Física do solo teórica, Notas de estudo de Agronomia

Baixe Física do solo teórica e outras Notas de estudo em PDF para Agronomia, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DO SOLO SETOR DE FÍSICA DO SOLO Caixa Postal 37 - TELEFAX (035) 829-1251 CEP 37.200-000 - LAVRAS-MG FÍSICA DO SOLO TEÓRICA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SOLOS E NUTRIÇÃO DE PLANTAS Prof. Moacir de Souza Dias Junior, Ph.D. Júlio César Bertoni, M.Sc. Ana Rosa Ribeiro Bastos, M.Sc. 2000 PAGE 1 CAPÍTULO 1 - PLANILHAS ELETRÔNICAS PARA O CÁLCULO DAS ANÁLISES FÍSICAS DO SOLO O uso de planilhas eletrônicas tem se tornado uma rotina nas diversas áreas do conhecimento onde se exige que cálculos sejam realizados rotineiramente. Na Física do Solo estas planilhas têm facilitado os cálculos de análises de laboratório bem como a solução de exercícios teóricos. Um exemplo disso foi a informatização das análises físicas do laboratório de Física do Solo do Departamento de Ciência do Solo da Universidade Federal de Lavras (Dias Junior, 1995). A informatização destas análises representou uma economia de tempo gasto nos cálculos em média de dois dias de serviço. Além disso, ainda pode-se citar algumas outras vantagens da utilização destas planilhas: 1) Redução significativa do tempo gasto para a realização dos cálculos quando comparado com o tempo gasto pelo método manual; 2) Redução significativa da probabilidade de erros durante os cálculos,; 3) Ser um método rápido, confiável e repetitivo; 4) Possibilidade de ser usado por outros laboratórios que realizam determinações semelhantes. A seguir será apresentada uma breve explicação sobre as planilhas eletrônicas de fluxo livre desenvolvidas por Dias Junior (1995) para o cálculo das análises físicas do solo. Estas planilhas foram programadas no aplicativo QUATTRO PRO 4.0, podendo, entretanto, serem usadas em qualquer versão mais recente. Além destas planilhas poderem ser usadas no aplicativo QUATTRO PRO, elas também podem ser usadas no aplicativo EXCEL. Para se usar as planilhas deve-se proceder como segue: 1) Carregar o aplicativo QPRO 4.0 ou uma versão mais recente na tela do computador; PAGE 1 umidades usadas na confecção da curva característica de umidade do solo exprimindo os resultados em %. 5) Para CARREGAR uma determinada planilha na tela do computador, click com o mouse uma vez no nome da planilha desejada ou desloque o cursor até o nome da planilha e pressione a tecla ENTER. 6) Após carregada a planilha na tela do computador, digite nas células em branco os valores das leituras feitas no laboratório. As colunas verticais, em que aparece qualquer número ou as letras ERR, não deverão ser modificadas (não digitar nada). Estas linhas constituem as fórmulas programadas na planilha e que serão atualizadas assim que o usuário digitar nas células vazias as suas leituras. 7) Para IMPRIMIR os resultados usando a aplicação QUATTRO PRO, proceder como segue: 7.1) Click com o mouse uma vez no menu IMPRIMIR (PRINT); 7.2) Click com o mouse uma vez no comando DESTINO (DESTINATION) ou desloque o cursor até este comando e pressione a tecla ENTER. A seguir click com o mouse uma vez no comando IMPRIMIR GRÁFICO (GRAPHICS PRINTER) ou desloque o cursor até este comando e pressione a tecla ENTER; 7.3) Click com o mouse uma vez no comando IMPRIMIR (PRINT TO FIT) ou desloque o cursor até este comando e pressione a tecla ENTER. Com a execução destes comandos os resultados serão impressos; 7.4) Para alterar o bloco a ser impresso, click com o mouse uma vez no comando BLOCO (BLOCK) ou desloque o cursor até este comando e pressione a tecla ENTER. A seguir aparecerá uma área iluminada a qual corresponde a área a ser impressa. Alterando esta área, será alterado o que será impresso. 8) Para IMPRIMIR os resultados usando a aplicação EXCEL, proceder como PAGE 1 segue: 8.1) Click com o mouse uma vez no menu ARQUIVO (FILE); 8.2) Click com o mouse uma vez no comando IMPRIMIR (PRINT); 8.3) Na janela IMPRIMIR (PRINT) escolha o item página selecionada (selected sheet). Neste caso será impresso toda a página da planilha. Caso o usuário queira imprimir apenas parte da planilha, bloquear o que se deseja imprimir antes de executar o item 8.1 e a seguir executar os itens 8.1, 8.2 e 8.3 e escolher, neste caso, na janela IMPRIMIR (PRINT), o item seleção (selection). A seguir click com o mouse uma vez em OK. 9) Para GRAVAR os resultados click com o mouse uma vez no menu ARQUIVO (FILE) e click uma vez em SALVAR COMO (SAVE AS) ou desloque o cursor até este comando e pressione a tecla ENTER. Aparecerá, então, na tela a mensagem A:\ NOME DA PLANILHA. A seguir o usuário digitará o NOVO nome do arquivo, no qual as novas informações serão gravadas. O usuário NÃO deverá usar a opção GRAVAR (SAVE), porque os resultados atuais serão rescritos sobre os valores iniciais. Portanto, aconselha-se que, além da cópia do disquete, o usuário também possua a cópia no winchester de seu computador. 10) Para FECHAR a planilha click com o mouse uma vez no menu ARQUIVO (FILE) e, então, uma vez no comando FECHAR (CLOSE) ou desloque o cursor até este comando e pressione a tecla ENTER. 11) Se o usuário desejar usar outra planilha, repetir o procedimento acima. 12) Se o usuário desejar SAIR do aplicativo QUATTRO PRO ou EXCEL, click com o mouse uma vez no menu ARQUIVO (FILE) e a seguir click uma vez no comando SAIR (EXIT) ou desloque o cursor até este comando e pressione ENTER. 13) Em anexo segue um exemplo de cada output de cada planilha. PAGE 1 14) Estas planilhas entituladas "Planilhas eletrônicas para cálculo de análise física do solo" deverão ser adquiridas na Pró-Reitoria de Extensão da Universidade Federal de Lavras, Caixa Postal 37, CEP: 37200 Lavras - MG. EXEMPLOS DE OUTPUT 4.1) AGREGADO.WQ1 N.º PROTOCOLO CLASSE DE TAMANHO (mm) PORCENTAGEM (%) 1 7 – 2 20 2 2 – 1 10 3 1 - 0,5 17 4 0,5 - 0,25 21 5 0,25 - 0,105 16 6 < 0,105 16 PAGE 1 4 22 18 60 4.8) UMIDADE .WQ1 N.º PROTOCOLO UMIDADE (%) PRESSÃO (atm.) 1 23,6 15 2 29,7 5 3 33,19 1 4 36,23 0,1 4.9) VTP.WQ1 PROTOCOLO DS (g/cm3) DP (g/cm3) VTP (%) MICRO (%) MACRO (%) 1 1,13 2,99 62,28 39,17 23,11 2 1,23 2,78 55,58 38,27 17,31 3 1,34 2,74 50,96 44,21 6,75 4 1,33 2,50 46,95 28,00 18,95 5 1,39 2,86 51,39 29,36 22,03 PAGE 1 CAPÍTULO 2 - RELAÇÕES DE MASSA E PAGE 1 VOLUME DOS CONSTITUINTES DO SOLO O solo é um sistema heterogêneo, polifásico, disperso e poroso. As três fases do solo são representadas pela parte sólida do solo, pela água (solução do solo) e pelo ar (fase gasosa). A parte sólida do solo é composta por uma parte mineral e uma parte orgânica (resíduos vegetais e animais, total ou parcialmente decompostos). A parte mineral é constituída por partículas provenientes do intemperismo da rocha, variando quanto ao tamanho, forma e composição. A composição química depende da rocha mãe e a forma pode ser cúbica, esférica, laminar, etc. Já quanto ao tamanho da parte sólida do solo pode ser classificada: Parte sólida do solo Diâmetro (mm) Matacões > 200 Calhaus 20 - 200 Cascalho 2 - 20 TFSA < 2 A parte gasosa é semelhante ao ar atmosférico, porém, apresenta maior concentração de CO2 e menor de O2. A parte líquida constitui a solução do solo. É constituída pela água do solo retida sob diferentes tensões. Baseado no diagrama abaixo será definido algumas das relações matemática entre os constituintes do solo. PAGE 1 DENSIDADE GLOBAL ou MASSA ESPECÍFICA APARENTE (Ds) É a relação entre a massa do solo seco (105-110 ºC) e o volume total do solo. Assim: Ds = Ms/V Onde: Ds = densidade do solo (g/cm3 ou Mg/m3) Ms = massa do solo seco (g ou Mg) V = volume total do solo (cm3 ou m3) A densidade do solo depende da estrutura do solo, da umidade do solo, da compactação do solo, do manejo do solo, etc. 2.2.1. DETERMINAÇÃO A densidade do solo pode ser obtida através da utilização de métodos não destrutivos tais como sonda de neutrons, radiação gama e tomografia computadorizada, ou através de métodos destrutivos tais como método do anel volumétrico (cilindro de Uhland) e método do torrão parafinado. A seguir será apresentado resumidamente o procedimento utilizado nos métodos destrutivos. 