Baixe Propriedades física do solo e outras Notas de estudo em PDF para Agronomia, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE CIÊNCIAS RURAIS Propriedades física do solo Dalvan José Reinert e José Miguel Reichert Santa Maria, Maio de 2006 1 Propriedades físicas do solo Os solos minerais são constituídos por uma mistura de partículas sólidas de natureza mineral e orgânica, ar e água, formando um sistema trifásico, sólido, gasoso e líquido. As partículas da fase sólida variam grandemente em tamanho, forma e composição química e a sua combinação nas várias configurações possíveis forma a chamada matriz do solo. Considerando o solo como um corpo natural organizado, portanto ocupando dado espaço, a recíproca da matriz do solo forma a porosidade dos solos. Outro fator que interfere diretamente na porosidade dos solos refere-se à maneira com que as partículas sólidas se arranjam na formação dos solos. Duas propriedades físicas, hierarquicamente mais importantes, referem-se a textura do solo, que é definida pela distribuição de tamanho de partículas, e a estrutura do solo definida pelo arranjamento das partículas em agregados. A porosidade do solo, por sua vez, é responsável por um conjunto de fenômenos e desenvolve uma série de mecanismos de importância na física de solos, tais como retenção e fluxo de água e ar, e, se analisada conjuntamente com a matriz do solo, gera um grupo de outras propriedades físicas do solo associadas às relações de massa e volume das fases do sistema solo. Não menos importante são as propriedades associadas à reação mecânica do solo à aplicação de forças externas. A física de solos estuda e define, qualitativa e quantitativamente, as propriedades físicas, bem como sua medição, predição e controle, com o objetivo principal de entender os mecanismos que governam a funcionalidade dos solos e seu papel na biosfera. A importância prática de se entender o comportamento físico do solo está associada ao seu uso e manejo apropriado, ou seja, orientar irrigação, drenagem, preparo e conservação de solo e água. A definição de um solo fisicamente ideal é difícil devido ao tipo e natureza das variações físicas dos solos que ocorrem ao longo da profundidade do solo, na superfície da paisagem e ao longo do tempo. Um exemplo clássico refere-se ao suprimento de água e ar que variam continuamente junto com os ciclos de umedecimento e secagem, que ocorrem com a alternância de chuva e estiagem. Um solo é considerado fisicamente ideal para o crescimento de plantas quando apresenta boa retenção de água, bom arejamento, bom suprimento de calor e pouca resistência ao crescimento radicular. Paralelamente, boa Menor micro e maior macroporosidade Maior micro e menor macroporosidade Baixa retenção de água Alta retenção de água Boa drenagem e aeração Drenagem lenta e pouco arejado (se pouco agregados) Menor densidade do solo Maior densidade do solo Aquece rápido Aquece lentamente Resiste à compactação Maior susceptibilidade à compactação Baixa CTC Maior CTC Mais lixiviável Menos lixiviável Maior erosão Mais resistente à erosão Coesão baixa, friável Coesão elevada, firme Consistência friável quando úmido Consistência plástica e pegajosa quando molhado Fácil preparo mecânico Mais resistente ao preparo (pesado) Matéria orgânica baixa e rápida decomposição Matéria orgânica média a alta e menor taxa de decomposição A classe textural de um solo é uma característica importante de um solo porque varia muito pouco ao longo do tempo. A mudança somente ocorrerá se houver mudança da composição do solo devido à erosão seletiva e/ou processos de intemperismo, que ocorrem em escala de séculos a milênios. Portanto, o uso e o manejo do solo afetam muito pouco a textura de um solo, implicando no fato que em nível de propriedade rural, em área com classe textural similar, as variações da qualidade física estão associadas à variação de outras propriedades físicas. 1.2. Estrutura do solo A estrutura do solo refere-se ao agrupamento e organização das partículas do solo em agregados e relaciona-se com a distribuição das partículas e agregados num volume de solo. Considerando que o espaço poroso é de importância similar ao espaço sólido, a estrutura do solo pode ser definida também pelo arranjamento de poros pequenos, médios e grandes, com conseqüência da organização das partículas e agregados do solo. Esta última definição aponta um dos principais e primário efeito da estrutura na qualidade dos solos. A estrutura do solo, conceitualmente, não é um fator de crescimento das plantas ou indicativo direto da qualidade ambiental. Porém, está relacionada indiretamente com praticamente todos os fatores que agem sobre eles. O suprimento de água, a aeração, a disponibilidade de nutrientes, a atividade microbiana e a penetração de raízes, dentre outros, são afetados pela estrutura dos solos. De acordo com a organização das partículas