MODELAGEM DA CURVA DE CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA NÃO SATURADA
PARA HORIZONTES A E B DE LATOSSOLO VERMELHO MUITO ARGILOSO
HELENA PATTO SANÁBIO OLIVEIRA1, GERALDO CÉSAR DE OLIVEIRA2, BRUNO
MONTOANI SILVA³, ÉRIKA ANDRESSA DA SILVA4, ANDRÉ LUIZ MÜLLER ABELAR5
RESUMO: A condutividade hidráulica de solo não saturado determina a capacidade de um
solo de fornecer água e nutrientes ao sistema radicular das plantas. O sistema poroso do solo é
uma das variáveis que influenciam na condutividade hidráulica. O objetivo do trabalho foi
modelar a condutividade hidráulica do solo não saturado por meio do modelo de Van
Genuchten, nos horizontes A e B de um Latossolo Vermelho distrófico sob cafeicultura, no Alto
São Francisco-MG. Foi conduzida a curva de retenção de água no solo, determinando a
umidade nas tensões de 2kPa, 4kPa, 6kPa, 10kPa, 33kPa, 100kPa, 500kPa e 1500kPa, sendo
feito ajuste ao modelo teórico de Van Genutchen. Procedeu-se matematicamente o calculo da
condutividade hidráulica relativa e, utilizando os dados da literatura para condutividade
hidráulica saturada, foi calculada a condutividade hidráulica não saturada. O que se verificou
após análise foi que, com o aumento da saturação efetiva dos solos, o que ocorre segundo os
resultados obtidos através da curva de retenção, houve um incremento da densidade e devido a
isso, a condutividade hidráulica do solo não saturado, também aumentou.
Palavras-chave: condutividade hidráulica, retenção de água, atributos físicos do solo, física do
solo, modelagem matemática.
INTRODUÇÃO
Atributos do solo, como textura, distribuição de agregados e densidade estão, mesmo
que indiretamente, relacionadas com propriedades de fluxo do solo. O fluxo do solo
corresponde ao fluxo de água e gases no solo e é função da orientação, quantidade, tamanho e
morfologia dos poros do solo (Libardi, 1995). Tais propriedades englobam o sistema poroso do
solo. A determinação do fluxo de água no solo sob condições não saturadas requer a
predeterminação de propriedades hidráulicas, como a curva de retenção de água e a relação da
condutividade hidráulica com a umidade volumétrica (Ghiberto & Moraes, 2011).
A condutividade hidráulica do solo não saturado é um parâmetro que expressa a
facilidade com que a água se movimenta ao longo do perfil. É usualmente relacionado com a
absorção de água por culturas agrícolas e parâmetros como uso e manejo do solo, pois, pode ser
entendido como a capacidade de transmissão de um fluido por um meio poroso. No caso de um
solo não saturado, alguns poros estão preenchidos de ar e a área transversal útil para o fluxo de
água e gases decresce, fazendo com que a condutividade hidráulica também diminua. Quando o
solo está saturado, os poros estão preenchidos com água, fazendo com que o fluxo aumente e a
condutividade hidráulica tenda ao máximo. Assim, a condutividade hidráulica de um solo é
proporcional à quantidade de água nos poros desse solo, que influencia na área útil para a
condução de água (Reichard & Timm, 2004). Essa relação é justificada pelo efeito condutor dos
poros em solos saturados e possui grande importância para o entendimento de processos, como
os de infiltração, redistribuição, redes de drenagem e suprimento de água para uso do solo.
_______________
1
Graduanda em Engenharia Ambiental, Bolsista PIBIC/UFLA, DCS.UFLA, Lavras, MG. [email protected]
Professor Dr.Associado do Departamento de Ciência do Solo UFLA, Lavras,[email protected]
Mestre e Doutorando em Ciência do Solo, DSC. UFLA, Lavras, MG. [email protected]
4
Mestranda em Ciência do Solo, bolsista CNPq,DCS.UFLA, Lavras, MG. [email protected]
5
Graduando em Engenharia Ambiental, DCS. UFLA. Lavras, MG. [email protected]
1
3
A condutividade hidráulica saturada apresenta-se bem maior em solos arenosos do que
em solos argilosos, isso é devido à junção de vários fatores, como: Porosidade, textura, estrutura
e mineralogia.