2.2.1.1. Método do Anel Volumétrico Coletar uma amostra de solo com estrutura indeformada em um anel volumétrico de volume conhecido (V). Secar a amostra de solo em estufa a 105-110 ºC e determinar a sua massa seca (Ms). Determinar a densidade do solo usando a expressão Ds = Ms/V. 2.2.1.1. Método do Torrão Parafinado Este método consiste em impermeabilizar um torrão mergulhando-o em parafina fundida. O volume do torrão é determinado imergindo-o em água e determinando o peso do mesmo dentro e fora d'água. Pelo princípio de PAGE 1 Arquimedes, calcula-se o volume do torrão + parafina, que é igual ao peso da água deslocada. Deduzindo-se o volume da parafina obtém-se o volume do torrão. A seguir será apresentado um exemplo para ilustrar este método. Considere que durante a realização deste ensaio foram obtidos os seguintes pesos: a) Peso do torrão ao ar sem parafina = 300 g b) Peso do torrão ao ar com parafina = 320 g c) Peso do torrão com parafina imerso em água destilada = 100 g d) Umidade do torrão = 5 % em peso e) Densidade da parafina = 0,8 g cm-3 f) Densidade da água = 1,0 g cm-3 Antes de iniciarmos a solução do ensaio será interessante fazer a seguinte consideração. Quando se pesa uma amostra de solo úmido estamos pesando o seguinte: M = Ms + Ma Onde: M = massa do solo úmido (TFSA) (g) Ms = massa do solo seco (TFSE) (g) Ma= massa da água (g) Dividindo e multiplicando a massa de água pela massa do solo seco, vem: M = Ms + Ma(Ms/Ms) Sabendo-se que, por definição, a relação Ma/Ms é igual à umidade gravimétrica do solo (U), vem: M = Ms + U Ms Fatorando a expressão acima vem: M = Ms (1 + U) ou TFSA = TFSE (1 + U) PAGE 1 Esta expressão é de grande aplicabilidade na física e mecânica do solo. Solução do exercício: Por definição a Ds = Ms/V, assim para resolver este exercício deve-se determinar Ms e V como a seguir: M = Ms (1 + U) logo Ms = M/(1 + U). Substituindo-se os valores vem; Ms = 300/(1 + 0,05) = 285,71 g Vtorrão + parafina = (320 - 100)/1,0 = 220 cm3 Vparafina = (320 - 300)/0,8 = 25 cm3 Vtorrão = 220 - 25 = 195 cm3 Ds = 285,71/195 = 1,47 g cm-3 2.2.2. APLICAÇÕES a) Utilizada no cálculo de uma maneira em geral; b) Permite inferir sobre as condições de compactação do solo e, consequentemente, inferir sobre o impedimento mecânico ao sistema radicular das plantas. 2.3. POROSIDADE TOTAL DO SOLO (VTP ou n ou f) Porosidade total do solo é a porção do volume do solo não ocupada por sólidos. Matematicamente pode ser expressa por: VTP = Vv/V = (V - Vs)/V = 1 - Vs/V Dividindo a expressão acima por Ms vem: VTP = 1 - (Vs/Ms)/(V/Ms) = 1 - (Vs/Ms)(Ms/V) Sabendo-se que Vs/Ms = 1/Dp e Ms/V = Ds vem: VTP = [1 - (Ds/Dp)] x 100 2.3.1. APLICAÇÕES PAGE 1 - Peso do solo = 3000,00 g - Peso da água = 1092,64 g - Peso final = 4292,64 g b) Usando a expressão h = (AI x Ds x H)/100 1mm = 1 L/m2 Onde: h = Quantidade de água a ser aplicada (mm) AI = Água de irrigação (%) H = Altura do solo a ser irrigado (mm) Calcular o que se pede para as seguintes condições: - Ponto de murcha permanente (PMP) = 15% - Capacidade de campo (CC) = 28% - Umidade atual (U) = 18% - Ds = 1,40 g cm-3 b.1) Que altura de água (h) há na faixa de irrigação numa camada de 40 cm de espessura. AI = U - PMP = 18 - 15 = 3% h = (3 x 1,4 x 400)/100 = 16,8 mm de água b.2) Qual a faixa de irrigação máxima deste solo. AI = CC - PMP = 28 - 15 = 13% h = (13 x 1,4 x 400)/100 = 72,8 mm de água b.3) Qual a quantidade de água necessária para atingir a capacidade de campo AI = CC - U = 28 - 18 = 10% h = (10 x 1,4 x 400)/100 = 56,0 mm de água PAGE 1 b.4) O que acontece se aplicarmos 18 mm de chuva h = 18 mm 18 = (AI x 1,4 x 400)/100 F 0 D E AI = 3,2% Portanto, a umidade do solo será = 18 + 3,2 = 21,2% b.5) Qual a quantidade máxima de água que o solo retém AI = CC = 28% h = (28 x 1,4 x 400)/100 = 156,8 mm de água b.6) O que acontece quando aplicarmos 174 mm de água na seguinte situação Horizonte Prof. (cm) PMP (%) CC (%) U (%) Ds (g cm-3) Ap 0 - 25 8 18 10 1,4 A2 25 - 65 15 28 18 1,4 B1 65 - 125 16 32 20 1,5 AI = CC - U Horizonte Ap: h = (8 x 1,4 x 250)/100 = 28 mm Horizonte A2: h = (10 x 1,4 x 400)/100 = 56 mm Horizonte B1: h = (12 x 1,5 x 600)/100 = 108 mm Portanto 28 + 56 + 108 = 192 mm de água (esta é a quantidade de água necessária para molhar os três horizontes e atingir a capacidade de campo de todos eles). Como 174 mm < 192 mm, conclui-se que 174 mm de água não é suficiente para molhar os três horizontes até atingir a capacidade de campo. PAGE 1 Baseado nos cálculos acima pode-se então calcular até que profundidade foi molhada por 174 mm. Água que irá molhar o horizonte B1 = 174 - (28 + 56) = 90 mm 90 = (12 x 1,5 x H)/100 F 0 D E H = 500 mm = 50 cm 2.3.3. DISTRIBUIÇÃO DE POROS POR TAMANHO Num determinado solo a distribuição de poros por tamanho é função da textura e da estrutura. A porosidade total pode ser dividida em: porosidade não capilar ou macroporosidade (poros com diâmetro maior ou igual a 0,05 mm) e porosidade capilar ou microporosidade (poros com diâmetro menor que 0,05 mm). 2.3.3.1. Cálculo do Diâmetro do Poro: h = 2 F 0 7 3 cos F 0 7 1/r F 0 7 2 g Onde: h = altura de ascensão da água F 0 7 3 = tensão superficial da água F 0 7 1 = ângulo de contato da água e as paredes do capilar r = raio do tubo capilar F 0 7 2 = densidade da água g = aceleração da gravidade Assumindo constantes alguns parâmetros da equação acima a mesma pode ser rescrita da seguinte maneira: h = 0,3/d Onde: h = altura de ascensão da água (cm) d = diâmetro do poro (cm) PAGE 1 volume de sólidos. Assim pode-se escrever: e = (Vv/Vs) x 100 Onde: e = índice de vazios (%) Vv = volume de vazios (cm3) Vs = volume de sólidos (cm3) 2.7. DENSIDADE TOTAL A densidade total é expressa pela relação entre a massa total e o volume total. Assim pode-se escrever: D = (M/V) x 100 Onde: D = densidade total (g cm-3) M = massa total (g) V = volume total (cm3) 2.8. EXERCÍCIOS 1) Provar as seguintes equações: a) e = n/(1 - n) b) n = e/(1 + e) c) F 0 7 1 = S n d) n = 1 - (Ds/Dp) e) Ds = (1 - n).Dp f) F 0 7 1 = (U Ds)/Da g) U = (F 0 7 1 Da)/Ds 2) Interprete os seguintes resultados: umidade gravimétrica igual a 5% e umidade volumétrica igual a 5%. 