Propiedades FÍSICAS del suelo

M.Sc. Gilberto Cabalceta AguilarCentro de Investigaciones Agronómicas

Universidad de Costa Rica

Textura✔ Se refiere a la proporción relativa de arena, limo y arcilla; esta categorización se refiere a las partículas menores de 2 mm

✔ Las partículas mayores a 2 mm corresponden a gravas y piedras que no son tomadas como textura

✔ Propiedad muy importante, relacionada directamente con la mayoría de propiedades físicas del suelo: presenta gran influencia por medio del componente arcilla, sobre las propiedades químicas e indirectamente sobre las biológicas del suelo

Representación visual de los tamaños y formas comparativas de arena, limo y arcilla. Hillel, 1980

Arena

Arcilla Limo

100µ

✔ Al ↓ el tamaño de partícula, ↑ inversamente el área superficial expuesta = término “superficie específica” para referirse al área por unidad de masa de suelo (m2/g). ✔ Esta característica es la que determina principalmente que la textura influya mucho sobre las propiedades físicas y químicas, especialmente en la proporción y magnitud de las reacciones de los suelos, ya que define el espacio sobre el cual ocurrirán las reacciones.

Utilidad: Permite una deducción aproximada de las propiedades generales del suelo, y así ajustar las prácticas de manejo, labranza, riego y fertilización requeridos. Además puede utilizarse para evaluar y valorar tierras de acuerdo a su capacidad de uso, clasificar suelos, etc.Influye directamente en: Espacio aéreo, porosidad total, consistencia, movimiento y almacenaje de agua, etc.

Arcillas: tamaño < 2µ, son las partículas más pequeñas.

✔ Punto de vista físico: dan al suelo las características de plasticidad y pegajosidad y tienen una influencia directa sobre el movimiento y almacenaje del agua

✔ Punto de vista químico: están relacionadas con la fertilidad de los suelos

✔El termino arcilloso, es genérico ya que existen muchos tipos de arcillas (arcillas 1:1, 2:1, etc) y que varian en sus propiedades fisicas y químicas notablemente ✔Arenas✔Limos

Componentes

✔ De la combinación de estos tres componentes se originan los nombres texturales: ✔ Franco limoso, Arcillo arenoso, Arenoso etc.

“El suelo Franco contiene una mezcla de arena, limo y arcilla en tales proporciones que exhibe las propiedades de

las tres fracciones de modo equilibrado”

✔ Contiene menos arcilla que arena y limo ya que las propiedades de la primera se expresan con mayor fuerza.

✔ La arena, el limo y la arcilla, son clasificadas de acuerdo a su tamaño.

Componentes

Clasificación de las partículas del suelo, según sistemas del USDA y la Sociedad Internacional de la Ciencia del Suelo

ESTADOS UNIDOS INTERNACIONALFracción del suelo Diámetros

Límites en mmDiámetros

Límites en mmArena muy gruesa 2.00-1.00 Arena gruesa 2.00-0.20Arena gruesa 1.00-0.50 Arena fina 0.20-0.02Arena media 0.50-0.25 Limos 0.02-0.002Arena fina 0.25-0.10 Arcilla < de 0.002Arena muy fina 0.10-0.05Limos 0.05-0.002Arcilla < de 0.002Gavande , 1976

Algunas características de los separados del suelo

Fracción Separado Diámetromm N°partículas/g Área sup./g

cm²Muy gruesa 2.00-1.00 90 11

Gruesa 1.00-0.50 720 23Arena Media 0.50-0.25 5700 45

Fina 0.25-0.10 46000 91Muy fina 0.10-0.05 722000 227

Limo 0.05-0.002 5776000 454

Arcilla < 0.02 99260853000 8000000

✔ Un suelo arcilloso tendrá > cantidad total de poros que un suelo arenoso, aunque el tipo de poros en este último favorezca más el movimiento del agua en el suelo que en el suelo arcilloso.

✔ Algunos cultivos crecen dificultosamente en suelos muy pesados o arcillosos, en tanto que otros no pueden hacerlo en suelos arenosos.

✔ Los microorganismos del suelo se ven afectados en forma indirecta, ya que una textura pesada provee condiciones de reducción constantes lo cual afecta el crecimiento normal de algunos microorganismos del suelo.

