RASPAPrctica 3: Medicin de la humedad del suelo

INTRODUCCINEl contenido de agua del suelo experimenta variaciones continuas a lo largo del tiempo. Recibe agua de las lluvias o por riego, mientras que la pierde por escorrenta superficial y por drenaje a las capas profundas. A estas prdidas tambin se deben sumar las causadas por evapotranspiracin, en las que se incluyen las prdidas producidas por la evaporacin directa desde la superficie del terreno y el agua evaporada desde la superficie de las plantas (transpiracin). Para cuantificar estas variaciones existen varios mtodos que proporcionan algunos valores de la humedad del suelo. Dichos valores el ser humano las utiliza como referencia para saber cundo regar y as establecer un buen balance de requerimiento de agua que el cultivo necesite. Uno de los mtodos utilizados fue el del tensimetro, considerado como un mtodo rpido y eficaz para establecer un buen control de riego. Este es un instrumento que mide la fuerza con la que el agua es retenida el en suelo. Conforme el suelo se seca, aumenta la tensin con que el agua es retenida. Estos es lo que se mide con el manmetro, parte fundamental del tensimetro. Cabe mencionar que esta tensin matricial del suelo est en funcin de la textura del suelo y el clima del lugar en donde se realicen las lecturas. Es por ello que se dice que el tensimetro es muy prctico para el control de humedad en invernaderos, hortalizas, frutales, etc. Cuyo rango de tensiones matriciales quedan dentro de su control.

OBJETIVOS Conocer los principales mtodos directos e indirectos que se utilizan para determinar el contenido de humedad del suelo. Calibrar los instrumentos utilizados para la medicin de humedad del suelo, en especial el mtodo del tensimetro.

REVISIN LITERARIA La principal razn por la que interesa medir el contenido de humedad en un suelo es por la de saber cundo se requiere regar. El contenido de humedad de un suelo puede ser medido por varios mtodos entre los que destacan los: Mtodos directos: Son mtodos de campo y/o laboratorio con muestreo y/o secado. Su exactitud depende de la experiencia y habilidad por parte de quien los realiza. Algunos son: Mtodo al tacto Mtodo gravimtrico Mtodo de las balanzas de rayos infrarrojos. Mtodo de las balanzas de rayos halgenos.Mtodos indirectos: Son mtodos basados en dispositivos utilizados en campo que se han ido perfeccionando e innovando tratando con ello de ser ms precisos y de fcil operacin. Estos son: Tensimetro Bloques de yeso Aspersor de neutrones Medidor rpido de humedad Speedy Medidor Watermark Medidor Aquater Termmetro infrarrojoCada uno de los mtodos antes mencionados se describen a continuacin:

Mtodos directos. 1. Mtodo al tacto. Segn Israelsen y Hansen (1965) este mtodo es uno de los ms antiguos y el ms sencillo. La precisin depende en gran medida de la destreza y experiencia de quien lo realiza. Consiste en inspeccionar muestras de suelo en forma ocular y al tacto, utilizando una barrena para determinar la humedad a diferentes profundidades. Este mtodo es similar al de la determinacin de la textura al tacto, sin embargo, en este nos interesa conocer el contenido de humedad en el instante de muestreo, se toma la muestra a la profundidad deseada se amasa entre los dedos, se comprime y se intenta hacer bolas o cordones, segn el estado que guarde ser el contenido de humedad aprovechable que le falte al suelo. Una gua de lo anterior es la de Israelsen et al (1981) que se presenta a continuacin en el cuadro 1. Cuadro 1. Gua para determinar cunta humedad en mm/m puede agregarse para que el suelo quede a capacidad de campo.

2. Mtodo gravimtrico Este mtodo se estableci como un patrn constante para utilizarlo como punto de comparacin respecto de los dems. De hecho se utiliza frecuentemente para calibrar otros mtodos indirectos. El procedimiento consiste en obtener una muestra de suelo, pesarla y luego secarla en estufa a una temperatura de 105 a 110 C durante 24 horas o hasta obtener un peso constante. Luego se aplica la frmula:

Donde: Ps = porcentaje de humedad de un suelo (%) Pss = peso de suelo seco (gr) Psh = peso de suelo hmedo (gr)La dificultad para usar el mtodo gravimtrico es, por una parte, el tiempo que tarda en obtenerse resultados despus de haber muestreado y por otra el gran nmero de muestras que tendran que en extensiones grandes.