3) Calcular a quantidade de água que deve-se adicionar a 100 g de solo a 5% de umidade gravimétrica para elevar a umidade para 20% em peso. Considere a densidade da água igual a 1 g cm-3. PAGE 1 4) Coletou-se 3 cm3 de solo no campo, cujas características são: Vs = 1,5 cm3, Ms = 3,9 g, Ma= 0,78 g, Mar = 0. Calcular: n, Ds, Dp, U, F 0 7 1 e S. 5) Dado: D = 1,76 Mg m-3, U = 10%, V = 1 m3, Dp = 2,70 Mg m-3 Calcular: Ds, e, n, S, Dsaturada PAGE 1 CAPÍTULO 3 - TEXTURA DO SOLO A textura do solo representa a distribuição quantitativa das partículas individuais do solo quanto ao tamanho. Portanto, para estudar a textura do solo há necessidade de se adotar um determinado sistema de classificação granulométrica. Infelizmente não existe um sistema de classificação granulométrica universalmente aceito para classificar as partículas do solo quanto ao tamanho. Os principais sistemas de classificação são: - USDA (U. S. Department of Agriculture) - ISSS (Int. Soil Science Society) - USPRA (U. S. Public Roads Administration) - BSI (British Standards Institute) - MIT (Massachusetts Institute of Technology) - DIN (German Standards) No Brasil os sistemas de classificação granulométrica mais utilizados são o USDA (classificação americana) e o ISSS (classificação internacional também conhecida como classificação de Atterberg). Estes sistemas estão apresentados no quadro abaixo: Frações USDA (Americana) ISSS (Atterberg) ---------------------Diâmetro (mm)--------------------- Areia Muito Grossa 2 - 1 -------- Areia Grossa 1 - 0,5 2 - 0,2 Areia Média 0,5 - 0,25 -------- Areia Fina 0,25 - 0,10 0,2 - 0,02 Areia Muito Fina 0,10 - 0,05 --------- Silte 0,05 - 0,002 0,02 - 0,002 Argila < 0,002 < 0,002 PAGE 1 3.2.2. Análise Textural ou Mecânica ou Granulométrica A análise Textural é realizada no laboratório e, de um modo geral, consiste de 3 fases: o pré-tratamento, a dispersão e a separação das frações do solo. 3.2.2.1. Pré-Tratamento O pré-tratamento tem por finalidade eliminar os agentes cimentantes, os íons floculantes e os sais solúveis, que podem afetar a dispersão e a estabilidade da suspensão. São exemplos de pré-tratamento: a) Remoção da matéria orgânica (para teores maiores do que 5%): através da oxidação com água oxigenada (H2O2); b) Remoção de carbonatos: através da utilização de ácido clorídrico diluído; c) Remoção de óxido de ferro e alumínio: através da utilização do ditionito- citrato-bicarbonato de sódio. Sua utilização é questionável em solos tropicais; d) Remoção de sais solúveis: realizada através da diálise da amostra de solo. 3.2.2.2. Dispersão A dispersão tem por finalidade conseguir a individualização das partículas do solo. Para se obter a dispersão máxima das amostras de solo há necessidade de se combinar o uso de métodos mecânicos e químicos. Os métodos mecânicos mais usados são: agitação suave e demorada, e agitação violenta e rápida. Já os métodos químicos empregados utilizam o hidróxido de sódio e o hexametafosfato de sódio mais carbonato de sódio (calgon) por serem mais facilmente encontrados no comércio e por serem mais baratos. PAGE 1 3.2.2.3. Separação das Frações Esta fase consiste em separar as frações constituintes da parte sólida do solo. As frações grosseiras (Areias) são separadas através do peneiramento, enquanto as frações mais finas (silte e a argila) são separadas através da sedimentação. 3.3. CÁLCULO DO TEMPO DE SEDIMENTAÇÃO O cálculo do tempo de sedimentação é feito utilizando-se a Lei de Stokes (1951). Esta lei é apresentada a seguir: v = 2/9 . [(Dp - Df) . g . r2]/η mas d = v . t logo a equação acima pode ser escrita como segue: t = (9 . h . η)/[2 . (Dp - Df) . g . r2] Onde: t = tempo de sedimentação (seg) h = profundidade de coleta na proveta (cm) η = viscosidade da água (poise) Dp = densidade de partículas (g cm-3) Df = densidade da água (g cm-3) g = aceleração da gravidade (cm seg-2) r = raio da partícula (cm) Para se usar a Lei de Stokes é necessário “aceitar” algumas condições assumidas pela mesma: a) As partículas são suficientemente grandes para não serem afetadas pelos movimentos térmicos (movimentos Brownianos) das moléculas do fluido; b) As partículas são rígidas, esféricas e lisas; PAGE 1 c) Todas as partículas possuem a mesma densidade; d) A suspensão é suficientemente diluída, de tal modo, que não ocorre interferência de uma com a outra e cada partícula sedimenta independentemente; e) O fluxo ao redor das partículas é laminar. 3.4. MÉTODOS DE ANÁLISE TEXTURAL A análise textural pode ser feita utilizando-se dois métodos: o método da pipeta e o método Bouyoucos (hidrômetro). O método da pipeta baseia-se em coletar uma alíquota da suspensão da qual foi previamente separado as areias e determina-se, então, através de pesagem do material seco, a porcentagem de argila contida na amostra de solo. O silte, por sua vez, será determinado por diferença. Já o método do hidrômetro baseia-se em se determinar a concentração da argila de uma suspensão da qual foi previamente separado as areias. O silte, por sua vez, será determinado por diferença. Maiores detalhes destas duas análises serão dados em aula prática. 3.5. CURVA GRANULOMÉTRICA É a representação gráfica da distribuição das partículas do solo por tamanho. No eixo X plota-se o diâmetro das partículas em milímetro, no eixo Y plota-se a porcentagem acumulada retida e no eixo Y secundário plota-se a porcentagem que passa. No eixo X usa-se uma escala logarítmica enquanto nos eixos Y usa-se a escala natural (figura abaixo). A forma de apresentação da curva granulométrica em escala semi- PAGE 1 3.5.2.1. Outras Relações que podem ser usadas para calcular a PAGE 1 Superfície Específica 3.5.2.1.1. Para uma esfera de diâmetro d: av = 6/d am = 6/Dp . d 3.5.2.1.2. Para um cubo de aresta L: av = 6/L am = 6/Dp . L 3.5.2.1.3. Conhecendo-se a distribuição das partículas do solo que possuem dimensões iguais, como os grãos de Areia e Silte am = (6/Dp) Σ (ci/di) Onde: ci = massa da partícula (forma decimal) di = diâmetro médio da partícula (cm) 3.5.2.1.4. Para uma partícula na forma de placas onde a espessura (l) é desprezível quando comparada com a dimensão principal (L), como no caso da argila am = 2/Dp . l considerando Dp = 2,65 g cm-3, vem: am = 0,75/l Unidades: cm2/g Observação: 1 Å = 10-8 cm 50 µm = 0,050 mm 3.6. EXERCÍCIOS 1) Calcule a superfície específica de: PAGE 1 a) Uma bola de futebol profissional b) Uma bola de ping-pong c) Uma partícula esférica de diâmetro 50 µm d) Uma partícula de caulinita com espessura aproximada de 400 Å e) Uma partícula de montmorilonita com espessura aproximada de 10 Å f) Uma partícula de ilita com espessura aproximada de 50 Å 2) Estimar aproximadamente a superfície específica de um solo composto por 20% de areia grossa, 20% de areia fina, 20% de silte, 10% de caulinita, 15% de ilita e 15% de montmorilonita. 3) Usando a Lei de Stokes, calcule o tempo necessário para: a) Todas as partículas com diâmetro > 50 µm sedimentar a uma profundidade de 20 cm em um meio aquoso a 30 ºC. b) Todas as partículas de silte sedimentarem nas mesmas condições acima. c) Todas as partículas com diâmetro > 1 µm nas mesmas condições acima. PAGE 1 4.2. FATORES QUE AFETAM A FORMAÇÃO DE AGREGADOS 4.2.1. Cátions Os cátions alteram a espessura da dupla camada iônica causando floculação ou dispersão. Exemplo: Ca, Mg, óxido de ferro e alumínio 4.2.2. Matéria orgânica A matéria orgânica atua na agregação do solo como um agente cimentante. Devido a matéria orgânica ser susceptível à decomposição pelos microorganismos, a mesma deve ser reposta continuamente para que se mantenha a estabilidade dos agregados ao longo do tempo (Hillel, 1982). 4.2.3. Sistema de cultura e sistema radicular A influência do sistema de cultivo na agregação é função do sistema radicular, densidade e continuidade da cobertura, modo e freqüência do cultivo e tráfego. As raízes exercem pressões que comprimem os agregados separando dos agregados adjacentes. A absorção de água pelas raízes causa desidratação diferencial, contração e abertura de numerosas trincas pequenas. Os produtos de exudação das raízes aliados à morte contínua das raízes, particularmente do pêlos radiculares, promovem a atividade biológica, a qual resulta na produção de cimentos húmicos. As condições de umidade na hora do cultivo têm grande influência na estabilidade dos agregados. O preparo do solo com alta umidade pode causar compactação, enquanto que o preparo do solo quando seco pode causar pulverização. Portanto, para se preservar os agregados, aconselha-se que o preparo do solo seja feito na zona de friabilidade do solo. PAGE 1 4.2.4. Microorganismos Os microorganismos (bactérias e fungos) do solo cimentam os agregados através de produtos excretados. Dentre os produtos excretados pode-se citar: polissacarídeos, hemiceluloses ou uronides, levans, etc. 4.3. FATORES DESTRUTIVOS DOS AGREGADOS Dentre os fatores destrutivos dos agregados pose-se citar: a) Impacto das gotas de chuva que pode causar desagregação e erosão; b) Preparo excessivo do solo que pode causar compactação e pulverização do solo; c) Aumento da concentração de Na+ relativo a Ca++ e Mg++ causando dispersão; d) Temperatura que pose causar oxidação da matéria orgânica. 