Retención del agua, capacidad de intercambio de nutrimentos y cantidad total de poros:

TexturaRetención de nutrimentos

Superficie específicaFertilidad potencialRetención de agua

PermeabilidadPercolaciónLixiviaciónAereaciónPlasticidadCohesividadPegajosidad

Erosión eólicaPenetración radical

Facilidad de labranzaPurificación de aguas

Escurrimiento superficial

Suelos arenososTextura gruesaLivianos

Suelos arcillososTextura fina

Pesados✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

✔

Triángulo textural modificado para determinar la textura del suelo por método del tacto

Aa AL

FAa

a

FaF FL

FAL

No forman cintas. Terrones suaves en seco. Arena de grano

simple

Forman cintas buenas y son pegajosas en húmedo, terrones muy duros en seco

F

FA

ArcillasA

Forman cintas medias en húmedo, terrones duros en seco

FA

Triángulo de textura

Estructura Es el producto de la combinación de arenas, limos y arcillas y otros más grandes (Naturaleza mineral u orgánica), que por acción directa de materiales cementantes, se agregan y forman los peds (agregados individuales).

Modifica la influencia de la textura

✔ Relaciones de humedad y aire

✔ Disponibilidad de nutrimentos

✔ Acción de microorganismos

✔ Desarrollo de la raíz

Formación de agregados del suelo✔ Agrupación de las partículas (floculación)✔ Unión de partículas ± firmes (cementación)Materiales cementantes

1. Minerales arcillosos2. Óxidos de Fe y Al3. M.O.

Factores que influyen en los agregados1. Humedecimiento y secado2. Heladas y deshielo3. Actividad de raíces y animales del suelo4. Degradación de MO, excreciones de microorganismos5. Aire/agua6. Cationes adsorbidos7. Laboreo del suelo

Tipo: se refiere a la forma de los pedsLaminar: Horizonte BPrismático: Horizonte B

Prismático: Sin extremos redondeadosColumnar: Con extremos redondeados

Bloques: Horizonte BAngulares: Vértices angulares

Subangulares: Vértices redondeadosEsferoidal: Horizonte A

Granular: ped no porosoMigajón: ped poroso

Descriptores de la estructura

Sin estructuraGrano simple: las partículas se distinguenMasiva: las partículas se adhieren, sin planos de debilidad

Propiedades físicas del sueloDensidad aparente y de partículas

Densidad aparenteRelación de la masa de suelo seco por Un. de volumen del suelo (seco 110°C). Incluye el volumen de partículas sólidas y espacio poroso.

Volumen del cilindro = Πr2h

δap= masa suelo seco g/cm3 ó Mg/m3

vol. suelo (+poros)

USOS1. Transformar humedad gravimétrica en volumétrica2. Calcular lámina de riego3. Estimar la masa de la capa arable4. Calcular porosidad del suelo5. Índice de compactación (capas endurecidas)6. Estimar capacidad de aireación y drenaje

1 hectárea posee un volumen de:100m

100m0,20m

10 000m2 x 0,20m = 2 000m3 = 2 000 000dm3 o La 0,15m:10 000m2 x 0,15m = 1 500m3 = 1 500 000dm3 o L

Su masa varía según su densidad aparente (δap)

Masa = volumen x δap δap = 1,5g/mL = 1,5kg/L

0,20 m prof. ⇒ 2 000 000 L x 1,5 kg L-1 = 3 000 000 kg/ha0,15m prof. ⇒ 1 500 000 L x 1,5 kg L-1 = 2 250 000 kg/ha

δap = 1,33g/mL = promedio

0,20 m prof. ⇒ 2 000 000 L x 1,33 kg L-1 = 2 660 000 kg/ha0,15 m prof. ⇒ 1 500 000 L x 1,33 kg L-1 = 1 995 000 kg/ha

Valores comunes de densidad aparenteSuelos orgánicos: 0,1 - 0,6 g/cm3

Suelos superficiales, texturas finas: 1,0 - 1,3 g/cm3

Suelos superficiales, texturas gruesas: 1,0 - 1,8 g/cm3

Suelos compactados: hasta 2,0 g/cm3

Suelos franco arcillosos: 1,0 - 1,4 g/cm3

Suelos franco limosos: 1,1 - 1,4 g/cm3

Suelos franco arenosos: 1,2 - 1,8 g/cm3

Suelos volcánicos: 0,3 - 0,85 g/cm3

En suelos superficiales:1. + fino ⇒ + porosidad ⇒ - δap 2. + grueso ⇒ - porosidad ⇒ + δap