e do ambiente de formação muitos tipos de agregados estruturais podem se formar. O tipo de agregado presente num solo determina o tipo de estrutura do solo. Uma descrição geral desses tipos é apresentada a seguir. granular e grumosa – agregados arredondados formados predominantemente na superfície do solo sob influência marcada da matéria orgânica e atividade microbiológica. Os grumos apresentam poros visíveis. A sensação ao manusear o solo é de friabilidade, soltando-se facilmente dos agregados vizinhos; laminar – os agregados são de formato laminar e formados por influência do material de origem ou em horizontes muito compactados; prismática e colunar – os agregados formam-se em ambientes mal drenados e em horizontes subsuperficiais com pequena influência da matéria orgânica. Normalmente são agregados grandes e adensados. Quando o topo dos prismas são arredondados teremos a estrutura colunar; blocos angulares e subangulares – os agregados têm formato cubóide e formam-se em ambientes moderadamente a bem drenados nos subsolos. A variação do tipo de estrutura do solo é bastante usada na classificação de solos e variam claramente quando varia o tipo de solo. 1.2.1 Gênese da estrutura de solo Os mecanismos da formação da estrutura dos solos não são bem conhecidos; porém, sabe- se que inicia com a formação dos solos e que, classicamente, dois fenômenos devem ocorrer para haver a formação da estrutura dos solos como temos atualmente nos ecossistemas. O primeiro refere-se à aproximação das partículas e o segundo à cimentação ou estabilização os agregados. Na aproximação entre as partículas agem os seguintes processos e fatores: floculação da argila e cátions trocáveis, desidratação do solo, secamento localizado e pressão causados pelas raízes e organismos como minhocas (coprólitos) e outros. Na estabilização dos agregados agem: quantidade e tipo de argila, forças eletrostáticas (Van der Walls), matéria orgânica (polissacarídeos, ac. húmicos), microrganismos pela ação mecânica (hifas de fungos) e produção de compostos orgânicos e vegetação pela ação mecânica das raízes e fonte de material orgânico na superfície. Um solo bem estruturado apresenta: a) poros adequados para a entrada de ar e água no solo; b) porosidade adequada para que a água se movimente através do solo, sendo disponível para as culturas, assim como permita uma boa drenagem do solo; c) porosidade adequada para o crescimento das culturas após a germinação das sementes, permitindo que as raízes explorem um maior volume de solo em busca de ar, água e nutrientes e; d) resistência à erosão pela alta agregação. A perda das condições adequadas e originais definem a degradação das condições estruturais e são causadas principalmente por: a) preparo intensivo e queima dos resíduos; b) tráfego intenso de máquinas com umidade inadequada; c) impacto da gota de chuva; d) dispersão química dos colóides e) inaptidão agrícola As conseqüências da degradação são: a) propriedades físicas afetadas - densidade e porosidade do solo, estabilidade dos agregados, retenção e infiltração água ...; b) camadas compactadas subsuperficiais; c) resistência do solo à penetração; d) erosão – sulcos ou laminar e; e) crostas superficiais. crescimento radicular situam-se em torno de 1,65 g cm-3 para solos arenosos e 1,45 g cm-3 para solos argilosos. A determinação da Ds é relativamente simples e baseia-se na coleta de uma amostra de solos de volume conhecido e com estrutura preservada com técnicas diversas, incluindo coleta de solo em cilindros, torrão ou feito diretamente no campo por escavação. Em todos necessita-se medir o volume da amostra e quantificar quanto de solo seco tem-se no volume coletado. Os fatores que agem na variação das relações massa-volume do solo e na pososidade afetam a Ds. 30 25 20 15 10 5 0 Pr of un di da de , c m 1,6 1,7 1,8 1,9 Densidade do solo, g cm-3 Solo: Argissolo Vermelho textura superficial franco arenosa; Círculos – solo sob plantio direto por 13 anos; Quadrado – plantio direto com duas passadas de uma máquina de 10 000 kg; Triângulo – plantio direto com quatro passadas de uma máquina de 10 000 kg. Fonte: Streck et al. 2003 Figura 3 – Modificação da densidade do solo pela compactação 1.5 Densidade de partículas (Dp) Expressa a relação entre a quantidade de massa de solo seco por unidade de volume de sólido do solo; portanto, não inclui a porosidade do solo e não varia com o manejo do solo. Depende primariamente da composição química e composição mineralógica do solo. Os componentes que predominam em solos minerais apresentam valores de Dp em torno de 2,65 g cm-3, exceção quando tem teor de matéria orgânica ou óxidos de Fe e Al altos. A matéria orgânica tem densidade específica de 0,9 a 1,3 g cm-3 e sua presença reduz a Dp, ao contrário da presença de óxidos que aumenta a Dp. O principal uso da Dp refere-se a cálculos de sedimentação de partículas