4.4. IMPORTÂNCIA DA ESTRUTURA A estrutura do solo é de fundamental importância pois regula processos como: a) Aeração; b) Armazenamento e circulação de água; c) Penetração de raízes; d) Disponibilidade de nutrientes; e) Atividades macro e micro biológicas; f) Temperatura do solo. 4.5. AVALIAÇÃO DA ESTRUTURA A estrutura do solo pode ser avaliada indiretamente através da determinação de algumas propriedades físicas do solo tais como: PAGE 1 a) Densidade do solo; b) Porosidade total; c) Distribuição de poros por tamanho; d) Condutividade hidráulica do solo saturado; e) Estabilidade de agregados; f) Pressão de preconsolidação. Baseado nestas propriedades, Ferreira (1988) fez as seguintes observações constantes na tabela abaixo. Latossolo Ds % Macroporos Ks DMG % Caulinita ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ % Gibbisita ↑ ↓ ↑ ↑ ↑ Tais resultados foram justificados pelo pesquisador baseado em: a) A avaliação micromorfológica da estrutura dos Latossolos cauliníticos revelou que a distribuição dos grãos de quartzo em relação ao plasma é eminentemente porfirogrânica, isto é, os grãos estão envoltos num plasma denso, contínuo, com pouca tendência ao desenvolvimento de microestrutura, implicando no surgimento de estrutura em blocos; b) A avaliação micromorfológica da estrutura dos Latossolos gibbisíticos revelou que a distribuição dos grãos de quartzo em relação ao plasma segue o padrão "agglutinic", isto é, apresenta desenvolvimento de microestrutura com predomínio de poros de empacotamento composto, implicando no surgimento de estrutura do tipo granular. 4.6. CARACTERIZAÇÃO DA ESTRUTURA DO SOLO A estrutura do solo pode ser estudada usando os seguintes métodos: PAGE 1 Onde: n = % dos agregados retidos em uma determinada peneira d = diâmetro médio de uma determinada faixa de tamanho do agregado (mm) 4.7.2. Diâmetro Médio em Peso (DMP) O diâmetro médio em Peso pode ser calculado pela seguinte expressão: n DMP = Σ ni di i=1 Onde: ni = % dos agregados retidos em uma determinada peneira (forma decimal) di = diâmetro médio de uma determinada faixa de tamanho do agregado (mm) 4.7.3. Porcentagem de Agregados Estáveis (PAE) A porcentagem de agregados estáveis pode ser calculada pela seguinte expressão: (Peso total seco dos agregados + areias) - (Peso total seco da areia) PAE = (Peso total seco da amostra) - (Peso total seco da areia) O peso da areia retido é obtido através da agitação mecânica do material retido em cada peneira com um dispersante químico. A seguir lava-se o material disperso na peneira na qual o material ficou retido. PAGE 1 4.8. EXERCÍCIOS 1) Explicar detalhadamente como os fatores físicos, químicos e biológicos afetam a formação e/ou degradação dos agregados. 2) Calcular o diâmetro médio em peso e o diâmetro médio geométrico para a seguinte condição: Classe de tamanho de agregado (mm) Peneiramento Seco Peneiramento Úmido Solo Virgem Solo Cultivado Solo Virgem Solo Cultivado 0 - 0,5 10% 25% 30% 50% 0,5 - 1 10% 25% 15% 25% 1 - 2 15% 15% 15% 15% 2 - 5 15% 15% 15% 5% 5 - 10 20% 10% 15% 4% 10 - 20 20% 7% 5% 1% 20 - 50 10% 3% 5% 0% Discutir os resultados. PAGE 1 CAPÍTULO 5 - CONSISTÊNCIA DO SOLO A consistência do solo pode ser definida como sendo a manifestação das forças de coesão e adesão que se verificam no solo em função da variação da umidade do solo. A força de coesão ocorre entre os corpos de mesma natureza, como por exemplo, a força que ocorre entre as partículas do solo, enquanto que a adesão ocorre entre corpos de diferentes naturezas, como por exemplo, a força que ocorre entre as partículas do solo e as moléculas da água. Com a crescente utilização de máquinas agrícolas, quer no preparo do solo ou na realização de tratos culturais ou até mesmo na realização da colheita, foi induzido, consequentemente, uma maior incidência de tráfego nas áreas cultivadas. Além disso, este tráfego é feito muitas das vezes sem o menor controle da umidade do solo, a qual, entre outros parâmetros, é um dos principais condicionadores da capacidade suporte de carga dos solos. Portanto, modificações na consistência do solo devido à variação na umidade afetará diretamente a resistência do solo ao preparo, bem como sua capacidade suporte de carga e sua resistência à compressão. Assim, o manejo adequado da umidade é de fundamental importância para se evitar a compactação dos solos agrícolas. Finalmente, espera-se que o conhecimento dos limites de consistência do solo poderá ser de grande valia na tomada de decisões de quando determinadas operações agrícolas devam ou não serem realizadas. A mudança na consistência do solo pode ser exemplificada como segue: se em um solo extremamente seco, portanto não moldável plasticamente, adicionarmos progressivamente pequenas quantidades de água, o solo tornará cada vez mais dócil à deformação. A partir de uma determinada umidade U1 o solo se tornará friável. Continuando a adicionar água, o mesmo solo atingirá uma umidade U2, a partir da qual o mesmo será plástico, permitindo ser moldado. Continuando a adicionar mais água, o mesmo solo vai se tornando cada vez mais mole até que, ao atingir a umidade U3, passará a atuar como um PAGE 1 CAPÍTULO 6 - O PROCESSO DE COMPACTAÇÃO DO SOLO O termo compactação do solo refere-se à compressão do solo não saturado durante a qual existe um aumento da densidade do solo em conseqüência da redução do seu volume (Gupta e Allmaras, 1987; Gupta et al., 1989), devido à expulsão de ar dos poros do solo. Quando o fenômeno de redução de volume ocorre com a expulsão de água dos poros do solo este fenômeno passa a se chamar adensamento. Em ambos os casos esta redução de volume ocorre devido ao manejo inadequado do solo. Entretanto, quando a redução de volume ocorre devido a processos pedogenéticos este fenômeno denomina-se adensamento. Como exemplo de camada adensada pode-se citar: Bt, fragipans, duripans, crosta laterítica, etc. A curva de compressão do solo tem sido utilizada para simular estas reduções de volume do solo (Larson et al., 1980; Larson e Gupta, 1980; Bailey et al., 1984; Bailey et al., 1985; Bailey et al., 1986; Bailey e Johnson, 1989; Bingner e Wells, 1992; O'Sullivan, 1992; MacNabb e Boersma, 1993; Dias Junior, 1994). Esta curva representa graficamente a relação entre o logaritmo da pressão aplicada e algum parâmetro relacionado com o estado de empacotamento do solo, mais freqüentemente, o índice de vazios ou a densidade do solo (Casagrande, 1936; Leonards, 1962; Holtz e Kovacs, 1981). Quando o solo não sofreu nenhuma pressão prévia, esta relação é linear e a aplicação de qualquer pressão resultará em deformações não recuperáveis (Larson et al., 1980; Larson e Gupta, 1980; Culley e Larson, 1987; Gupta e Allmaras, 1987; Lebert e Horn, 1991), causando, portanto, compactação adicional do solo (Dias Junior, 1994). Entretanto, quando o solo já experimentou pressões prévias e/ou ressecamento, a variação das pressões atuando sobre o solo resultará em alguma deformação, a qual poderá ser relativamente pequena