2.1.1 Mtodo de las balanzas de rayos infrarrojos.Las balanzas para medicin de humedad de la serie PCE estn concebidas para ser usadas en el sector industrial o en el profesional. Las balanzas para medicin de humedad determinan la sustancia seca que queda tras un proceso de secado con energa infrarroja de la sustancia total previamente pesada y calcula as la humedad de la masa pesada hmeda. Durante el proceso de secado se puede ver en la pantalla la disminucin del contenido de humedad. Las balanzas para medicin de humedad son aparatos ideales para determinar con precisin la humedad, la sustancia seca o la consistencia de materiales y sustancias voltiles y fijas. Estas balanzas para medicin de humedad se emplean sobre todo en el sector industrial para analizar de modo rpido pastas, masas, maderas, adhesivos, polvos tanto en la produccin como en el control de entrada de mercancas. El sistema de pesado de las balanzas para medicin de humedad posee todas las propiedades de las balanzas modernas.

Figura 1. Balanza de rayos infrarrojos.

2.1.2 Mtodo de las balanzas de rayos halgenos.A continuacin, se describe el funcionamiento exacto de la determinacin de humedad mediante el analizador halgeno de humedad. Engloba bsicamente el mtodo del secado (calentamiento de la muestra mediante radiacin de calor) y el principio del criterio de desconexin. El analizador halgeno de humedad El analizador halgeno de humedad funciona segn el principio termogravimtrico, es decir, registra el peso inicial de la muestra y una lmpara halgena seca la muestra mientras una balanza integrada mide continuamente su peso. La prdida de peso total se interpreta como contenido de humedad. El secado mediante la lmpara halgena es una evolucin del mtodo de secado por infrarrojos. El elemento calefactor se compone de un tubo de vidrio lleno de gas halgeno, razn por la cual la masa de la lmpara halgena es muy pequea comparada con la de un proyector infrarrojo convencional. Esto permite alcanzar en poco tiempo la potencia calorfica mxima y favorece una capacidad de regulacin extraordinaria. Junto con el reflector chapado en oro, se garantiza una distribucin uniforme ptima de la radiacin de calor en toda la superficie de la muestra. Uno de los requisitos para obtener resultados de medicin repetibles. Figura 2. Prdida de peso en una muestra.

El proceso de secado. A diferencia de la estufa de desecacin tradicional, en la que la muestra se calienta por conveccin y se seca durante un periodo largo, la muestra absorbe en el analizador halgeno de humedad la radiacin infrarroja (radiacin de calor) de la lmpara halgena. Como resultado, la muestra se calienta muy rpidamente. Las propiedades de absorcin de cada sustancia son diferentes y dependen principalmente del color y del material. Por tanto, compruebe que la muestra sea homognea y tenga una granulacin uniforme. Las superficies lisas y claras suelen reflejar ms radiacin infrarroja; se absorbe menos energa y la muestra no se calienta tanto. Por tanto, las propiedades de absorcin de la muestra influyen en la temperatura efectiva de sta.

Figura 3. Tipos de radiaciones incidentes en un cuerpo receptor

Todos conocemos este efecto de absorcin: si nos exponemos al sol con una camiseta negra, tendremos mucho ms calor que con una camiseta blanca. En consecuencia, elija una temperatura ligeramente ms baja para una muestra oscura que para una sustancia clara.