3. + M.O. ⇒ - δap

4. + prof. ⇒ + δap (+ compactación, - M.O.) La δap es afectada por:

Contenido de M.O. Material parental Compactación

Densidad de Partículas o RealEs la masa por unidad volumen de sólidos. A diferencia de la δap no incluye el espacio poroso

δsólidos (δp) = masa sólidos (Ms) = g/cm3 ó Mg/m3

vol. sólidos (Vs)USOS1. Calcular el % de porosidad2. Velocidad de sedimentación de partículas 3. Concentración de sólidos suspendidos

Mineral δp (g/cm3 o Mg/m3)Magnetita 4,9 a 5,2Limonita 3,4 a 4,0Hematita 4,9 a 5,3Hidróxidos de Fe y Al 2,4 a 4,3Silicatos arcillosos 2,0 a 2,7Fe(OH)3 3,73Cuarzo 2,65Caolinita 2,50Montmorillonita 2,50Humus 1,37Materia orgánica (Irazú) 0,51 a 2,17VALOR PROMEDIO = 2,65 g/cm3

Espacio PorosoPorción de suelo que no está ocupada por partículas, está ocupada por aire o agua

TIPOS DE PORO1. Macroporos: Transporte de agua y aire2. Mesoporos: Conducción de agua y aire 3. Microporos: Retención de humedad

Porosidad de aireación (no capilar o macroporosidad)Porosidad capilar (microporosidad)VALORES1. Suelos arenosos superficiales: 35-50% Ep total

- poca retención de agua- buena aireación

2. Suelos de textura fina: 40-60% Ep total- buena retención de agua- mala aireación

3. Suelos compactados: 25-30% Ep total

Densidad aparente de diferentes suelos de Hawaii y el desarrollo de raíces de caña de azúcar

Densidad aparente (g/cm3) con raícesCrec. normal Se aplastaron Restringidas

Ustox 1,02 1,12 1,52Hydrand 0,52 0,70 1,08Aquept 1,17 1,32 1,76

Relaciones entre la densidad aparente, % sólidos y %volumen poros en suelos con densidad de partículas = 2,65g/cm3

Densidad aparente g/cm3 kg/m3 % sólidos % vol. poros

1,0 1 000 38 62 1,1 1 100 42 58 1,2 1 200 45 55 1,3 1 300 49 51 1,4 1 400 53 47 1,5 1 500 57 43 1,6 1 600 60 40

Porosidad capilar y de aireación en un perfil poco diferenciado de Minden frente a otro, de Edina, muy diferenciado. (Ulrich, 1949)

Minden (FRANCO-LIMOSO)

0

25

50

75

100

125

0 20 40 60 80 100

% del voluimen total

Prof

undida

d, c

m

Edina (FRANCO-ARCILLOSO)

0

25

50

75

100

125

0 20 40 60 80 100

% del voluimen total

Prof

undida

d, c

m

Porosidad capilar

Porosidad capilar

Sólidos del suelo

Sólidos del suelo

P.A.

P.A.

Designación de los horizontes, estructura, contenido de arcilla, densidad aparente y porcentaje de poros de los horizontes de un migajón Miami (Alfisol). (University of Illinois Agriculture Experimental Station Bulletin 665, 1960

A1

A2

AB

Bt

C

Granular

En placas débilmentedesarrolladas

Transición

En bloquessubangulares

Bloques subangulares,que se hacen masivosen la parte inferior

0 0,5 1 1,5 10 20 30 40 500 10 20 30

% Arcilla δap g/cm3 % Poros

Volumen

de

mac

ropo

ros

Propiedades físicas de los suelosColor y Temperatura

Color

El color del suelo se relaciona con:1. Contenido de M.O.2. Condición de drenaje y aireación3. Clima4. Génesis

Material Fórmula ColoresÓxido ferroso FeO Gris azuladoÓxido férrico

hidratado (Limonita) Fe2O3xH2O Amarillentos

Óxido férrico(Hematita)

Fe2O3 Rojos

Materia orgánica Oscuros

Medición del color

Tablas de MUNSELLMATIZ (Hue): longitud de onda predominante

Blue Green Yellow Red PurpleNúmeros y letras. Cada página es un matiz2.5 5 7.5 10 10YR-7.5YR (más común)

VALOR (Value): brillantez o luz reflejada0= Negro absoluto 10= Blanco absoluto

CROMA (Chroma): pureza relativa de la longitud de onda dominante

0 (gris neutro) - 20(Negro, nunca presente en suelos)