e recuperável (não causando compactação adicional) ou não recuperável, causando compactação adicional (Stone e Larson, 1980; Gupta et al., 1989; Lebert e Horn, 1991; Dias PAGE 1 Junior, 1994). Assim, um aumento da densidade do solo em conseqüência de uma redução no seu volume pode ou não causar compactação adicional. Portanto, para se ter uma agricultura sustentável é importante conhecer os níveis de pressões que o solo suportou no passado e/ou a umidade do solo no momento das operações agrícolas, para que a compactação adicional seja evitada. Através destes conceitos espera-se explicar os efeitos benéficos (Smucker e Erickson, 1989; Raghavan e Mckyes, 1983) e adversos (Parish, 1971; Gupta e Allmaras, 1987; Raghavan et al., 1990) da compactação do solo. Pesquisadores têm demonstrado claramente o efeito da compactação nas propriedades físicas do solo (Barnes et al., 1971; Gupta et al., 1985; Larson et al., 1989; Soane e van Ouwerkerk, 1994). A compactação aumenta a densidade do solo e a sua resistência mecânica (Grohmann e Queiroz Neto, 1966; Trouse, 1971; Taylor, 1971; Hillel, 1982; Moraes, 1984; Rosa Junior, 1984; Schultz, 1978; Lebert, et al., 1989; Wagger e Denton, 1989; Hill e Meza-Montalvo; 1990; Lebert e Horn, 1991) e diminui a porosidade total, tamanho e continuidade dos poros (Warkentin, 1971; Hillel, 1982; Moraes, 1984; Smucker e Erickson, 1989). Reduções significativas ocorrem, principalmente, no volume dos macroporos, enquanto os microporos permanecem inalterados (Hillel, 1982). A compactação do solo pode ter efeitos benéficos ou adversos (Parish, 1971; Gupta e Allmaras, 1987; Smucker e Erickson, 1989; Raghavan et al., 1990). Efeitos benéficos têm sido atribuídos à melhoria do contato solo-semente (Smucker e Erickson, 1989) e aumento da disponibilidade de água em anos secos (Camargo, 1983; Raghavan e Mckyes, 1983). Entretanto, a compactação excessiva pode limitar a adsorsão de nutrientes, infiltração e redistribuição de água, trocas gasosas, e o desenvolvimento do sistema radicular (Grohmann e Queiroz Neto, 1966; Moura Filho e Buol, 1972; Alvarenga et al., 1983; Oliveira et al., 1983; Smucker e Erickson, 1989; Bicki e Siemens, 1991), causando uma diminuição no tamanho e uniformidade das plantas o que pode resultar em decréscimo da produção, aumento da erosão e aumento da potência necessária para o preparo do solo PAGE 1 (Soane, 1990). A facilidade com que o solo não saturado decresce de volume quando sujeito a pressões é chamada compressibilidade (Gupta e Allmaras, 1987). A compressibilidade do solo é função de fatores externos e internos (Lebert e Horn, 1991). Os fatores externos são caracterizados pelo tipo, intensidade e freqüência da carga aplicada (Koolen e Kuispers, 1983; Horn, 1988; Horn, 1989; Raghavan et al., 1990; Lebert e Horn, 1991), enquanto os fatores internos são influenciados pela história de tensão (Harris, 1971; Horn, 1988; Gupta et al., 1989; Reinert, 1990, Dias Junior, 1994), umidade do solo (Gupta et al., 1985; Bailey et al., 1986, Dias Junior, 1994), textura do solo (Silva, 1984; Gupta et al., 1985; Horn, 1988; McBride, 1989, Dias Junior,1994), estrutura do solo (Dexter e Tanner, 1974; Horn, 1988), e densidade inicial do solo (Gupta et al., 1985; Culley e Larson, 1987; Reinert, 1990, Dias Junior, 1994). Para uma mesma condição, o fator que governa a quantidade de deformação que poderá ocorrer no solo é a umidade (Dias Junior, 1994). Assim, quando os solos estão mais secos, a sua capacidade de suporte de carga pode ser suficiente para suportar as pressões aplicadas e a compactação do solo pode não ser significativa (Trouse, 1971; Taylor, 1971; Larson e Allmaras, 1971, Dias Junior, 1994). Entretanto, qualquer compactação é detrimental para as plantas sob condições de alta umidade (Swan et al., 1987), o que pode causar redução na produção (Negi et al., 1980; Carter, 1985; Gameda et al., 1985; Negi et al., 1990; Bicki e Siemens, 1991). Em áreas que possuem uma pequena estação de crescimento de plantas, as operações de preparo do solo são realizadas assim que os solos são considerados trafegáveis, entretanto, sob estas condições os solos provavelmente ainda estão muito úmidos para serem trafegados (Håkansson et al., 1988) e este tráfego freqüentemente resultará em deformações não recuperáveis (compactação do solo). Para tentar uma solução alternativa para este problema, Dias Junior (1994) sugeriu um modelo de compressibilidade que prediz a máxima pressão que o solo pode suportar para diferentes umidades sem PAGE 1 Johnson, 1989); e 3) ensaio de cisalhamento direto (MacNabb e Boersma, 1993) têm sido utilizados empregando amostras saturadas (MacNabb e Boersma, 1993) e amostras não saturadas (Bailey e VandenBerg, 1968; Dexter e Tanner, 1973; Larson et al., 1980; Larson e Gupta, 1980; Bailey et al., 1984; Bailey et al., 1985; Bailey et al., 1986; Lebert e Horn, 1991; O'Sullivan, 1992). Desta forma, verifica-se que não existe uma padronização da metodologia que deve ser utilizada na modelagem da compactação dos solos. A curva de compressão do solo, entretanto, tem sido usada como base comum para estimar a susceptibilidade do solo à compactação (Larson et al., 1980; Larson e Gupta, 1980; Bailey et al., 1984; Bailey et al., 1985; Bailey et al., 1986; Bailey e Johnson, 1989; Bingner e Wells, 1992; O'Sullivan, 1992; MacNabb e Boersma, 1993). Quando o solo não sofreu nenhuma pressão prévia, a curva de compressão do solo é linear (Larson e Gupta, 1980; Larson et al., 1980; Culley e Larson, 1987; Gupta e Allmaras, 1987; Lebert e Horn, 1991), entretanto, quando o solo já experimentou pressões prévias ou ressecamento, a variação das pressões atuando sobre o solo determinará a formação de duas regiões distintas na curva de compressão do solo: a curva de compressão secundária e a reta de compressão virgem (Stone e Larson, 1980; Gupta et al., 1989; Lebert e Horn, 1991). A curva de compressão secundária representa os níveis de pressões experimentadas pelo solo no passado, enquanto que a reta de compressão virgem representa os níveis de pressões nunca experimentadas pelo solo. Entretanto, é na região da curva de compressão secundária que o solo deve ser cultivado ou trafegado sem que deformações não recuperáveis ocorram. É este componente da curva de compressão do solo que reflete a história de tensão do solo e que está sendo negligenciado na agricultura (Dias Junior, 1994). A pressão de preconsolidação tem sido usada para indicar o ponto de separação entre estes dois casos. Assim, a pressão de preconsolidação divide a curva de compressão do solo em duas regiões: (a) uma região de deformações pequenas, elásticas e recuperáveis (curva de compressão secundária); e (b) uma PAGE 1 região de deformações plásticas e não recuperáveis (reta de compressão virgem). Portanto, na agricultura, a aplicação de pressões maiores do que a maior pressão previamente aplicada no solo deve ser evitada (Gupta et al., 1989; Lebert e Horn, 1991), para que deformações não recuperáveis não ocorram. Assim, a pressão de preconsolidação deve ser a pressão máxima que deve ser aplicada ao solo para que compactação adicional seja prevenida. Apesar de Lebert et al. (1989) e Lebert e Horn (1991) terem estimado, através de regressão linear múltipla, a pressão de preconsolidação usando propriedades físicas e mecânicas dos solos e de Bailey et al. (1984); Bailey et al. (1985); Bailey et al. (1986); Bailey e Johnson (1989) e Bingner e Wells (1992) terem modelado a curva de compressão do solo, existem poucos modelos que estimam a pressão máxima que o solo pode suportar sem que compactação adicional ocorra, para