Física do Solo

Física do Solo

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As propriedades físicas do solo influenciam a função do ecossistema e a escolha do melhor manejo a ser adotado. O sucesso ou fracasso de projetos agrícolas ou de engenharia muitas vezes é dependente das propriedades físicas do solo utilizado. A ocorrência e crescimento de diferentes espécies vegetais e o movimento de água e solutos estão diretamente relacionados às propriedades físicas do solo.

A cor, textura e outras propriedades físicas do solo são utilizadas na classificação de perfis e em levantamentos sobre a aptidão do solo para projetos agrícolas e ambientais. O conhecimento básico sobre as propriedades físicas do solo servirá como base para a compreensão de muitos aspectos que serão abordados posteriormente.

As propriedades físicas discutidas neste capítulo dizem respeito às partículas sólidas do solo e à maneira como elas se unem formando agregados. Se pensarmos no solo como uma casa, as partículas sólidas são os tijolos com os quais a casa é construída. A textura do solo descreve o tamanho das partículas. As frações minerais mais grosseiras são normalmente cobertas por argila e outros materiais coloidais. Quando houver predomínio de partículas minerais de maior diâmetro, o solo é classificado como cascalhento, ou arenoso; quando houver predomínio de minerais coloidais, o solo é classificado como argiloso. Todas as transições entre estes limites são encontradas na natureza.

Na construção de uma casa, a maneira como os tijolos estão dispostos determina a natureza das paredes, quartos e corredores. A matéria orgânica e outras substâncias atuam como agente cimentante entre as partículas, formando os agregados do solo. A estrutura do solo descreve a maneira como as partículas são agregadas. Esta propriedade, portanto, define a configuração do sistema poroso do solo.

As propriedades físicas estudadas neste capítulo descrevem a natureza das partículas sólidas e a maneira como influenciam a água e o ar contidos no espaço poroso do solo. Textura e estrutura do solo contribuem na capacidade de fornecimento de nutrientes, assim como na retenção e condução de água e ar, necessários para o desenvolvimento radicular das plantas. Estes fatores também determinam o comportamento do solo quando utilizado em estradas, construções, fundações, ou cultivo. Pela sua influencia no movimento da água através do solo e fora dele, as propriedades físicas também exercem uma grande influência sobre a degradação do solo pelo processo erosivo.

1.1 Textura do Solo (Distribuição do Tamanho de Partículas)

A determinação das proporções dos diferentes tamanhos de partículas (textura do solo) é importante para o entendimento do comportamento e manejo do solo. Durante a classificação do solo em um determinado local, a textura dos diferentes horizontes é muitas vezes a primeira e mais importante propriedade a ser determinada e, a partir desta informação muitas conclusões importantes podem ser tomadas. Além disso, a textura do solo não é prontamente sujeita a mudanças sendo, portanto, considerada como uma propriedade básica do solo.

Natureza das Frações do Solo

O diâmetro de partículas do solo é subdividido em 6 ordens de magnitude, de matacões (1m) a argilas submicroscópicas (<10-6 m). Diversos sistemas de classificação são utilizados para agrupar as diferentes frações do solo, como mostrado na Figura 1.1. A classificação estabelecida pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos é utilizada neste texto. Os limites empregados neste sistema de classificação não são puramente arbitrários, sendo baseados em mudanças no comportamento das partículas e nas propriedades físicas do solo por elas determinadas.

Matacões, cascalhos, seixos rolados e outros fragmentos grosseiros > 2 m de diâmetro podem afetar o comportamento do solo, mas não são considerados como parte da fração terra fina, para a qual o termo textura do solo é aplicado. Fragmentos grosseiros reduzem o volume disponível de solo para retenção de água e crescimento de raízes, entretanto, em solos densos, os espaços entre fragmentos podem fornecer caminhos para drenagem de água e penetração de raízes. Fragmentos grosseiros, especialmente aqueles constituídos de minerais resistentes como o quartzo, interferem no cultivo ou escavação.

Areia - Partículas de areia são aquelas com diâmetro entre 0,05 m e 2 m. Elas podem ser arredondadas ou angulares (Figura 1.2), dependendo do grau de desgaste a que elas tenham sido sujeitas pelos processos abrasivos durante a formação do solo. Partículas arenosas grosseiras podem ser compostas de fragmentos de rocha contendo vários minerais, mas a maioria dos grãos de areia é constituída por um só mineral, normalmente quartzo (SiO2) ou outro silicato primário (Figura 1.3). Grãos de areia podem possuir coloração marrom (ou bruna), amarela, ou vermelha como resultado de camadas de óxidos de ferro ou alumínio. Em alguns casos, a predominância de quartzo significa que a fração areia geralmente tem um conteúdo muito pequeno de nutrientes disponíveis para as plantas, em relação a partículas de menor diâmetro.

