Embebição do solo e capacidade de campo

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Embebição do solo e capacidade de campo

Carlos Henrique Britto de Assis Prado e Carlos Aparecido Casali Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Botânica São Carlos, SP, Brasil

Materiais utilizados

Vidrarias: Beckeres de 100 mL, bastão de vidro, provetas de 100 mL. Use

recipientes de plástico para evitar quebras.

Ferramentas manuais: Peneira de malha 2 mm (conhecida comercialmente

como peneira para arroz).

Outros Materiais: Funis com capacidade mínima de 120 mL e diâmetro de 10

cm na abertura máxima (boca), areia fina e areia grossa vendidas em lojas de material de construção e matéria orgânica na forma de esterco curado e seco, algodão.

Introdução

A capacidade de campo de um solo é a quantidade relativa máxima de volume ou de massa de água que esse solo pode reter em seus capilares. A quantidade é relativa, pois a capacidade de campo é expressa em relação ao volume ou à massa de envolvida na retenção de água. A capacidade de campo é um valor importante para fins de irrigação indicando quanto de água deverá ser colocada sobre o solo até atingir o horizonte que abriga raízes.

A força capilar é limitada em um solo e o excesso de água segue em direção aos horizontes mais profundos devido à força gravitacional. Força capilar e força gravitacional são competitivas por água no solo e quando a massa de água atinge um limite crítico o excedente se move pelos capilares do solo em direção ao centro da Terra. A água que percola o volume do solo é denominada de água gravitacional ou água de percolação e a água retida nos capilares do solo é chamada de água capilar (Figura 1).

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Figura 1 – Durante a secagem do solo a fase atmosférica aumenta e o volume da solução do solo diminui proporcionalmente. O volume da fase sólida (volume de partículas sólidas) permanece o mesmo durante a secagem. Conforme ocorre a diminuição da fase líquida a água fica presa em capilares cada vez menores. A água gravitacional, a água capilar e a água higroscópica estão presentes desde o início da secagem do solo, somente a água higroscópica é que permanece em solos extremamente secos ao ar livre. A água capilar é a água útil para a manutenção de um balanço hídrico positivo na planta. Desenho de Carlos Henrique Britto de Assis Prado & Luciane Pivetta.

Quando o solo está seco ao ar livre há ainda água aderida nas superfícies das partículas componentes do solo. Os capilares estão vazios, mas ainda existe moléculas de água aderidas fortemente sobre as partículas. Essa água que ainda persiste sobre as partículas de um solo seco ao ar livre é denominada de água higroscópica (Figura 1) e só pode ser retirada se o solo

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for submetido à temperatura maior que 150 °C. Em so los secos ao ar livre a água higroscópica fica retida nas superfícies das partículas do solo (areia, silte e argila) apresentando uma energia livre de cerca de -300 MPa (Salisbury & Ross, 1992). Nem mesmo os mais finos capilares da parede celular poderiam extrair essa água higroscópica.

Se a água estiver em capilares com diâmetro médio ou grande (geralmente > 0,15 µm) no solo a planta poderá retirar essa água com certa facilidade. Um solo com textura mediana (siltoso) e com 12 % de conteúdo de água apresenta um potencial hídrico de cerca de -1,5 MPa. Para calcular a força com que um capilar do solo segura a água podemos utilizar uma fórmula simples (Larcher, 2000):

Ψsolo = - 0,290 D-1 (MPa) (I)

Onde: Ψsolo = energia livre da água no solo.

D = diâmetro médio dos capilares que retêm água no solo (µm). MPa = mega Pascal = 106 Pa = 1 MPa, cerca de 10 atmosferas.

O sinal negativo na fórmula (I) acima é devido à diminuição da energia livre da água aderida na parede interna do capilar. Se os capilares no solo preenchidos por água apresentam diâmetro médio de 0,2 µm, então a água está com energia livre de -1,45 MPa (Fórmula I). Esse valor indica que seria necessária uma força de 1,45 MPa para iniciar a extração da água capilar desse solo. Esse é um valor de referência importante, pois valores de energia

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livre da água no solo menores que -1,5 MPa podem causar dificuldade significativa para a absorção nas raízes em muitas espécies cultivadas.