diferentes umidades, com base na pressão de preconsolidação (Dias Junior, 1994). Assim, a maioria dos modelos (Bailey e VandenBerg, 1968; Amir et al., 1976; Larson et al., 1980; Gupta et al., 1985; Lebert e Horn, 1991; Bingner e Wells, 1992) usados para avaliar a compactação do solo têm dado ênfase à reta de compressão virgem, a qual define deformações plásticas e não recuperáveis e é geralmente bem descrita para altas umidades (Larson e Gupta, 1980; Gupta et al., 1985; Gupta e Allmaras, 1987; Horn, 1989). Kassa (1992) mostrou que a pressão crítica na qual os agregados do solo sofrem cisalhamento é maior do que a pressão de preconsolidação. Isso implica que a pressão crítica na qual os agregados do solo sofrem cisalhamento está localizada na reta de compressão virgem, onde deformações não recuperáveis (compactação adicional) ocorrem. Portanto, é de se esperar que os modelos baseados na pressão crítica na qual os agregados do solo sofrem cisalhamento (Larson e Gupta, 1980) superestimam a capacidade de suporte do solo, causando, consequentemente, compactação adicional, visto que a pressão crítica na qual os agregados do solo sofrem cisalhamento é maior do que a pressão de preconsolidação. PAGE 1 Considerando estes aspectos, Dias Junior (1994) desenvolveu um modelo de compressibilidade que prediz a pressão máxima que o solo pode suportar para diferentes umidades, sem causar compactação adicional, tomando como base a pressão de preconsolidação. Este modelo fornece informações acerca de quando um solo pode ser cultivado ou trafegado sem sofrer compactação adicional. Entretanto, se faz necessário a geração deste modelo para as condições brasileiras e ainda a sua validação a nível de campo. Finalmente, acredita-se que o uso dos modelos de previsão da compactação do solo promoverá um aumento do entendimento do processo de compactação com conseqüente minimização deste problema. Entretanto, para se obter um modelo dentro da realidade se fazem necessárias a correta observação, coleta, organização, interpretação dos dados e finalmente a construção do modelo (Yaalon, 1994) e posteriormente a sua validação a nível de campo. Contudo, um modelo, seja ele numérico ou gráfico, é uma simplificação da realidade, o que requer um entendimento dos processos da natureza bem como de suas interações para evitar que o modelo gerado seja inadequado (Yaalon, 1994). Tabela 1. Relações entre propriedades físicas do solo usadas para avaliar a compactação do solo. Referências Relações Söhne, 195 n = m ln σ + no PAGE 1 Bailey e Johnson, 1989 F 0 6 5v = (A + Bσoct)(1 - e-Cσoct) + E(τoct/ σoct) ln ρb = ln ρbi - (A + Bσoct) (1 - e-Cσoct) + E(τoct/σoct) Tabela 1 (cont.) Lebert et al., 1989 σp = 2.1592 ρb + 0.234 LK + 0.0360 AWC + 0.0770 NAWC - 3.426 σp = (3.0975 ρb - 0.0475 Cl - 0.0280U - 0.9659 log s +0.3369 LK - 0.0268 ψ + 2.1330 log c + 0.0839)2 Raper e Erbach, 1990 a F 0 6 5v = exp[(A + Bσh)(1 - e-Cσh)]-1 Raper e Erbach, 1990 b {σ} = [c] {F 0 6 5} Reinert, 1990 σp = - 263 - 2.66 S + 322 ρbi Canarache, 1991 log RP = - 4.14 + 0.0858 ρb - 0.000347ρb2 Lebert e Horn, 1991 e = B + m log σ σp = f(φ, c ,ρb, LK, AWC, NAWC, Kf, OC) Wlodek, 1991 ρb = ρbi [z/(z + Δz)] Binger e Wells, 1992 Curva de compressão secundária ρb = ρbi* + ms log (σ/σk) Reta de compressão virgem ρb = ρbk + ST(S1 - Sk) + m log (σ/σk) O'Sullivan, 1992 υ = υr - m ln(σ/σr)- b(ω - ωr) ρb = ρbk + ST(S1 - Sk) + m log (σ/ σk) McNabb e Boersma, 1993 ln ρb = ln(ρbi*δi) - (A + Bσ +Jδc) (1 - e- Cσ) δi = ρbi/ρbiavg δc = (δi - 1) ρbi PAGE 1 Dias Junior, 1994 Modelo baseado na História de Tensão σp = 10 (a + b ω) Modelo baseado na Reta de Compressão Virgem ρ bfinal = ρσb + m log (σfinal/σp) Onde: a Intercepto vertical no eixo q A, B, C, E Parâmetros do solo AH, BH, CH Parâmetros do solo determinados em ensaios de compressão triaxiais durante carregamento hidrostático, (τoct = 0) AWC Água disponível b Constante c Coesão [C] Matriz tensão deformação CI Índice de Cone CIo Índice de Cone inicial Cl Teor de argila Cp Razão entre σ3 e σ1 D Densidade de Partícula Do Densidade do solo máxima Dopt Grau de compactação ótimo e Índice de vazios E Coeficiente da componente da deformação natural devido à tensão cisalhante F Tensão de compactação PAGE 1 Fe Ferro ditionito J Parâmetros de ajuste da curva de compressão H Teor de húmus k, L Medida da rapidez na qual a máxima densidade é obtida com o aumento da pressão, σ kf Condutividade hidráulica saturada Lk Aeração LL Limite de liquidez n Porosidade NAWC Água não disponível no Porosidade inicial m Índice de compressão íon index ms Declividade da curva de compressão secundaria OC Teor de C orgânico R Razão da máxima tensão cisalhante e a tensão normal média s Teor de areia S Grau de saturação Su Resistência ao cisalhamento não drenada RP Resistência a penetração na capacidade de campo S1 Grau de saturação desejado ST Declividade da curva densidade do solo vs grau de saturação PAGE 1 σh Tensão confinante σi Tensão inicial σk Tensão aplicada = 98 kPa σm Tensão normal média σn Tensão normalizada para um = 1 σoct = (σx + σy + σz)/3 Tensão normal média ou tensão normal octaedral ou pressão esferoidal σp Pressão de preconsolidação σr Tensão residual (solo sem pressão de preconsolidação, σr=0) σs Pressão aplicada para u = 0 σx Pressão relativa ao eixo dos x σz Pressão relativa ao eixo dos z σ' Pressão vertical efetiva τmax Pressão de cisalhamento máxima τoct Tensão de cisalhamento octaedral υ Volume específico = volume total/volume dos sólidos υr Volume específico para σr = 100 kPa e ωr = 0.20 kg kg-1 ψ Ângulo de fricção interno em graus 6.2. DIAGNÓSTICO DA COMPACTAÇÃO DO SOLO Os sintomas de compactação do solo podem ser observados tanto no solo quanto na planta. De acordo com Ferreira (1993), dentre os sintomas observados PAGE 1 nos solos compactados pode-se destacar: 6.2.1. No solo • Presença de crostas • Aparecimento de trincas nos sulcos de rodagem do trator • Zonas endurecidas abaixo da superfície do solo • Empoçamento de água • Erosão pluvial excessiva • Presença de resíduos vegetais parcialmente decompostos muitos meses após sua incorporação • Necessidade de maior potência das máquinas de cultivo. 6.2.2. Na planta • Baixa emergência das plantas • Variação no tamanho das plantas • Folhas amarelecidas • Sistema radicular pouco profundo • Raízes mal formadas 6.3. MEDIDAS PREVENTIVAS PARA EVITAR A COMPACTAÇÃO DO SOLO Os solos variam grandemente na sua susceptibilidade à compactação. A persistência das camadas compactadas além da cultura atual causada pelo prévio tráfego já foi relatado por diversos pesquisadores. Alguns estudos mostraram que os efeitos da compactação são temporariamente prejudiciais. Entretanto, na maioria dos casos, pequenas ou nenhuma modificação foi observada. Portanto, PAGE 1 a restauração da compactação do solo, se possível, é de alto custo e consome muito tempo. Assim, a melhor estratégia para evitar a compactação é a sua prevenção. A seguir serão apresentadas algumas medidas sugeridas por Larson et al. (1994), que puderam levar à prevenção da compactação do solo. 6.3.1. Manejo da água do solo A susceptibilidade dos solos à compactação é função da umidade do solo. Portanto, o manejo da água é muito importante no manejo da compactação do solo. O manejo da água do solo pode ser feito por drenagem ou irrigação sendo seu objetivo final a modificação da consistência do solo como pode ser visto no seguinte diagrama. Limites LC LP LL Estado sólido Semi-sólido plástico líquido Consistência Duro Friável Plástico Líquido Resistência ao preparo Alta Baixa Média Muito baixa Capacidade suporte de carga Alta Alta a moderada