As partículas de areia são ásperas ao tato e geralmente são visíveis a olho nu (Figura 1.4). Estas partículas são relativamente grandes, deste modo, os espaços entre elas também possuem um diâmetro relativamente grande, promovendo a drenagem livre da água e entrada de ar no solo. A relação entre diâmetro de partícula e área superficial específica (área superficial para um dado volume ou massa de partículas) é ilustrada na Figura 1.5. Devido ao seu maior tamanho, partículas de areia têm superfície específica relativamente baixa. Deste modo, apresentam pequena capacidade de retenção de água e solos com predominância desta fração são mais propensos a serem deficientes em umidade em períodos de estiagem. Partículas de areia são consideradas não coesivas; isto é, não se mantêm unidas a outras partículas.

FIGURA 1.1. Classificação das partículas por tamanho. A escala sombreada localizada no centro segue o sistema do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, o qual é muito utilizado por todo o mundo. Os outros dois sistemas são também utilizados na ciência do solo e na engenharia. O desenho ilustra os tamanhos proporcionais das frações do solo.

Silte - Partículas menores que 0,05 m e maiores que 0,002 m de diâmetro são classificadas como silte. Partículas de silte não são visíveis a olho nu (Figura 1.2) nem apresentam sensação de aspereza quando esfregadas entre os dedos. São micro partículas de areia com o quartzo sendo, geralmente, o mineral dominante. Partículas de silte, devido a seu diâmetro reduzido, são mais propensas à ação do intemperismo, liberando rapidamente quantidades significativas de nutrientes para as plantas.

Embora o silte seja composto de partículas com formato similar ao das partículas de areia, apresenta sensação de sedosidade ao tato. Os poros entre partículas de silte são menores (e muito mais numerosos) que os poros presentes entre as partículas de areia, deste modo, o silte retém mais água e permite uma menor taxa drenagem. Entretanto, quando seca, a fração silte exibe pouca pegajosidade ou plasticidade (maleabilidade). A baixa plasticidade, coesão (viscosidade) e capacidade de adsorção que algumas frações de silte apresentam é, em grande parte, devida a filmes de argila aderidos à superfície das partículas. Devido à sua baixa pegajosidade e plasticidade, solos siltosos, de maneira geral, são facilmente carregados por fluxos de água, num processo chamado “piping”. O quadro 1.1 ilustra uma conseqüência do “piping” e a importância da distinção entre silte e argila no solo.

FIGURA 1.2 Uma pequena seção de um solo franco visto através de um microscópio empregando luz polarizada (poros vazios aparecem em preto). As partículas de areia e silte mostradas são irregulares em tamanho e forma, sendo o silte representado pelas partículas menores. Embora o quartzo (q) predomine na fração areia e silte deste solo, vários outros minerais silicatados podem ser observados (p = plagioclásio, k = feldspato). Filmes de argila podem ser vistos revestindo as paredes dos poros maiores (setas). A microscopia eletrônica de varredura, em grãos de areia, mostra partículas de quartzo (abaixo à esquerda) e feldspato (abaixo à direita) com aumento de cerca de 40 vezes.

Argila - Partículas menores que 0,002 m são classificadas como argila, pelo fato de possuírem uma grande área superficial específica, apresentam uma enorme capacidade de adsorção de água e outras substâncias. Uma colherada de argila pode possuir uma área superficial do tamanho de um campo de futebol. Este grande poder de adsorção faz com que partículas de argila mantenham-se unidas em uma massa coesa depois de seca. Quando úmida, a argila é pegajosa e pode ser facilmente moldada.

Partículas de argila são tão pequenas que comportam-se como colóides, quando suspensas em água não depositam-se facilmente. Diferentemente da maior parte das partículas de areia e silte, partículas de argila possuem forma de pequenas lâminas ou placas planas. Os poros entre partículas de argila são muito pequenos e irregulares, ocasionando lento movimento de água e do ar no solo. Cada mineral de argila atribui diferentes propriedades aos solos nos quais são predominantes. Por esta razão, propriedades do solo como contraçãoexpansão, plasticidade, capacidade de retenção de água, resistência do solo e adsorção de elementos químicos, são dependentes do tipo e da quantidade de argila presente no solo.

FIGURA 1.3 Relação entre o tamanho das partículas e o tipo de mineral presente. O quartzo é dominante na fração areia e em frações mais grosseiras de silte. Silicatos primários como o feldspato, hornblenda e mica estão presentes na areia e em menores quantidades na fração silte. Minerais secundários, como óxidos de ferro e alumínio, são predominantes na fração silte de menor diâmetro e na fração argila mais grosseira.