Como já foi dito anteriormente, a condutividade hidráulica aumenta proporcionalmente
ao aumento do fluxo de solo. Tal parâmetro depende de uma área transversal útil, ou seja, maior
tamanho e quantidade de poros saturados. Os solos arenosos apresentam, em relação aos solos
argilosos, poros maiores, garantindo um maior fluxo de água e fazendo com que a contuvidade
hidráulica também seja maior.
A textura do solo refere-se à proporção relativa em que se encontram, em determinada
massa de solo, os diferentes tamanhos de partículas. Refere-se, especificamente, às proporções
relativas das partículas ou frações de areia, silte e argila na terra fina seca ao ar (TFSA). Solos
arenosos são permeáveis, leves, de baixa capacidade de retenção de água e de baixo teor de
matéria orgânica. Devido à baixa capacidade de retenção de água, ocasiona-se uma alta taxa de
infiltração, o que faz com que a condutividade hidráulica de solos arenosos seja maior do que a
de solos argilosos, que, devido a sua estrutura, possuem baixa permeabilidade e alta força de
coesão entre as partículas, o que dificulta a penetração de água, diminuindo o fluxo do solo e
com isso, a condutividade hidráulica.
Em relação à estrutura, os solos argilosos apresentam uma estrutura em blocos,
enquanto os arenosos apresentam uma estrutura granular, que influencia positivamente na
condutividade hidráulica do solo. A condutividade hidráulica do solo acha-se mais bem
relacionada com o volume de poros com diâmetro maior que 0,07 mm, característica de solos
arenosos de estrutura granular (M. M. FERREIRA et al.). Segundo Resende (1985) e Resende
et al. (1999), os Latossolos, mesmo quando muito argilosos, podem apresentar grande
permeabilidade, em decorrência da estrutura granular muito pequena e muito bem expressa. Os
horizontes A e B do Latossolo Vermelho Distrófico usado em nosso estudo apresentam
diferenças aparentes quanto à estrutura, o que provocou grande discrepância na condutividade
dos dois horizontes. O horizonte A, ou mais superficial, apresenta uma estrutura em blocos e
por isso uma menor condutividade hidráulica, mesmo que, ainda assim, maior que a encontrada
em Argissolos. O horizonte B, apresenta uma estrutura granular, o que contribuiu para o
aumento da condutividade hidráulica das camadas sub superficiais do Latossolo.
Quanto à mineralogia, o Latossolo Vermelho Distrófico típico estudado apresenta em
sua fração de argila, riqueza em Ferro e Alumínio, o que contribui para o aumento da
condutividade hidráulica de solos saturados. Embora Lima & Anderson (1997) sugiram pouca
relação entre as concentrações de óxidos de Fe e tamanho de agregados, ao menos para
agregados do tamanho de silte e areia, as formas de Al determinadas na fração pseudo-silte
estão associadas à maior dificuldade de dispersão da fração argila dos solos (Vitorino &
Ferreira, 2003)
É sabido que o processo de compactação ou mesmo o adensamento do solo influencia
na condutividade hidráulica em solos não saturados. Isso acontece porque, com a compactação
do solo há um aumento da densidade, o que resulta na diminuição do espaço poroso, aumentado
o conteúdo volumétrico de água e a capacidade de campo do solo e diminuindo a taxa de
infiltração de água. No entanto, mesmo, com a diminuição do espaço poroso, é possível
promover em solos não saturados compactados, uma maior condutividade hidráulica, por
exemplo, no sistema de plantio direto, ocorre uma maior compactação do solo que o sistema de
plantio convencional, mas, a menos quantidade de macroporos principalmente, é compensada
pela rigidez e continuidade de microporos, podendo ocasionar uma maior condutividade
hidráulica. Logo, entende-se que, mais importante que a quantidade é a qualidade dos poros, no
entanto, são necessárias maiores pesquisas nesse assunto (Silva & Gubiani, 2013).