Baixa Muito baixa Resistência à compressão Muito alta Alta a moderada Baixa Alta Apesar do diagrama acima proposto por Larson et al. (1994) apresentar uma classificação qualitativa da capacidade suporte de carga dos solos, esta classificação não nos permite quantificar os níveis de pressões que podem ser aplicados aos solos em função da sua umidade. Assim, uma outra alternativa para auxiliar no manejo da água é a utilização de modelos matemáticos que quantifiquem a capacidade suporte de carga do solo em função da umidade como os desenvolvidos por Dias Junior (1994). Estes modelos apresentam uma PAGE 1 de penetração, são características desejáveis nas plantas para tornar os efeitos da compactação menos severos. PAGE 1 6.4. ENSAIOS DE LABORATÓRIO USADOS NA INVESTIGAÇÃO PAGE 1 DA COMPACTAÇÃO DO SOLO Os ensaios de laboratório mais utilizados na investigação da compactação dos solos são: 6.4.1. Ensaio de Compressibilidade Este ensaio consiste, basicamente, em aplicar sucessiva e continuamente pressões crescentes e pré-estabelecidas a uma amostra de material de solo na condição parcialmente saturada. Este ensaio permite obter a curva de compressão do solo a qual é representada por um gráfico no qual plota-se no eixo X os valores das pressões aplicadas em escala logarítmica e no eixo Y plota-se os valores da densidade do solo ou do índice de vazios em escala natural. No estudo da compressibilidade dos solos agrícolas tem-se usado mais freqüentemente a densidade do solo do que o índice de vazios. Da curva de compressibilidade do solo obtém-se a pressão de preconsolidação usando o método clássico de Casagrande (1936) ou o método proposto por Dias Junior e Pierce (1995). O método gráfico, proposto por Casagrande (1936), é baseado na escolha do ponto de raio mínimo ou de máxima curvatura da curva de compressibilidade do solo. Entretanto, tem sido mostrado na literatura que a medida que aumenta as perturbações na amostra indeformada (Schmertmann, 1955; Brumund et al., 1976; Holtz e Kovacs, 1981) ou a medida que são usadas, no ensaio de compressibilidade, amostras com alta umidade (Dias Junior e Pierce, 1995), fica difícil a escolha do ponto de máxima curvatura pois as curvas de compressão do solo ficam praticamente quase lineares. Assim, este método é gráfico, manual e subjetivo. O método proposto por Dias Junior e Pierce (1995), usa-se uma planilha eletrônica de fluxo livre para estimar a pressão de preconsolidação. Como PAGE 1 a) Plotar a curva de compactação. b) Determinar a densidade do solo máxima, bem como sua umidade ótima de compactação. c) Calcule o grau de saturação para cada umidade ótima. d) Plote as curvas de 100, 90, 80 e 70% de saturação. e) Interprete os resultados Sabe-se que: Ds = (ρágua S)/[U + (ρágua S/Dp)] ρágua = 1,0 Mg m-3 Dp = 2,64 Mg m-3 2) Você está verificando a compactação de uma camada de solo compactado no campo. A curva de compactação de laboratório foi obtida dos seguintes valores: Ds (g cm-3) Umidade (%) 1,68 14 1,70 16 1,71 18 1,70 20 1,67 22 1,63 24 As especificações do projeto são: - grau de compactação de 95% PAGE 1 - umidade = umidade ótima ± 2% Você coletou uma amostra na camada compactada de 936,48 cm3 de volume, peso úmido igual a 1816 g e peso seco de 1543 g. a) Qual a densidade do solo da camada compactada? b) Qual a umidade da camada compactada? c) Qual o grau de compactação da camada? (GC = Ds/Ds máx) d) A camada compactada satisfaz às especificações do projeto? e) Se a Dp = 2,70 Mg m-3, qual é o grau de saturação da camada compactada? f) Se a amostra for saturada mantendo a mesma densidade do solo, qual será a umidade de saturação? 3) Usando as expressões matemáticas estudadas anteriormente deduza a seguinte expressão: Ds = (ρágua S)/[U + (ρágua S/Dp)] 4) Uma carga concentrada de 109 dyn (1000 kg) é aplicada à superfície do solo. a) Estimar a pressão vertical a 0,01; 0,10 e 0,30 metros de profundidade diretamente debaixo do ponto de aplicação da carga e a 0,30; 1; 2 e 4 metros de distância horizontal do ponto de aplicação da carga. Sabe-se que: P = (F . A )/z2 Onde; P = pressão vertical (bar) F = carga concentrada aplicada (dyn) A = 3/{2F 0 7 0 [1 + (r/z)2]5/2} r = distância horizontal do ponto de aplicação da carga (m) z = profundidade (m) b) Exprimir os valores das pressões verticais no sistema internacional de unidades. PAGE 1 c) Represente os resultados graficamente. PAGE 1 • Teor acima da capacidade de campo • Localizada nos macroporos • Permanência efêmera no solo • Removida facilmente pela drenagem • Provoca lixiviação no solo • Água retida no solo sob sucção abaixo de 0,1 atm 7.2.2. Água capilar Caracterizada por: • Teor compreendido entre a umidade higroscópica e a capacidade de campo • Localizada nos microporos • Parcialmente permanente no solo • Não removida pela drenagem • Água retida no solo sob sucção entre 0,1 e 31 atm • Atua como solução do solo 7.2.3. Água higroscópica Caracterizada por: • Localizada próxima da superfície das partículas do solo • Permanente no solo • Removida apenas no estado de vapor • Água retida no solo sob sucção entre 31 e 10.000 atm Esta classificação não é mais válida atualmente devido ao fato de que toda água do solo é afetada pela gravidade da terra e não somente parte da água como sugerido pela classificação acima. Entretanto, muitos ainda a adota simplesmente por efeito didático. PAGE 1 PAGE 1 7.3. CONSTANTES DE UMIDADE 7.3.1. Umidade higroscópica Umidade higroscópica é a máxima quantidade de água que o solo é capaz de absorver da atmosfera, em forma de vapor, e manter o equilíbrio com o ambiente. É a umidade da TFSA. 7.3.2. Umidade de murchamento É a umidade que o solo mantém quando ocorre o murchamento permanente da planta. É considerada como sendo a umidade retida a 15 atm. É considerada, ainda, como sendo o limite inferior da faixa de água disponível para as plantas. 7.3.3. Umidade de equivalente (Ueq) É a umidade que uma amostra de solo retém quando, depois de saturada, é submetida durante 30 minutos à centrifugação com velocidade correspondente a 1.000 vezes a gravidade. Através de sua determinação pode-se estimar o ponto de murcha permanente (PMP) e capacidade de campo (CC) pelas seguintes expressões: PMP = 0,68 Ueq e CC = 1,3 Ueq 7.3.4. Capacidade de Campo É a umidade retida no solo depois que o excesso de água percolante tenha sido drenado. É considerado como sendo o limite superior da faixa de água disponível para as plantas. A literatura apresenta diferentes valores para este parâmetro, entretanto, tem-se usado com mais freqüência 0,33 atm para os solos argilosos e 0,10 atm para os solos arenosos. PAGE 1 7.4.2. Potencial de pressão (Ψp) O potencial de pressão aplica-se somente para solos saturados. Portanto, sua determinação é feita medindo-se a distância do ponto à superfície da água. No campo, sua determinação é feita usando o piezómetro. 7.4.3. Potencial de matricial (Ψm) O potencial matricial é o resultado de forças capilares e de adsorção que surgem devido à interação entre a água e as partículas sólidas. O potencial matricial somente existe para a condição de solos parcialmente saturados. Sua determinação é feita usando-se tensiômetros, unidade de sucção e extrator de placa porosa. Matematicamente pode ser calculado pelas expressões: Ψm = - 12,6 h + h1 + h2 ou Ψm = - 12,6 h + h0 A representação gráfica de h, h0, h1 e h2 pode ser vista na figura abaixo. PAGE 1 7.4.3.1. Unidades da componente matricial As unidades usadas na medida da componente matricial são: atmosfera, cm de coluna d'água, e pF. A unidade pF é definida como sendo o logaritmo decimal da altura de coluna d'água em cm. Assim, o pF de uma coluna d'água de 1000 cm é igual a 3. 