El criterio de desconexinEl criterio de desconexin (AK) determina cundo finaliza automticamente la medicin con el analizador halgeno de humedad y se visualiza el resultado.El analizador halgeno de humedad permite elegir entre dos tipos de criterios de desconexin: una desconexin controlada por tiempo o la prdida de peso por unidad de tiempo. La balanza integrada determina continuamente la prdida de peso de la muestra durante el secado. Si no se ha alcanzado la prdida de peso ( g) en un tiempo determinado ( t), el secado finaliza con un grado de secado constante y se visualiza el resultado. Puede elegirse entre 5 criterios de desconexin predefinidos. El analizador halgeno de humedad HR83 ofrece adems otro criterio que permite elegir libremente el tiempo y peso: el criterio de desconexin libre.AK 1 (1 mg/10 s): adecuado para mediciones de tendencia rpidasAK 2 (1 mg/20 s): nivel intermedioAK 3 (1 mg/50 s): ajuste estndar, adecuado para la mayora de tipos de muestraAK 4 (1 mg/90 s): nivel intermedioAK 5 (1 mg/140 s): adecuado para muestras de secado lento con un contenido de humedad bajo (p. ej., plsticos)

La seleccin del criterio de desconexin influye en la duracin y exactitud de la medicin. El tiempo de secado ms corto se da con la seleccin de AK 1, aunque a menudo el secado no es completo y se reduce la repetitividad. Mediante la seleccin del criterio de desconexin se optimiza la brevedad de la medicin en relacin con la exactitud exigida al resultado de medicin.

Figura 4. Curva de prdida de peso contra el criterio de desconexin.

Mtodos indirectos. 1. Tensimetro. Este mtodo indirecto es uno de los ms precisos para determinar la humedad en el suelo. El tensimetro mide la tensin de un suelo en funcin de la humedad presente. El instrumento consiste de una cpsula porosa de cermica conectada a un tubo que contiene un sensor de vaco o un manmetro.Para operar el tensimetro se llena de agua, se extrae el aire, se cierra y se instala en el suelo lo ms cerca posible de la zona de races. Para asegurar un estado de equilibrio, las lecturas deben tomarse 24 hr despus de su instalacin. A medida que el suelo se seca, el agua dentro del tensimetro es succionada a travs de la cpsula porosa por la matriz del suelo, crendose un vaco parcial que es detectado por el manmetro. Este vaco es aproximadamente igual al potencial mtrico (succin) del suelo al contenido de humedad que est presente en ese momento en el suelo. Cuando un suelo es regado, el agua se mueve desde el suelo hmedo hacia el interior del tensimetro, esto reduce el vaco y el manmetro detecta la nueva tensin o el relativo contenido de humedad.

Figura 5. Tensimetro en el suelomedidor de humedad.

2. Bloques de yeso. Este mtodo est basado en que la resistencia elctrica de un suelo depende de la cantidad de humedad que haya entrado en l. Los bloques de yeso son sensores de resistencia elctrica usados para determinar el contenido de humedad a una profundidad deseada en el suelo. El dispositivo consiste en dos electrodos colocados en dos pequeo bloques de yeso que son enterrados en el suelo. Ambos electrodos van conectados al aparato donde es medida la resistencia elctrica en ohms. Los bloques de yeso requieren de ser calibrados para que una determinada resistencia represente un cierto contenido de humedad para ese suelo. Al calibrarlos se ha encontrado que la resistencia elctrica vara de acuerdo a una funcin de tipo exponencial con la humedad, donde la capacidad de campo corresponde a una resistencia aproximada de 600 ohms (marca Bouyoucos). Este instrumento requiere considerablemente ms tiempo para llegar al equilibrio con el suelo. En las cercanas de la capacidad de campo la variacin de la resistencia respecto a la humedad es muy pequea, aumentando sbitamente al acercarse el PMP, de donde se deduce que para valores altos de humedad aprovechable, la exactitud del mtodo es baja, siendo muy alta para valores cercanos al PMP. Si se tuviere un cultivo sensible, cuando el bloque de yeso muestra algn cambio en el contenido de humedad, podra ser muy tarde para regar. Figura 6. Bloque de yeso.