em meio líquido e estimativa da porosidade de uma solo quando se conhece a Ds. 1.6 Porosidade do solo (Pt) O espaço do solo não ocupado por sólidos e ocupado pela água e ar compõem o espaço poroso, definido como sendo a proporção entre o volume de poros e o volume total de um solo. É inversamente proporcional à Ds e de grande importância direta para o crescimento de raízes e movimento de ar, água e solutos no solo. A textura e a estrutura dos solos explicam em grande parte o tipo, tamanho, quantidade e continuidade dos poros. Os tipos de poros estão associados à sua forma, que por sua vez tem relação direta com sua origem. O tipo de poros mais característico são os de origem biológica, que são arredondados e formados por morte e decomposição de raízes ou como resultado da atividade de animais ou insetos do solo, como minhocas, térmitas, etc... Outro tipo de poros apresenta forma irregular e de fenda formados por vários processos, tipo umedecimento e secagem, pressão, etc... Poros arredondados tendem a ser mais contínuos e de direção predominante normal a superfície, ao contrário das fendas no solo. A classificação mais usual da porosidade refere-se à sua distribuição de tamanho. A mais usual é a classificação da porosidade em duas classes: micro e macroporosidade. A microporosidade é uma classe de tamanho de poros que, após ser saturada em água, a retém contra a gravidade. Os macroporos, ao contrário, após serem saturados em água não a retém, ou são esvaziados pela ação da gravidade. A funcionalidade desses poros fica evidente quando se considera que os microporos são os responsáveis pela retenção e armazenamento da água no solo e os macroporos responsáveis pela aeração e pela maior contribuição na infiltração de água no solo. A determinação da porosidade total (Pt) em laboratório é feita, principalmente, de dois modos: 1) saturando-se uma amostra de solo e medindo-se o volume de água contido e; 2) por cálculo conhecendo-se a Ds e a Dp (Figura 4) Vol Sólidos 35.0 Macroporos 27.1 Microporos 37.9 Ms = massa de sólidos; Vt = volume total Vs = volume de sólidos; Vp = volume de poros Va = volume de água retido à –6 kPa Ds = Ms/Vt; Dp = Ms/Vs Pt % = (1-Ds/Dp) 100 Microporosidade % = 100 Va/Vt Macroporosidade = Pt – microporosidade Vol Sólidos 42.1 Macroporos 17.2 Microporos 40.7 Vol Sólidos 47.0 Macroporos 12.8 Microporos 40.2 Figura 4 – Porosidades de um Latossolo argiloso (0 a 10 cm de profundidade) do planalto Riograndense A separação da porosidade total em micro e macroporos é feita em laboratório, drenando-se a água dos macroporos usando uma sucção leve (-6kPa) em mesa de tensão ou coluna de areia e medindo-se o volume de água que permanece na amostra, que é igual ao volume de microporos. Conhecendo-se a Pt, calcula-se a macroporosidade por diferença. Usando-se equação fundamental da capilaridade, o tamanho equivalente de poro à sucção de 6 kPa é de 50 µm, sendo então o tamanho aproximado ao limite entre micro e macroporos. Em solos arenosos há predominância de macroporos, enquanto em solos argilosos a tendência é predominar microporos. Nesse aspecto, a origem do tamanho de poros relaciona-se ao tamanho de partículas e são considerados de natureza textural ou porosidade textural. Quando as partículas se organizam em agregados, há a criação de poros no solo, geralmente poros grandes entre agregados, sendo considerados porosidade estrutural. Esta 4 anos de cultivo Solo de mato 50 anos de cultivo a atmosfera. As relações solo-água apresentadas neste texto estão associadas aos principais processos que regem o ciclo da água na agricultura. 1.8.1 Retenção da água no solo A água na forma líquida apresenta uma série de propriedades de fundamental importância em seu comportamento no solo. A polaridade, pontes de hidrogênio e tensão superficial da água fazem com que a água em sistemas porosos atinja estado de menor energia livre e seja retida contra a gravidade, especialmente por capilaridade e também por adsorção. A equação fundamental da capilaridade estabelece que a força de retenção da água é inversamente proporcional ao diâmetro do capilar multiplicado por uma constante derivada das condições locais (gravidade local, Dp, temperatura). Se considerarmos o sistema poroso do solo como um sistema capilar e com determinada área superficial entenderemos que a água é retida no solo devido aos dois mecanismos: capilaridade e adsorção. A força capilar explica a ascensão da água em vasos ou no campo, de baixo para cima contra a gravidade e lateralmente quando a água é adicionada num ponto e aumenta a medida que o tamanho de poro diminui. A medida que o solo seca diminui o volume de água retido até que a lâmina de água fica restrita ‘a superfície das partículas, retida por efeito eletrostático ou por adesão. Nestes dois processos de retenção, o maior volume de água e o mais disponível é retido por efeito capilar e o