FIGURA 1.4 Relação entre a área superficial de um cubo de massa conhecida e o tamanho de suas partículas. No cubo maior (a) cada lado possui 64 cm2 de área superficial. O cubo tem seis lados, com área superficial total de 384 cm2 (6 lados x 64 cm2). Se o mesmo cubo fosse dividido em cubos menores (b) de modo que cada um tenha 2 cm de lado, o mesmo material será agora representado por 64 cubos pequenos (4 x 4 x 4). Cada lado do cubo pequeno terá 4 cm2 (2 x 2) de área superficial, resultando em 24 cm2 de área superficial (6 lados x 4 cm2). A área superficial total será de 1536 cm2 (24 cm2 x 64 cubos). Deste modo, a área superficial deste cubo será quatro vezes maior do que a área superficial do cubo maior. Como partículas de argila são muito pequenas e possuem formato laminar, sua área superficial é milhares de vezes maior do que a área superficial de uma mesma massa de partículas de areia.

Influência da área superficial em outras propriedades do solo

À medida que diminui o diâmetro das partículas, a área superficial e propriedades relacionadas aumentam significativamente, como mostrado graficamente na Figura 1.5. Argila de tamanho coloidal possui área superficial cerca de 10.0 vezes maior do que a mesma massa de areia de tamanho médio. A textura do solo influencia muitas outras propriedades (Tabela 1.1) como resultado de cinco fundamentais fenômenos de superfície:

1. A água é retida como pequenos filmes aderidos à superfície das partículas do solo. Quanto maior a área superficial, maior a capacidade de retenção de água.

2. Gases e substâncias químicas são atraídos e adsorvidos pela superfície das partículas minerais.

Quanto maior a área superficial, maior a capacidade de retenção de nutrientes e outras substâncias químicas do solo.

3. O processo de intemperismo que ocorre na superfície das partículas minerais libera elementos constituintes para a solução do solo. Quanto maior a área superficial, maior a taxa de liberação de nutrientes para as plantas.

4. As superfícies das partículas minerais apresentam cargas negativas e positivas, filmes de água presentes na superfície destes minerais fazem com que as partículas mantenham-se unidas. Quanto maior a área superficial, maior a tendência das partículas manterem-se unidas em uma massa coesa ou como pequenos agregados.

5. Os microorganismos tendem a se desenvolver e colonizar as superfícies das partículas. Por estas e outras razões, reações microbiológicas nos solos são altamente afetadas pela área superficial específica.

Figura 1.5 Quanto mais fina a textura do solo, maior é a superfície efetiva exposta por suas partículas. Note que a adsorção, a expansão e outras propriedades físicas (plasticidade e coesão, calor de umedecimento) seguem a mesma tendência e aumentam rapidamente à medida que se aproximam da dimensão coloidal.

Tabela 1.1 Influência das frações (areia, silte e argila) em algumas propriedades e comportamento do solo.a

Propriedades/Comportamento do solo Areia Silte Argila

Capacidade de retenção água Baixa Média a alta Alta

Aeração Boa Média Pobre Taxa de drenagem Alta Lenta a média Muito lenta Teor de matéria orgânica no solo Baixo Médio a alto Alto a médio

Decomposição da matéria orgânica Rápida Média Lenta Aquecimento na primavera Rápido Moderado Lento Susceptibilidade à compactação Baixa Média Alta

Susceptibilidade a erosão eólica Moderada Alta Baixa Susceptibilidade a erosão hídrica Baixa Alta Solo agregado – baixa

Solo não agregado - alta

Potencial de expansão e contração Muito baixo Baixo Moderado a muito alto Adequabilidade para construção de represas e aterros Baixa Baixa Alta

Capacidade de cultivo após chuva Boa Média Baixa Potencial de lixiviação de poluentes Alto Médio Baixo Capacidade de armazenamento de nutrientes Baixa Média a alta Alta

Resistência à mudança de pH Baixa Média Alta a exceções à estas generalizações ocorrem, como resultado da estrutura do solo e mineralogia da argila