A água adere às partículas do solo do solo, pois essas partículas são polarizadas em suas superfícies. Os cristais das partículas de areia, silte e argila1 são constituídos basicamente de um tetraedro com o silício ao centro ou de um octaedro com o magnésio ou alumínio ao centro. Essas unidades cristalográficas (tetra e octaedro) apresentam oxigênio em suas superfícies. As unidades cristalográficas se unem e formam lâminas que constituem os minerais das partículas do solo (Figura 2). As lâminas expõem os oxigênios que são naturalmente eletronegativos e atraem as moléculas de água por meio de seus dois pólos positivos (região do hidrogênio na molécula de água).

Por outro lado, a matéria orgânica no solo, principalmente a matéria orgânica humificada, também apresenta significativa exposição de átomos de oxigênio (Tabela 1) que podem interagir com os pólos positivos da água. Essa matéria orgânica quando adicionada ao solo tende a aumentar a capacidade de retenção de água. Solos humificados com alto teor de matéria orgânica (maior que 8% da massa seca) tendem a apresentar maior valor de capacidade de campo. Com muitos átomos de oxigênio expostos a matéria orgânica adsorve água na superfície de suas partículas, que podem ser tão pequenas como as partículas de argila.

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Dimensão (mm) das partículas do solo: areia (2,0-0,02) silte (0,02-0,002) e argila (menor que 0,002). A proporção das partículas do solo resulta na textura do solo. Exemplos: solo arenoso, siltoso, argiloso.

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Publicado em Março de 2012 em

Figura 2 – Estrutura cristalografia

solo. A) Tetraedro de silício ao centro e oxigênio nos vértices (a unidade da lâmina tetraédrica). B)

oxigênio e hidrogênio nos vértices (a unidade da lâmina octaédrica). C formada por unidades tetraédricas lig

tetraedros compartilham dois ou três átomos de oxigênio formando uma lâmina (silicatos de cadeia múltipla, filosilicatos).

esquematicamente por um trapézio com uma letra

formada por unidades octaédricas ligadas pelas hidroxilas nos vértices. A lâmina pode ser representada por um retângulo com a letra

Redesenhado a partir de Brady (1989) e de Nesse (2000). Ricardo Degani sob a orientação de

cristalografia dos minerais que formam as partículas do Tetraedro de silício ao centro e oxigênio nos vértices (a unidade da ) Octaedro com alumínio ou magnésio ao centro e nos vértices (a unidade da lâmina octaédrica). C

formada por unidades tetraédricas ligadas pelos oxigênios nos vértices. tetraedros compartilham dois ou três átomos de oxigênio formando uma lâmina (silicatos de cadeia múltipla, filosilicatos). A lâmina pode ser representada esquematicamente por um trapézio com uma letra T ao centro. D

formada por unidades octaédricas ligadas pelas hidroxilas nos vértices. A lâmina pode ser representada por um retângulo com a letra

Redesenhado a partir de Brady (1989) e de Nesse (2000). orientação de Carlos Henrique Britto de Ass

os minerais que formam as partículas do Tetraedro de silício ao centro e oxigênio nos vértices (a unidade da Octaedro com alumínio ou magnésio ao centro e nos vértices (a unidade da lâmina octaédrica). C) Lâmina adas pelos oxigênios nos vértices. Os tetraedros compartilham dois ou três átomos de oxigênio formando uma lâmina A lâmina pode ser representada ao centro. D) Lâmina formada por unidades octaédricas ligadas pelas hidroxilas nos vértices. A lâmina pode ser representada por um retângulo com a letra O ao centro. Redesenhado a partir de Brady (1989) e de Nesse (2000). Desenhos de

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Tabela 1 – Importantes grupos funcionais oxigenados das substâncias húmicas. São também mostradas concentrações (mol kg-1) das funções carboxila e fenol que após perderem prótons H+ disponibilizam cargas negativas nas superfícies dos ácidos húmico (HU) e fúlvico (FU). Modificado de Sposito (1989).