10YR 6/410YR: Matiz 6: Valor 4: Croma

Tabla Munsell: Matiz 2.5YR

Tabla Munsell: Matiz 5YR

Tabla Munsell: Matiz 7.5YR

Tabla Munsell: Matiz 10YR

ResumenMaterial Colores

Materia orgánica OscurosREDOX

Buen drenajeHidratadosMal drenaje-reducidoNivel freático fluctuante

RojosAmarillos

GrisMoteado gris-rojo

CLIMAFríoCálido-Húmedo-Poco drenadoCálido-Húmedo-Buen drenajeIntermitencia

OscurosOscuros

Rojo-AmarilloMoteado

GÉNESIS Y CLASIFICACIÓNViejos Rojos

Temperatura Capacidad térmica o calórica: cantidad de calor requerida para cambiar la temperatura de una masa dada de una sustancia a otra cantidad

Calor específico: Cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1g de masa en 1°C

Suelo mineral: 0,18 - 0,20 cal g-1 °C-1

Suelo orgánico: 0,45 cal g-1 °C-1

Variación de la temperatura del sueloFactores que determinan:✔ Ángulo de incidencia de los rayos solares✔ Profundidad-época (hora)✔ Contenido de agua✔ Color del suelo✔ Cobertura

Manejo de la Temperatura del suelo ✔ Escogencia del sitio respecto al sol✔ Construcción y orientación del alomillado✔ Riego: < T por incremento de evaporación

Agua con T diferente al suelo✔ Drenaje: extraer agua permite calentar más rápido✔ Coberturas:

↓ radiación incidente ⇒ < TEvitan evaporación ⇒ > agua ⇒ < TEvitan salida radiación ⇒ > TAmortiguan TClaras: Reflejan radiación ⇒ < TOscuras: absorben radiación ⇒ > TCumplen otras funciones: control de malezas, protección de daños, etc.Coberturas vivas: hoja decidua y perenne

Balance térmico diurno Radiación solar extraterrestre

100%Reflexión 28%28%

Nube

Absorción 16%16%

(37%) Difusión

(11%)11%)

Radiación del cielo (26%)Rayos directos (19%)

Radiación global (45%)45%)

Radiación neta (67%)

(100%)

Flujo de calor en el suelo

Radiación salienteefectiva (17%)

Reflexión (16%)Evaporación y transpiración (55%)

Calor sensible (12%)

Radiación solar extraterrestre

Geiger, 1965

Radiación global

Chang, 1961

Propiedades físicas de los suelosConsistencia

37

Consistencia

Se refiere a las manifestaciones de las fuerzas físicas de cohesión y adhesión dentro del suelo, a diferentes contenidos de humedad.

Las manifestaciones son:1. El comportamiento ante la gravedad, la presión, el empuje y la tracción2. Tendencia a adherirse a cuerpos extraños3. La sensación al tacto

Las 2 fuerzas causantes de la consistencia son:a. La atracción molecular: COHESIÓNb. La tensión superficial: ADHESIÓN

Cohesión es la unión entre partículas por fuerzas de atracción debido a mecanismos físicoquímicos.

Adhesión es la atracción de la fase líquida sobre la

superficie de la fase sólida

Consistencia

TérminosFluidez: suelo como líquidoPegajosidad: glutinosidad, adherenciaPlasticidad: Resist. a la deformación y esfuerzo cortanteFriabilidad: Facilidad de labranzaFirmeza: Resistencia a la compresión, coherenciaDureza: Resistencia a la rupturaPegajosidad y plasticidad: (adhesión/deformación)Friabilidad, firmeza: Cohesión Dureza: Ruptura

Factores que afectan la consistenciaa. Humedad b. Contenido de arcilla c. Tipo de arcillad. Estructura e. Contenido de M.O. f. Naturaleza o tipo de catión intercambiable dominante

Efectos de humedad sobre adhesión y cohesión del suelo (Kohnke, 1968)

Estado de humedad

Cons

iste

ncia

Seco Medio húmedo

Húmedo Muy húmedo

Saturado

Cohesión

Adhesión

Propiedades Físicas del SueloAgua del suelo

Ciclo hidrológico

Agua almace

nada(+)

Escurrimiento subterráneo(-)

Escurrimiento subterráneo(+)

Intercepción

Evapotranspiración(-)

Agua freática

Escurrimiento superficial(+)

Escurrimiento

superficial(-)

Precipitación(+)Condensación(+)

Infiltración(+)

Efecto capilar(+)

(-) Percolación(-)

Ciclo hidrológicoEcuación básica del balance hídrico

P ± R - U - E + ∆w =0, dondeP: precipitaciónR: escurrimiento superficial y subterráneoU: Drenaje, percolaciónE: evapotranspiración (planta + suelo)w: agua almacenada (mm), diferencia entre inicio y el final del periodo en la profundidad principal de raíces.