Tendo em vista que os métodos para determinar a condutividade hidráulica de solos não
saturados são relativamente caros e consomem muito tempo, uma das alternativas para a
obtenção da condutividade hidráulica, de forma indireta, em laboratório, é por meio da
condutividade hidráulica saturada e a curva de retenção da água no solo (Mualem, 1976),
calculando a condutividade hidráulica relativa. Nesse sentido, o objetivo do trabalho foi modelar
a condutividade hidráulica do solo não saturado por meio do modelo de van GenuchtenMualem, nos horizontes A e B de um Latossolo Vermelho distrófico sob cafeicultura, no Alto
São Francisco-MG.
MATERIAIS E MÉTODOS
O solo utilizado é proveniente do município de São Roque de Minas – MG, localizado
no Alto São Francisco – MG, região no bioma Cerrado. O solo foi classificado como Latossolo
Vermelho distrófico típico muito argiloso gibbsitico-oxídico e sua caracterização, bem como
avaliação de atributos físicos no momento da coleta para o presente trabalho, estão disponíveis
em (SILVA et al., 2012). Este solo vem sendo cultivado com cafeeiro em espaçamento de 2,60
x 0,65m, com utilização de braquiária nas entre linhas como planta de cobertura do solo. As
plantas apresentavam 2 anos na ocasião da amostragem. Detalhes sobre o sistema de manejo
empregado para o cafeeiro estão descritos em (SERAFIM et al., 2011).
Coletaram-se amostras com estrutura preservada, na posição linha da cultura, nas
profundidades 20 e 80 cm com quatro repetições. As análises foram realizadas no Laboratório
de Física e Conservação do Solo e Água na Universidade Federal de Lavras.
Para a determinação da densidade do solo e da curva de retenção da água e posterior
estudo de condutividade hidráulica de solos não saturados foram coletadas amostras de estrutura
preservada em vários pontos onde foram realizados os estudos de infiltração no local.
Após estudo com base nos dados dos ensaios de infiltração realizados em campo e
análise das amostras coletadas, pudemos elaborar um cálculo de Porosidade Total, ponto onde a
amostra se encontra com a umidade máxima, ou seja, momento em que ela ainda se encontra na
bandeja, utilizando de uma densidade de partículas de 2,65g/dm³. Realizamos a construção da
curva de retenção de água do Latossolo e a partir da curva de retenção, determinar a
condutividade hidráulica relativa do solo (Kr).
VTP = (1-Ds/Dp)
A condutividade hidráulica de solo não saturado (K) foi calculada pelo modelo teórico
de van Genuchten-Mualen, representado através da fórmula:
Onde e n = parâmetros de ajuste do modelo relacionados ao solo; Kr = K/Ks é a
condutividade hidráulica relativa; Ksat, a condutividade hidráulica do solo saturado; K, a
condutividade hidráulica do solo não saturado e h, o modulo do potencial matricial (tensão
matricial).
Em nosso estudo, não foram realizados os cálculos necessários para a determinação da
condutividade hidráulica em solos saturados (Ks), por isso, foram usados valores para
condutividade nas profundidades 20 e 80 cm através de dados de Sales et al., (1999).
Cada amostra continha valores de Densidade do solo (Ds), a partir dos quais foram
calculados o θs e a Ks a partir da Kr, através do modelo de Van Genucthen e por fim, calculada
a condutividade hidráulica de solo não saturado (K). Para cada amostra foi estimado o θ nas
tensões de 2kPa, 4kPa, 6kPa, 10kPa, 33kPa, 100kPa, 500kPa e 1500kPa e é desenvolvido o
estudo de condutividade hidráulica para as profundidades de 20 e 80 cm.
Com a equação modelada para Kr, obteve-se o modelo para K, que foi apresentada sua
variação para cada tensao matricial, visando compreender o comportamento do fluxo de água,
ou seja, o secamento do solo nos horizontes A e B.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
K (Ɵ)
Observou-se através da curva de condutividade hidráulica que o aumento do potencial
matricial promove a secagem do solo nas duas profundidades observadas (20 e 80cm) e que a
umidade presente na camada mais superficial é relativamente menor do que a presente na
camada sub superficial, fato que vai contra o que prega a literatura, onde é apresentado que as
camadas mais superficiais apresentam umidades maiores que as mais profundas devido a
quantidade de matéria orgânica presente. Tal ocorrido pode ser explicado pelo uso do manejo e
gessagem do solo e pelo solo estudado ser um Latossolo Vermelho Distroférrico típico, solo que
possui uma estrutura granular típica, o que favorece a retenção de água e é muito profundo, por
isso as camadas sub superficiais estão mais afastadas da radiação solar, o que faz com que a
evaporação ocorra somente, ou relativamente mais, nas camadas que se encontram mais na
superfície.