QUADRO 1.1 SILTE E A FALHA DA REPRESA TETONa

Uma das mais trágicas falhas de engenharia da história americana aconteceu ao sul de Idaho em 5 de junho de 1977, menos de um ano após o término da construção de uma grande represa de terra no Rio Teton. Onze pessoas foram mortas e 25.0 ficaram desabrigadas nas cinco horas que foram necessárias para esvaziar o lago de 28 km de comprimento que havia sido formado pela represa. $ 400 milhões (1977 dólares) foi o valor dos prejuízos causados pelo grande volume de água liberado pelo desmoronamento da represa no vale abaixo. A destruição da represa iniciou com pequenas infiltrações que rapidamente tornaram-se grandes volumes de água, arrastando até mesmo máquinas designadas para reparos no local. A represa Teton foi construída de acordo com um modelo padrão, testado para diques de terra dividido em zonas. Depois de preparar uma base sobre riolito abaixo do solo, a parte central (zona 1) foi construído com material firmemente compactado e coberto com uma camada (zona 2) de material grosseiro de solo aluvial para proteger da erosão hídrica e eólica. A parte central deveria ser construída com uma camada impermeável que impedisse o movimento de água através da represa. Normalmente, materiais argilosos são escolhidos para o centro, por possuírem características de plasticidade e pegajosidade, estes materiais quando úmidos podem ser compactados em uma massa impermeável e maleável que permanece unida e não apresenta fissuras desde que seja mantida úmida. O silte, por outro lado, ainda que possaparecer semelhante a argila no campo, tem pequena ou nenhuma viscosidade ou plasticidade e portanto não pode ser compactado em uma massa coesa como a argila. Uma massa úmida e compactada de silte poderá apresentar fissuras pela falta de plasticidade. Alémdisso, se a água penetra nestas fissuras, o material siltoso será carregado pelo fluxo de água, aumentando as fissuras e conduzindo mais água. O processo de aumento rápido dos canais de infiltração é chamado de "piping". Este processo pode ser certamente a causa principal do fracasso da represa Teton, pelo fato dos engenheiros construírem a zona 1, (centro da represa), usando material de um depósito de silte de origem eólica ("loess") em lugar de argila. Esta é uma trágica mas útil informação sobre a importância da textura no comportamento do solo.

_ a Baseado no relatório do U.S. Departament Of Interior Teton Dam Failure Group (1977).

1.2 Classe textural do solo

Três grupos principais de classes texturais são conhecidos: solo arenoso, argiloso e franco. Dentro de cada grupo, classes texturais específicas fornecem uma idéia da distribuição de tamanho de partículas e indicam o comportamento das propriedades físicas do solo. As 12 classes texturais encontradas Tabela 1.2 apresentam uma seqüência gradual desde partículas de areia, as quais possuem textura grosseira e fácil manejo, à partículas de argila, que possuem textura muito fina e são mais dificilmente manejadas.

Em solos arenosos e franco arenosos ocorre predomínio das propriedades da areia, quando esta compreendem pelo menos 70% do material em peso (solos com menos do que 15 % de argila). Características da fração argila predominam em solos argilosos, argilo-arenosos e argilo-siltosos.

Franco - Este grupo contém muitas subdivisões. Uma maneira ideal de definirmos seria uma mistura com propriedades quase que em proporções iguais de partículas de areia, silte e argila. Esta definição não significa que as três frações estão presentes em quantidades iguais (como pode ser visto por um estudo da Figura 1.7). Esta anormalidade existe porque uma pequena percentagem relativa de argila é suficiente para atribuir ao solo propriedades referentes à esta fração, com relação a uma pequena quantidade de areia e silte que possuem menor influência sobre o comportamento do solo. Deste modo, propriedades da fração argila são utilizadas para classificar solos com valores tão pequenos quanto 20% de argila; ao passo que solos para serem classificados como arenosos ou siltosos devem ter no mínimo 40 ou 45% destas frações, respectivamente.

A maioria dos solos são classificados como determinado tipo de solo franco. Eles podem possuir uma composição ideal, conforme foi descrito e serem classificados simplesmente como franco. Portanto, um solo franco no qual partículas de areia predominam é classificado como franco arenoso. Da mesma forma podem ocorrer solos franco-siltosos, franco-argilo-siltosos, franco-argilo arenosos e franco-argilosos.

Fragmentos grosseiros - Nomenclaturas adicionais para solos com predominância de pedras, cascalhos e diferentes frações de areia são utilizadas na classificação textural destes solos. Fragmentos com diâmetro entre 2 m e 2 cm são denominados cascalhos; os que variam de 2 cm a 20 cm são chamados calhaus; sendo os maiores que 20 cm denominados matacões. Um solo franco arenoso cascalhento é um bom exemplo de uma classificação textural levando em consideração a presença de frações grosseiras.

Alteração da Classe Textural do Solo

Durante longos períodos de tempo, processos pedológicos como erosão, deposição, iluviação e intemperismo podem alterar a textura de diferentes horizontes do solo. Práticas de manejo, geralmente não alteram a classe textural de um solo. A textura só pode ser alterada pela mistura de outros tipos de solos com classes texturais diferentes. Por exemplo: a incorporação de grandes quantidades de areia pode alterar as propriedades físicas de um solo argiloso, para uso em casa de vegetação ou em gramados. Porém, não é aconselhável fazer a mistura de solos com diferentes classes texturais, deve-se utilizar solos com textura de ocorrência natural, ao invés de alterá-los pela mistura de areia ou argila1.

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