Grupo funcional e fórmula estrutural

Concentração

média e valores máximo-mínimo (mol kg-1)

Ácido carboxílico (carboxila) -COOH 3,6 6,0-1,5 (HU) 8,2 11,2-5,2 (FU) Fenol OH 3,1 5,7-2,1 (HU) 3,0 5,7-0,3 (FU) Álcool -OH cetona (carbonila) -CO- Éter R-CH2-O-CH2-R Quinonas

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Experimento

a) Obtenha os seguintes tipos de solo. A) Areia fina que pode ser comprada em loja de material de construção e adicione matéria orgânica na proporção de 1:1 volume/volume. Como matéria orgânica pode ser usado esterco seco e curado. A alternativa para esse solo é o solo arenoso do cerrado com adição de matéria orgânica na proporção de 1:1. B) Areia fina, somente. Como alternativa é possível usar solo arenoso como o encontrado sob vegetação de cerrado contendo 50-70% de areia. C) Areia grossa, também vendida em lojas de material de construção. É possível simplificar o experimento utilizando somente areia fina e areia grossa. Nesse caso a matéria orgânica é excluída dos resultados e da discussão do experimento.

b) Com uma peneira de malha 2 mm (conhecida comercialmente como peneira de arroz) retire pequenas rochas e pedaços de tecido orgânico que os solos possam apresentar obtendo um solo que escorre facilmente entre os dedos (solo friável). Todos os 3 substratos devem ser secos ao ar livre antes de serem utilizados no experimento. Colete em um Becker de 100 mL cada um dos tipos de solo já secos e peneirados (Figura 3).

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Figura 3 – Foto esquerda: aspecto geral dos três tipos de solo secos e peneirados que podem ser usados. A) solo de cerrado mais matéria orgânica na forma de esterco seco e curado na proporção de 1:1 volume/volume; B) solo arenoso, como o solo sob vegetação de cerrado e C) areia grossa. Os solos devem ser previamente secos e peneirados com malha de 2 mm. Foto direita: beckeres com o volume de 100 mL de cada solo. Fotos de Carlos Henrique Britto de Assis Prado & Carlos Aparecido Casali.

c) Colocar cada um dos 100 mL de cada solo em diferentes funis. Coloque previamente um pequeno pedaço de algodão no início da haste do funil para evitar o escoamento (Figura 4). Suspender cada um dos funis com o solo sobre uma proveta e adicionar 100 mL de água vagarosamente (Figura 5). Utilizar um bastão de vidro para ajudar a espalhar a água sobre a superfície do solo no início da embebição (Figura 5).

d) Após 1 hora ocorrerá todo o percolamento possível da água e um volume será coletado na proveta (Figura 6). Uma parte do volume (100 mL) de água adicionado sobre a superfície do solo ficará retida como água capilar. Registrar o volume de água que percolou o solo e foi coletado na proveta (Figura 7). Nesse momento nenhuma água escorre mais do solo no funil

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Figura 4 – Foto esquerda: Funil com pequeno volume de algodão no início da haste para evitar o escoamento do solo. É importante que a quantidade de algodão seja pequena e similar nos três funis usados. Foto direita: 100 mL de substrato colocado no funil a ser suspenso por uma proveta. Fotos de Carlos Henrique Britto de Assis Prado & Carlos Aparecido Casali.

e) O volume retido no substrato é igual ao volume de água colocado na superfície (100 mL) menos o volume coletado na proveta. Calcular as capacidades de campo de cada substrato utilizando a fórmula abaixo.

Cc = água retida no solo (mL) x 100 % volume do solo (mL)

Onde:

Cc = capacidade de campo do solo (% de volume do solo utilizado).

Água retida no solo = volume de 100 mL (derramado sobre o solo) menos o volume (mL) de água coletado na proveta.

