g -1. D p : densidade de partículas; V: volume das partículas.

12 SUPERFÍCIE ESPECÍFICA DE PARTÍCULAS ESFÉRICAS Fração Textural Diâmetro Superfície Específica Areia grossa mm µm m 2 g -1 2, ,0012 Areia fina Silte Argila não coloidal Argila coloidal 0, ,0120 0, ,0462 0, ,1538 0,0001 0,1 23,08 0, , ,69

13 SUPERFÍCIE ESPECÍFICA DE COMPONENTES DO SOLO Componente Superfície Específica m 2 g -1 Matéria orgânica humificada 700 Minerais da fração argila Silicatos de alumínio não cristalinos Alofana Silicatos de alumínio cristalinos Caulinita Clorita Mica Montmorilonita Vermiculita Óxidos de Ferro Hematita Goethita Óxidos de Alumínio Gibbsita 2-5

14 SUPERFÍCIE ESPECÍFICA E ÁGUA

15 ADSORÇÃO DE ÁGUA E P Equivalente de Umidade Água adsorvida após centrifugação a -33 kpa de amostra inicialmente saturada. P Remanescente Concentração de P em solução de equilíbrio em resposta a uma concentração de P adicionada ao solo. Coeficientes de Correlação Linear 1/ : Argila Silte Silte + Argila Equivalente de Umidade 0,74** 0,17 0,94** P Remanescente 0,45* 0,51* 0,84** 1/ Netto, 1996.

16 PSEUDOAREIA E PSEUDOSSILTE Alguns solos, sobretudo os mais oxídicos, podem apresentar problemas de dispersão, devido à presença de microagregados de alta estabilidade. Esses grupamentos, muito argilosos, contribuem, pelo seu tamanho, para superestimar a proporção de areia e silte do solo analisado (pseudoareia e pseudossilte). Se diferenciam da areia e do silte verdadeiros, que são partículas simples.

17 LVdf LVAdf Donagemma et al., 2003

18 LVdf LVAdf LVe Donagemma et al., 2003

19 Segunda dispersão da fração silte Donagemma et al., 2003

20 P Remanescente (Silte) Donagemma et al., 2008

21 Nutrientes Fatores relacionados à disponibilidade Intensidade (I) Concentração (atividade) do íon na solução do solo. Quantidade (Q) Reserva do íon na fase sólida em equilíbrio com a solução (íon em forma lábil). Capacidade (FC) (Capacidade Tampão) (ΔQ / ΔI) Relação entre os fatores Q e I, numa dada faixa de concentração (atividade) considerada.

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23 VISÃO HIDRODINÂMICA transporte absorção/planta (Não Lábil) perdas Variável com: Teor de argila Teor P-remanescente

24 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA Representação gráfica Fator capacidade (FC) Q I Q I Q

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26 INTERPRETAÇÃO DA DISPONIB. DE P Argila Classificação da Disponibilidade (Mehlich-1) Muito Baixo Baixo Médio Bom Muito Bom % mg dm , , , ,0 Ribeiro et al., 1999.

27 CÁLCULO DA NECESSIDADE DE CALAGEM NC = Y [Valor relacionado à acidez trocável]+ [Valor relacionado aos teores de Ca e Mg trocáveis] Argila Y % ,0 a 4, ,0 a 3, ,0 a 2, ,0 a 1,0 Y = a + b Arg + c Arg 2, R 2 = 0,9996

28 TRANSPORTE DE NUTRIENTES NO SOLO Transporte de Nutrientes no Solo

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30 MECANISMOS DE TRANSPORTE A água presente no solo, constituindo a fase líquida, não é quimicamente pura. O transporte simultâneo de água e solutos no solo ocorre por fluxo de massa e por difusão.

31 TRANSPORTE POR FLUXO DE MASSA Refere-se ao escoamento passivo de um soluto juntamente com a água do solo. Ou seja, a água e o soluto nela dissolvido se movem à mesma velocidade. em que: FM: quantidade do soluto transportado por fluxo de massa por unidade de área e de tempo, kg m -2 s -1 ; q: fluxo de água, m 3 m -2 s -1 ; e C: concentração média do soluto, kg m -3.