Cuando la humedad del suelo es agotada rpidamente, como en los suelos arenosos, o en los cultivos con races poco profundas, el uso de este instrumento puede traer serios problemas. Por esta razn se recomienda ser usado en suelos medios o pesados con cultivos de races profundas o tolerantes a la sequa. Respecto a esto los tensimetros son ms apropiados para suelos arenosos a medios con cultivos sensibles a la sequa o con races poco profundas.

3. Aspersor de neutrones (neutrmetro). En 1911 Rutherford demostr que el peso del tomo est concentrado en el ncleo, cuyos constituyentes son los protones neutrones, y que la mayor parte de su volumen est ocupado por electrones de escassimo peso, que giran alrededor de aquel a gran velocidad, los cuales estn constituidos por cargas elctricas negativas en un perfecto ordenamiento especial. Hay un equilibrio magntico en el sistema porque las cargas elctricas negativas de los electrones se compensan con los positivos de los protones, por introduccin de uno o ms neutrones en el ncleo variando el peso atmico del elemento, pero manteniendo el nmero de electrones orbitales.Como el agua modera bien los neutrones rpidos debido a que el hidrogeno es elemento que absorbe mayor nmero de estos, y el suelo no, se ha propuesto una tcnica en l que se emplea una fuente de neutrones rpidos para medir el contenido de agua en un suelo sin alterar. Al determinar la cantidad de neutrones lentos o trmicos, producidos durante la moderacin de los neutrones rpidos, se tendr la cantidad de humedad presente en el suelo por volumen con una exactitud de 1 al 2 % y las medidas sern esencialmente independientes de la naturaleza y densidad del suelo. El equipo es porttil y fcil de manejar. Aguilera C.M (1996)La sonda de neutrones se ha utilizado extensamente en trabajos de investigacin para determinar la humedad del suelo. Una sonda de neutrones contiene una fuente radioactiva que enva una cierta cantidad de neutrones rpidos. Estos neutrones rpidos son aproximadamente del tamao de un tomo de hidrgeno, un componente esencial del agua. Cuando los neutrones rpidos chocan contra los tomos de hidrgeno, se vuelven ms lentos. Un detector dentro de la sonda mide la proporcin de los neutrones rpidos que salen y de los neutrones lentos que regresan. Esta relacin se usa entonces para estimar el contenido de la humedad en el suelo. Sin embargo, debido a que cada suelo tiene otras fuentes de hidrgeno que no estn relacionadas con el agua, es importante calibrar la sonda para cada suelo. Para medir la humedad del suelo con una sonda de neutrones, se instala un tubo de acceso en el suelo. Entonces, la sonda (la cual contiene la fuente radioactiva y el detector) se baja hasta la profundidad deseada. Estas sondas son bastante caras (aproximadamente $6,400 dlares) y, debido a que contienen material radioactivo, se necesita una licencia para operarlas.El aspersor de neutrones o neutrmetro es un mtodo usado ms frecuentemente en trabajos de investigacin para medir directamente en el campo la Et del cultivo. Existe una relacin directa entre los neutrones deflectados y la humedad del suelo, sin embargo, el neutrmetro necesita ser calibrado para cada tipo de suelo.Hay dos maneras de calibrar el neutrmetro, con el mtodo gravimtrico o en laboratorio con ayuda de un barril lleno de suelo a una determinada humedad, este ltimo es ms complicado por el manejo del barril. Con cualquiera de las dos calibraciones es importante encontrar una curva de calibracin.La manera de medir el contenido de humedad es la de introducir la fuente de neutrones a un tubo de acceso (introducido previamente en el suelo) que puede ser de aluminio, acero o PVC, el cual se instala dentro de la zona radicular. Para una mayor facilidad de lecturas se utilizan varios tubos distribuidos en todo el terreno, en las zonas ms representativas, los tubos pueden dejarse instalados en el terreno durante el ciclo del cultivo y realizar la determinacin cuando se requiera.El neutrmetro mide la humedad en un volumen aproximadamente igual al de un baln de 30 cm de dimetro, mientras que un tensimetro la mide en un punto. Esto puede ser bueno o malo. Por ejemplo en un campo regado uniformente puede resultar un contenido de humedad ms representativo, mientras que en un campo regado por goteo, donde el contenido de humedad no es uniformemente distribuido, medidas con el neutrmetro pueden ser errneas. Cerca de la superficie (menos de 30 cm) del suelo, las lecturas no son correctas ya que los neutrones se pierden en la atmsfera.El neutrmetro puede ser usado tambin para determinar tiempo y la cantidad de agua requerida en cada riego.Figura 7. Dibujo del funcionamiento del aspersor de neutrones.