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Figura 5 – Utilizando-se uma proveta de 100 mL como suporte para funil (A) adicionar água (100 mL) lentamente sobre os solos (B e C). Com o auxílio de um bastão de vidro é possível fazer uma pequenas depressões na superfície do solo (C) para evitar que a água escoe pelas bordas do funil. Para o solo com areia fina e matéria orgânica utilize um bastão de vidro para revolver um pouco a superfície de solo e facilitar a drenagem inicial da água. Foto de Carlos Henrique Britto de Assis Prado & Carlos Aparecido Casali.

Figura 6 - Montagem com os diferentes tipos de solo. Após 1 hora toda a água de percolação (água gravitacional) é coletada na proveta e o volume poderá ser determinado. Uma parte do volume de 100 mL adicionado fica retido nos capilares do solo como água capilar. Foto de Carlos Henrique Britto de Assis Prado & Carlos Aparecido Casali.

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Figura 7 – Volume de água coletada na proveta após toda a percolação em cada solo. Os volumes de 41, 54 e 73 mL foram coletados, respectivamente, no solo de cerrado mais matéria orgânica, solo de cerrado, e na areia grossa. Como a quantidade de água adicionada sobre o solo foi de 100 mL os volumes retidos no volume de solo como água capilar foram: 59 (cerrado + matéria orgânica), 46 (cerrado) e 27 mL (areia grossa). Fotos de Carlos Henrique Britto de Assis Prado & Carlos Aparecido Casali.

f) A capacidade de campo revela a quantidade máxima de água que um solo pode reter nos seus capilares, ou seja, nos espaços entre as partículas do solo. A água capilar retida no solo suspenso pelo funil é a água prontamente disponível para a absorção pela raiz ou para a embebição das sementes no início do processo de germinação. Os solos com partículas maiores como o solo de areia grossa apresentam menor capacidade de campo que solos com partículas menores (areia fina + matéria orgânica ou a areia fina). Solos com textura mais fina (com partículas menores como o silte e a argila) apresentam capilares com menor diâmetro e, portanto, com maior capacidade de retenção

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e água (Fórmula I). A água de percolação coletada na proveta não é a água útil para absorção. Essa água em excesso simplesmente passa pelas raízes em direção ao lençol e geralmente se aloja em horizontes do solo abaixo da altura das raízes. Portanto, considerando a água capilar, de percolação também denominada de água gravitacional) e a água higroscópica, somente a água capilar é a disponível como componente positivo para o balanço hídrico da planta.

Síntese

Pólos e cargas nas superfícies das partículas do solo são capazes de aderir fortemente moléculas de água. Essa atração é a responsável pela força capilar do solo e a sua correspondente capacidade de armazenamento hídrico. As forças capilares no solo dependem do diâmetro do capilar. Solos com partículas maiores apresentam maior espaço entre essas partículas e formam capilares com maior diâmetro como nos solos arenosos. Esses solos apresentam reduzida capacidade de armazenamento de água. Por outro lado, solos com partículas menores como os solos siltosos e argilosos apresentam capilares menores e maior capacidade de retenção de água. A água em excesso que percola o solo em direção ao lençol freático (água gravitacional) não é a usada pela planta para recompor seu balaço hídrico. Somente a água retida nos capilares do solo (água capilar) pode servir para repor a água perdida por transpiração. Portanto, a capacidade de retenção de água de um solo é característica significativa para o estabelecimento e o crescimento da planta durante seu ciclo de vida.

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Bibliografia

Bibby C (1969) Simple experiments in biology. Second Edition, London. Heinemann Educational Books Ltd. 216 p.

Brady NC (1989) Natureza e propriedades dos solo. Livraria Freitas Bastos SA. Rio e Janeiro, 879 p.

Larcher, W (2000) Ecofisiologia Vegetal. São Carlos, Rima, 531 p.

Nesse WD (2000) Introduction to mineralogy. Oxford University Press. New York. 442 p.

Salisbury FB, Ross CW (1992) Plant physiology. Belmont, Wadsworth, 682 p. Sposito G (1989) The chemistry of soils. Oxford University Press, New York, 277 p.