32 Fluxo de Massa Depende: do grau de interação com a fase sólida do solo, da intensidade de absorção pelas raízes das plantas, da quantidade que precipita ou dissolve, das características geométricas da matriz do solo. Este ponto está diretamente relacionado com a dispersão do soluto como resultado dos desvios das velocidades, em relação à velocidade média da frente de avanço.

33 TRANSPORTE POR DIFUSÃO Processo espontâneo, que resulta do movimento térmico e aleatório de íons e moléculas na fase líquida do solo. Ocorre em razão da diferença de concentração entre pontos na solução do solo. O movimento se dá de pontos de concentrações mais altas para aqueles de concentrações mais baixas, como ocorre junto à superfície das raízes das plantas. Macroscopicamente, a taxa média de escoamento das partículas de um soluto em um meio aquoso uniforme é proporcional ao gradiente de concentração e à área normal à direção do escoamento.

34 Difusão Conforme a primeira Lei de Fick: C em que: FD: quantidade do soluto transportado por fluxo difusivo por unidade de área e de tempo, kg m -2 s -1 ; D 0 : coeficiente de difusão do soluto na solução pura, m 2 s -1 ; C: gradiente de concentração, kg m -4. O sinal negativo indica que o movimento do soluto ocorre do ponto de maior para o de menor concentração.

35 C é definido nos sistema cartesiano x, y, z, pela equação: Difusão

36 Difusão Considerando: D s : coeficiente de difusão do soluto na solução do solo, m 2 s -1 ; e D 0 : coeficiente de difusão do soluto na solução pura, m 2 s -1. Justificativas: A fase líquida ocupa apenas uma fração do volume do solo; A trajetória tortuosa de poros contínuos, cheios de água, faz com que a distância curvilínea efetiva à difusão no solo (L e ) seja significantemente maior que a distância retilínea em um corpo apenas líquido (L r ).

37 Difusão L e L r

38 Difusão A relação entre D s e D 0 pode ser indicada pela expressão: em que: (L r /L e ) 2 : fator de tortuosidade, m m -1 ; α: constante associada a alterações na viscosidade da água devido à presença de partículas eletricamente carregadas na matriz do solo; β: constante associada a concentrações diferenciais de ânions e cátions na solução do solo (CTC).

39 Difusão L e L r O fator de impedância f é definido pela expressão:

40 Difusão Como a fase líquida ocupa apenas uma fração do volume do solo leva-se em consideração o conteúdo de água base volumétrica (θ) em que: V Água : volume de água, m 3 ; V Solo : volume total do solo, m 3. Assim, a primeira Lei de Fick modificada para as condições de transporte de soluto no solo, pode ser escrita:

41 INTERCEPTAÇÃO RADICULAR (TERCEIRO MECANISMO?) Este mecanismo foi sugerido por Oliver & Barber (1966). É baseado no incremento da densidade do solo na rizosfera, que aumenta o teor de nutrientes por unidade de volume nessa região. Assim, incrementa-se o gradiente de concentração dos nutrientes que difundem em direção às raízes. Os próprios autores reconhecem que esse mecanismo é uma forma de difusão, facilitada pela proximidade da superfície radicular (menor distância a percorrer) e pelo maior gradiente de concentração. Atualmente não é considerada nos cálculos.

42 QUANTIFICAÇÃO DO FORNECIMENTO DE NUTRIENTES ÀS RAÍZES Por fluxo de massa: É diretamente calculado pela equação: Há necessidade de determinar a concentração do nutriente na solução do solo e a água transpirada pelo vegetal. Não depende da extensão do sistema radicular. Por difusão: É estimada subtraindo, da totalidade do nutriente absorvido pela planta, a quantidade transportada por fluxo de massa. Depende da extensão do sistema radicular.

43 Fornecimento de nutrientes às raízes de milho Nutriente Interceptação Fluxo de Difusão Radicular Massa % Ca Mg K P 3 < 1 97 Barber, 1974.

44 Transporte de macro e micronutrientes catiônicos em agregados de Latossolo (Oliveira et al., 2010) Contribuição média do transporte por fluxo de massa: Ca: 99%, Mg: 63%, N: 56%, S: 45%, K: 10% P, Mn, Zn, Cu, Fe: < 1%.

45 CONSIDERAÇÕES FINAIS

46 OBRIGADO!