Também através da curva de condutividade, observou-se que a umidade permanece
estável até por volta de uma pressão de 0,1 kPa, quando, em ambas as profundidades ocorre um
decréscimo bem discrepante da umidade. O que pode ser explicado pelo fato de que nos
potenciais matriciais onde houve o rápido decréscimo de umidade, a água retirada dos poros do
solo é a água relativa aos macroporos, até chegar a um ponto onde o teor de água nos poros
(macro e microporos) tende a zero. Observou-se também que o horizonte mais profundo do
Latossolo tem a sua umidade reduzida a tender a zero a um potencial um pouco maior que o
encontrado para o horizonte mais superficial sob as mesmas pressões. Isso pode ser explicado
pelo fato de que, apesar da estrutura do Latossolo em questão ser granular em toda a sua
extensão, o horizonte sub superficial apresenta uma estrutura mais granular que a o superficial,
fazendo com que as perdas do teor de água por evaporação ou manejo, sejam relativamente mais
evitadas nesse horizonte.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
20 cm
0,01
0,1
1
10
100
1000
80 cm
10000h (kPa)
Figura 1 – Curva de condutividade hidráulica não saturada (K, mm/hora) em função da tensão
matricial (h, kPa) para as profundidades 20 (horizonte A) e 80 cm (horizonte B) de um
Latossolo Vermelho distrófico típico.
No nosso experimento, o potencial matricial onde houve maior secagem do solo foi o de
1500 kPa, também chamado de Ponto de Murcha Permanente, onde não é mais possível que
ocorra a retirada da umidade dos poros.
Comparando a curva de condutividade hidráulica de solos arenosos e argilosos, é
possível observar que, como o esperado, a curva de condutividade de solos arenosos apresentou
umidade bem maior que a gerada para solos argilosos nos mesmos potenciais matriciais, o que
pode ser explicado com base nas diferenças de porosidade, textura, estrutura e mineralogia entre
solos argilosos e arenosos.
7
6
K (Ɵ)
5
argiloso
4
3
2
1
0
0,001
0,1
10
1000
h (kPa)
Figura 2 - Curva de condutividade hidráulica (K, mm/hora) em função da tensão matricial (h,
kPa) para solo argiloso.
300
250
K (Ɵ)
200
arenoso
150
100
50
0
0,001
0,1
10
h (kPa)
1000
Figura 3 - Curva de condutividade hidráulica (K, mm/hora) em função da tensão matricial (h,
kPa) para solo arenoso.
Fazendo a mesma curva usando o parâmetro da Densidade do Solo, foi possível
observar que, a condutividade hidráulica do solo não saturado aumenta com o aumento do
estado de compactação, ou seja, com o aumento da densidade.
O aumento da densidade pode aumentar a condutividade hidráulica de solo não
saturado, seja pelo aumento do número de poros menores que ficam preenchidos com água
numa mesma tensão, aumentando a área útil (secção de poros preenchidos com água) para o
fluxo (Richard et al., 2001), seja pelo aumento do contato entre agregados e continuidade para o
fluxo de água (Carminati et al., 2008).
Os resultados deste trabalho sugerem que a compactação pode ter efeito positivo no
fluxo de água do solo para a raiz e pode auxiliar no entendimento da discordância entre
produção das culturas e intervalo hídrico ótimo (Gubiani et al., 2012). Foram encontrados
conteúdos de água representativos em subsuperfície, justificando o emprego de práticas de
manejo que buscam o aprofundamento do sistema radicular. Tais estudos também podem ajudar
no planejamento de sistemas de irrigação por gotejamento e práticas de manejo e uso da terra.
CONCLUSÕES
O aumento da compactação aumentou a condutividade hidráulica de solo não saturado,
associada ao incremento da densidade do solo. Tais fatores foram estimados a partir da curva de
retenção de água.
A condutividade hidráulica é diretamente proporcional à saturação efetiva do solo.
REFERÊNCIAS
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