volume menor e fortemente retido no solo é retido por adsroção. A textura e a estrutura do solo que definem a área superficial e a arquitetura do sistema poroso são os principais fatores associados ao armazenamento e disponibilidade da água nos solos, assim como, com a habilidade dos solos de deixar passar água na sua matriz para camadas profundas do perfil do solo e da camada terrestre. A quantidade de água retida por unidade de massa de sólido é definida como umidade gravimétrica (Ug) e por unidade de volume do solo (Vt) é definida como umidade volumétrica (Uv ou θ). Ambas podem ser expressas em termos unitários ou percentuais. A medida da umidade é importante e de fácil execução, porém para a medição da Uv necessita-se de coletar amostra com volume conhecido e estrutura preservada. Como a umidade do solo é muito variável, o comum é medir-se a Ds e determinar a Ug, transformando-a em Uv multiplicando-se pela Ds como segue: Uv = Ug x Ds. Assim como a chuva, a quantidade de água armazenada em um solo é comumente apresentada em termos de lâmina de água retida. Um solo que apresenta Uv=0,3 cm3 cm-3 de 0 a 50 cm de profundidade possui retida um lâmina de 150 mm de água armazenada, calculada como segue: Armazenamento, mm=Uv . espessura da camada = 0,3 cm3 cm-3 . 50 cm = 15 cm = 150 mm Se considerarmos um hectare de área haverá 1 500 000 litros de água armazenado, calculado como segue: Armazenamento, litros ha-1 até 50 cm = 0,15 m . 10 000 m2 = 1 500 m3 = 1 500 000 A quantidade de água retida é um importante parâmetro do solo, porém não informa sua disponibilidade ou a sua força de retenção. O movimento de massas na natureza se dá de pontos de energia livre mais altos para pontos de energia mais baixa, e como no solo o movimento de água é pequena a energia considerada é a potencial. Modernamente, no solo estipulou-se medir o quanto de trabalho deve ser realizado numa quantidade de água para se deslocar de um dado estado ao estado de referência. Três forças definem o total da energia livre da água: 1) osmótica; 2) gravitacional e; 3) forças originadas pela matriz do solo. No solo as concentrações de sais tendem a se igualar por difusão, sendo a diferença de energia devido a forças osmóticas, predominantes no domínio solo-raiz, influindo pouco no movimento e retenção da água. Na gravidade a energia potencial toma conotação de energia de posição dentro do campo gravitacional, importante na definição do movimento de água e deve ser computado para equacionamento de fluxo de água no solo. As forças originadas pela matriz do solo, através dos fenômenos de adsorção e capilaridade, são as responsáveis pelo potencial matricial, antigamente chamado de potencial capilar. O total de energia por unidade de volume de água é definido como sendo o potencial total expresso em termos de pressão (kPa, bar, cm de coluna de Hg ou água). O principal componente do potencial total em solos não saturados é o potencial matricial, responsável pela retenção de água contra a ação da gravidade e por isso ter sinal negativo e chamado de tensão da água no solo. Pela equação da capilaridade temos que, quanto menor o tamanho dos poros maior a força capilar e maior tem que ser a força para extrair a água de dentro deste capilares. Deste modo um solo saturado ao secar os poros maiores são esvaziados primeiro e a medida que a umidade do solo vai reduzindo, a energia livre é menor e a água vai ficando mais fortemente retida. Assim na mesma posição gravitacional e no mesmo solo ou horizonte a água de desloca de pontos mais úmidos para mais secos, no entanto, quando a posição gravitacional não é a mesma não necessariamente a água se move de pontos mais úmidos para mais secos. Em laboratório constrói-se curvas relacionando umidade do solo e potencial matricial denominado-as de curva de retenção de água no solo ou curva característica de água no solo (Figura 6). No campo a medição do potencial matricial é feita por um equipamento chamado de tensiômetro. Figura 6 – Modelo conceitual de uma curva de retenção de água no solo Um solo saturado apresenta toda sua porosidade cheia de água, que após drenado em condições naturais, os macroporos são drenados e os microporos ficam preenchidos com água. Neste estado o movimento descendente é pequeno e tradicionalmente considera- se que o solo apresenta a sua máxima capacidade de armazenamento de água contra a gravidade e considera-se a umidade deste estado como sendo a capacidade de campo (CC). O potencial matricial da água no solo encontra-se na faixa de -10 a -33 kPa, dependendo da textura e estruturação do solo. Ao contrário, a umidade onde as plantas murcham permanentemente é chamada de ponto de murcha permanente (PMP) e apresenta potencial matricial em torno de –1500 kPa. A diferença de umidade entre a CC e PMP nos indica a faixa de água disponível de um solo, que pode ser dada em termos percentuais ou em