7.4.4. Potencial osmótico (Ψos) A água do solo é uma solução de sais minerais o que causa o aparecimento do potencial osmótico. O potencial osmótico torna-se importante no potencial total de água quando a concentração salina é significante, o que acontece quando a umidade é baixa e quando existe acumulo de sais em certas regiões, como é o caso das proximidades de fertilizantes aplicados ao solo e superfície de um solo salino, sujeito a evaporação intensa. Na maioria dos solos, porém, a componente osmótica é desprezível, principalmente quando a umidade do solo não é muito baixa. Concentrações típicas são 10-3 ou 10-4 mol/L, o que implica em valores desprezíveis da componente osmótica. O potencial osmótico é determinado usando a seguinte expressão: Ψos = -RTC Onde: R = 0,082 (atm L/mol ok) T = temperatura absoluta (ok), sabe-se que Tk = 273 + Tc C = concentração (mol/L) 7.5. CURVA CARACTERÍSTICA DE ÁGUA DO SOLO OU CURVA DE RETENÇÃO PAGE 1 A curva característica de água do solo é a representação gráfica das relações umidade-potencial matricial (Figura abaixo). Os aparelhos utilizados para a determinação da curva característica de água do solo são a unidade de sucção (0 - 0,1 atm), extrator de placa porosa para sucção média (0,1 - 1,0 atm) e o extrator de placa porosa para sucção alta (1 - 20,0 atm). 7.5.1. Características da curva de retenção de água do solo • São específicas para cada solo, podendo ocorrer variações entre horizontes de um mesmo perfil do solo • Para altos teores de umidade há predominância de fenômenos capilares, função da densidade e da estrutura do solo • Para baixos teores de umidade há predominância de fenômenos de adsorção, função da textura e superfície específica do solo • Desde que a distribuição dos poros quanto ao tamanho não varie com o tempo, a curva característica de água do solo é única e não precisa ser determinada anualmente • Sua representação é feita em papel monolog, pois expande a faixa de baixa sucção de interesse para a irrigação. Se usar a escala natural, expressar a sucção em pF. • Permite estimar o potencial matricial conhecendo a umidade ou vice-versa. PAGE 1 5) Na coluna de solo abaixo o nível de água é mantido no ponto G e atingiu um estado de equilíbrio com a água pingando no ponto L, portanto, existe fluxo de água. Calcule o ΨT, Ψg, Ψm e o Ψp para os pontos G, H, I, J, K, e L da figura. PAGE 149 Mar = 0 CAPÍTULO 8 – DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO SOLO Os métodos de determinação da umidade do solo podem ser classificados em diretos e indiretos. 8.1. MÉTODO DIRETO 8.1.1. Método da estufa Este método consiste em se determinar a massa de uma amostra de solo antes e depois da secagem em estufa a 105 - 110 °C durante 24 horas ou até massa constante, e calcular a umidade pela expressão: massa de água U = x 100 massa do solo seco Um inconveniente deste método é que consome muito tempo sendo inviável a obtenção dos resultados instantaneamente. 8.1.2. Método do fogareiro calibrado com o método da estufa Este método consiste em aquecer uma amostra de solo em uma frigideira durante 15 minutos usando um fogareiro a gaz. Determina-se, então, a umidade utilizando a expressão do método da estufa. Para corrigir a umidade para o método da estufa basta usar a expressão obtida por Pacheco e Dias Junior (1990). Esta expressão é apresentada a seguir: Uestufa = 0,9778 Ufogareiro - 2,6095 .................. R2 = 0,99093 Como vantagem deste método pode-se citar a facilidade na sua execução, pois é um método rápido, barato e simples o que permitiria ao produtor rural ter pelo menos uma idéia da umidade do solo. 8.2. MÉTODOS INDIRETOS PAGE 149 Mar = 0 Os métodos indiretos envolvem a medição de alguma propriedade do solo que é afetada pela umidade ou instalando algum objeto dentro do solo, o qual entrará em equilíbrio com a umidade do solo. Dentre os métodos indiretos pode-se citar: 8.2.1. Método baseado nas propriedades elétricas do solo Este método baseia-se na correlação da passagem da corrente elétrica e a umidade do solo. Para a obtenção desta correlação, instala-se no solo corpos porosos constituídos de um par de eletrodos envoltos por gesso, nylon ou fibra de vidro. As leituras só devem ser feitas quando estes corpos entrarem em equilíbrio com a umidade do solo. Existem dois métodos para a determinação da umidade baseado na medida das propriedades elétricas do solo, quais sejam: 8.2.1.1. Método de Bouyoucos Este método usa como corpo poroso um bloco de gesso e mede a resistência à passagem da corrente elétrica de um solo em função de sua umidade. 8.2.1.2. Método de Colman Este método usa como corpo poroso um bloco de fibra de vidro revestido por uma chapa de aço inox e mede a quantidade de corrente elétrica que passa em um solo em função de sua umidade. Tanto na instalação quanto no uso destes blocos alguns problemas podem ocorrer. De acordo com Freire (sem data), os problemas que podem ocorrer são: • São afetados pela histerese • Contato entre bloco e solo PAGE 149 Mar = 0 ρb = densidade do solo S = espessura da coluna de solo 8.2.5. Método TDR (Time Domain Reflectometry) O TDR é um método indireto de determinação da umidade do solo, o qual baseia-se na determinação das características de propagação das ondas eletromagnéticas no solo. O sistema consiste de um transmissor/receptor de ondas, cabos e hastes metálicas de comprimento conhecido que servem para conduzir as ondas. No final da linha de transmissão o sinal é refletido. O tempo de viagem da onda depende das propriedades dielétricas do meio. Portanto, o TDR permite medir o tempo de viagem do sinal com o qual pode-se calcular a constante dielétrica do solo. De posse da constante dielétrica do solo calcula-se a umidade do solo usando as seguintes equações (Topp et al., 1980). Ka = (c . t/2 . L)2 Onde: Ka = constante dielétrica do solo c = velocidade de propagação da onda eletromagnética no espaço livre (3 x 1010 m/s) t = tempo de viagem da onda L = comprimento da haste metálica e θ = -0,053 + 0,029 Ka - 5,5 x 10-4 Ka2 + 4,3 x 10-6 Ka3 Onde: θ = umidade volumétrica (m3 m-3) Com algumas vantagens deste método podemos citar (Pierce, 1991): • Operação segura • É possível fazer medições na superfície do solo • Possibilita medições em qualquer condição de umidade, apresentando algum PAGE 149 Mar = 0 problema quando o solo está muito seco ou próximo à saturação • Permite medições no campo e no laboratório • Fácil transporte (portátil), instalação e calibração • Permite medições contínua • Permite medições no sentido horizontal, vertical e inclinado 8.3. EXERCÍCIOS 1) Uma amostra de solo possui umidade gravimétrica de 5%. Quantos gramas de água e quantos centímetros cúbicos (Dágua = 1 g cm-3) serão necessários para passar a umidade de 3 kg deste solo a 20% gravimétrica. 2) O peso úmido de uma amostra de solo coletado no campo foi de 350 g e o peso seco em estufa a 105 - 110 oC de 300 g. O volume do cilindro amostrador é de 250 cm3. Calcular a umidade gravimétrica e volumétrica. 3) Determinar a porosidade livre de água do solo do exercício anterior. Considerar Dp = 2,65 g cm-3 4) A umidade gravimétrica de saturação de um solo é 35%. O peso de 600 cm3 do solo saturado é de 1053 g e quando seco em estufa a 105 - 110 oC 780 g. Determinar a porosidade total do solo. 5) Se o solo do exercício anterior for parcialmente drenado a 150 g de água, qual o seu grau de saturação após a drenagem? Qual a sua umidade volumétrica? Qual a porosidade livre de água quando sua umidade gravimétrica for igual a 19,2%? PAGE 149 Mar = 0 PAGE 149 Mar = 0