Balance de agua en el suelo (agua almacenada en el suelo):

EntradasPrecipitación (P)

Irrigación (I)

SalidasEscorrentía (R)

Drenaje (U)Evapotranspiración (ET)

Formas de agua en el suelo1.Agua de combinación química: forma parte de compuestos químicos, ej: limonita, Fe2O3 x 2H2O. Esta agua no es disponible para las plantas, y es biológicamente inactiva.

2.Agua higroscópica: esta es el agua contenida en los suelos secos al aire, aquella que está en equilibrio con la humedad ambiente. Inactiva biológicamente.

3.Agua capilar: agua contenida en los microporos del suelo. Disponible para las plantas. Biológicamente activa.

4.Agua gravitacional (no capilar): agua contenida en los macroporos del suelo y que drena por la fuerza de gravedad (agua de drenaje). Si su movimiento es lento, puede ser utilizada por las plantas.

Retención del agua del suelo/Constantes de humedadCapacidad de campo (CC): agua retenida en contra de la fuerza de gravedad cuando drena libremente; (en suelo bien drenado, agua presente luego de 2d. de aplicado el riego) CC: 0,33bares(0,033MPa) y 0,2-0,1bares en suelos arenosos

Punto de marchitez permanente (PMP): contenido de humedad del suelo al que la planta se marchita en forma irreversible

PMP: 15bares (1,5MPa)

Coeficiente higroscópico (CH): agua del suelo seco al aire. en equilibrio con 98% de humedad relativa a temperatura ambiente

CH: 31bares (3,1MPa)

Agua útil: comprendida entre CC y PMP

Retención del agua del suelo

0

10

20

30

40

50

60

70

Tensión

% A

gua

0,033 1,5 MPa

Arcilla

Arena

Agua disponible

30%

7%

Retención de agua en suelos de Costa Rica

Prof. % agua δap H2OSuelo cm 0,34 15,1 g/cm3 ÚtilAlajuela plano 0-18 70,5 30,0 0,60 40,5Alajuela ondul. 0-18 63,5 30,0 0,83 33,5Grecia 0-18 50,0 29,5 0,90 20,5Ciruelas 0-18 56,0 35,0 0,79 21,0Paraíso 0-30 46,0 32,0 0,75 14,0Cervantes 0-30 84,0 62,0 0,56 22,0Birrisito 0-50 88,0 51,5 0,49 36,5Instituto 0-30 42,0 27,0 1,82 15,0

Infiltración de agua en el sueloEntrada vertical del agua al perfil del suelo. Funciona para:✔ Escogencia y diseño del sistema de riego✔ Longitud del recorrido del agua en relación a la pendiente✔ Lluvia efectiva✔ El flujo disponible en un sistema por gravedad✔ Tasa máxima de aplicación de agua, sin escurrimiento✔ Escorrentía ✔ Tiempo de estancamiento de agua sobre la superficie✔ En general influye sobre agua efectiva y erosión✔ Tiene unidades de velocidad cm/s o cm/h (más usadas)

Grupo Clases HidrológicasA 0,76 – 1,14 ó > cm/hB 0,38 – 0,76 cm/hC 0,13 – 0,38 cm/hD < 0,13 cm/h

Conductividad hidráulica del sueloHabilidad del suelo saturado de permitir el paso de agua ✔ Es necesario para fórmulas de drenaje✔ Influye sobre la infiltrabilidad y determina en parte el agua almacenada y erosión ✔ La conductividad hidráulica es el factor de proporcionalidad de la Ley de Darcy. (unidades de veloc.)Ley de Darcy: la velocidad del flujo de agua a través de una columna de suelo saturado, es directamente proporcional a

la diferencia en carga hidráulica e inversamente proporcional a la longitud de la columna

Q = Kath/l ⇒ K = Ql/Ath

K = (cm/s)Q = (flujo cm3)A = (área cm2=πr2)

t = tiempo (s)h = altura del agua (cm)l = altura del suelo (cm)