4. Medidor rpido de humedad Speedy.

Este mtodo est basado en un proceso qumico en el que se utiliza como reactivo el carburo de calcio (CaC2).El mtodo consiste en hacer reaccionar una muestra desuelo con el carburo de calcio dentro de un dispositivo que tiene un manmetro situado en un extremo (ver figura). La reaccin produce un volumen de gas de acetileno (C2H2), que ser mayor o menor en funcin del contenido de humedad. Este gas que se produce genera una presin que se registra en el manmetro. El dispositivo debe ser previamente calibrado para que se lea en porcentaje de humedad referida al peso de la muestra en hmedo o en seco. Este aparto tambin mide la humedad en en diferentes materiales como son: semillas, zacates, heno, algodn, lana, etc.

Figura 8. Medidor de humedad Speedy.

La reaccin que se genera en cualquier caso es: CaC2+ 2H2O = Ca(OH)2+ C2H2Este mtodo fue utilizado muy comnmente en los Distritos de Riego del pas principalmente en la zona noroeste. En la actualidad se ha sustituido por otros con mayor facilidad de uso.

5. Medidor WatermarkEl medidor Watermark se basa en el mismo principio que el de los bloques de yeso, sin embargo, el medidor Watermarkes una versin mejorada de este ltimo, donde el elemento sensor no se disuelve en el suelo, por lo tanto es ms durable. Tanto los bloques de yeso como el medidor Watermakpueden ser usados nicamente como indicadores de la humedad del suelo. La cantidad de agua a aplicar en cada riego puede ser determinada calculando la Et del cultivo.

Figura 9. Medidor de humedad Watermak.

6. TDR Time Domain ReflectometryEste mtodo se basa en la medida del retraso (eco) de una seal elctrica enviada a travs de un material con agua. La tcnica se basa en el principio mediante el cual una onda emitida sufrir una reflexin cada vez que se encuentre ante un cambio de medio, y es el mismo principio mediante el cual funcionan los equiposreflectmetro de dominio de tiempo. La precisin de las tcnicas TDR depende del tipo de suelo, aunque son perfectamente vlidas en la agricultura, son de ms difcil aplicacin en desiertos o zonas de escasa precipitacin o gran salinidad. Para estos casos se emplea lasonda de neutrones, ms exacta pero que necesita de especialistas en manejo de material radiactivo. Numerosas aplicaciones emplean tcnicas TDR para la monitorizacin de humedad, no slo en suelos sino tambin en muros de hormign, cosechas, etc.Figura 10. Medidor de humedad TDR N 300.

El TDR tambin puede ser utilizado para evaluar la uniformidad del riego haciendo medidas en diferentes puntos del campo. Debe tenerse cuidado en suelos rocosos o muy secos, ya que la punta es sensible y puede quebrarse. Podemos observar una tabla comparativa de algunos mtodos mencionados anteriormente

Cuadro 2. Indicadores de humedad del suelo (James, 1988).

RESULTADOS

CONCLUSINTras la realizacin de esta prctica, se obtenido conocimiento sobre varias formas de obtener punto de marchitamiento permanente, capacidad de campo y punto de saturacin; datos importantes para la determinacin de la lmina de riego. Saber obtener dichos valores de diversas maneras es importante ya que nos permite adaptarnos al material disponible en nuestra vida laboral.

BIBLIOGRAFA

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Dr. Rodolfo Cisneros Almazan, 2003. Apuntes de la materia de riego y drenaje. Universidad Autnoma de San Luis Potos Centro de Investigacin y estudios de posgrado y rea Agrogeodsica. San Luis Potos.