Quantification of physical and hydraulic properties for a substrate in conditions of organic agriculture

Teresa López¹, Carmen Duarte¹, Felicita González² y Greco Cid³

RESUMEN. El presente trabajo tiene como objetivo principal el de actualizar las principales propiedades físicas e hidráulicas del sustrato predominante en el organopónico experimental del Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje (IIRD), que permitan la precisión del manejo del riego en estas condiciones productivas, aplicando para ello técnicas y métodos novedosos. Para el trabajo se escogieron tres canaletas representativas del tipo de sustrato predominante en el organopónico experimental del IIRD que constituye una mezcla de un 50% de materia orgánica y un 50% de suelo Ferralítico Rojo. Se determinaron las propiedades que definen la disponibilidad del agua para las plantas en este sustrato (limites superior e inferior del agua disponible, reserva fácilmente aprovechable), comparando para el límite superior el método tradicional de capacidad de campo con el método de cuantificación de flujos. Se determinaron la curva característica y función conductividad hidráulica no saturada. Los resultados de este trabajo permiten primeramente definir un criterio más preciso del límite superior del agua disponible en el sustrato estudiado y la actualización de las propiedades físicas e hidrodinámicas obtenidas resulta un elemento importante para garantizar la optimización del manejo del agua y la fertirrigación en el sustrato estudiado.

Palabras clave: agua disponible, sustrato orgánico, propiedad hidráulica, sonda electromagnética, contenido de agua.

ABSTRACT. The objective of this work was up to date the main physical properties of organic substrate in the experimental orchard for agricultural production at Irrigation and Drainage Research Institute (IIRD), allowing to adequate the irrigation management on these conditions, applying for this purpose new techniques and methods of determination. For this studies it were chosen three areas with organic substrates been a mixture of 50-50 % of organic matter-Ferrasol, respectively. It was determined substrate water available for plants, comparing the determination of high limit of available water using two methods: field capacity and flux quantifications. It were also determined the substrate characteristic curve and the no saturated hydraulic function. The results allowed defining through a precise criterion about the high limit of available water in these conditions of organic substrate and this actualization of substrate physical and hydraulic properties is a primary element for water and fertilization optimal management the analyzed orchard.

Keywords: available water, organic sustrate, hydraulic property, electromagnetic probe, water contents

Recibido 10/12/07, aprobado 18/09/08, trabajo 30/08, investigación

¹ Dra., Investigadora Titular, Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje (IIRD), Apdo. postal: 6090, C. Habana. Cuba, E-mail: teresa@iird.cu

² MSc., Investigadora Auxiliar, IIRD.

³ Dr. Inv. Titular, IIRD.

INTRODUCCIÓN

Este trabajo se vincula a un proyecto de investigación del Programa Ramal de Riego y Drenaje del Ministerio de la Agricultura, el cual tiene entre sus propósitos fundamentales el
de actualizar el funcionamiento integral agronómico y tecnológico del Organopónico Experimental del Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje, con la utilización de las tecnologías de punta resultantes de los estudios precedentes (Duarte, 2006).

Dentro de este proyecto uno de los estudios previos imprescindibles lo constituye la actualización de todas aquellas propiedades físicas e hidráulicas del sustrato que definen el almacenamiento del agua en el mismo y las pérdidas. Esta información es vital para el establecimiento de un manejo óptimo del riego y el fertirriego en estas condiciones.

En los últimos años el desarrollo de las sondas electromagnéticas (conocidas como TDR) ha permitido poner a disposición de especialistas e investigadores herramientas de fácil utilización y que permiten obtener una respuesta rápida y precisa del contenido de agua de los suelos, facilitando por tanto los estudios relacionados con la determinación de propiedades hidrofísicas, consumo de agua por las plantas y estudios de eficiencia de aplicación de sistemas de riego, entre otros (Cassel et al., 1994; Ruiz y Díaz, 2000). Por otra parte numerosos trabajos reportados en la literatura desde finales de los años 60 hasta la fecha, abogan por la necesidad de un estudio detallado de los flujos de agua en la zona radical de las plantas, a partir de una caracterización hidrodinámica del perfil del suelo. La utilización de esquemas simplificados para la cuantificación de propiedades hidrodinámicas y balances hídricos puede conllevar a importantes imprecisiones en la predicción del almacenamiento del agua en la zona radical y la evapotranspiración; información ésta que constituye la base para determinar normas y pronosticar el momento del riego (López, 2002). El presente trabajo tiene por tanto como objetivo principal el de actualizar las principales propiedades físicas e hidráulicas del sustrato predominante en el organoponico experimental del IIRD que permitan la precisión del manejo del riego en estas condiciones productivas, aplicando para ello técnicas y métodos novedosos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para el trabajo se escogieron tres canaletas representativas del tipo de sustrato predominante en el organopónico experimental del IIRD que constituye una mezcla de un 50% de materia orgánica y un 50% de suelo Ferralítico rojo. Las propiedades del sustrato que se determinaron fueron las siguientes:

• Limite Superior del Agua Disponible en el suelo para las plantas;

• Límite Inferior del Agua Disponible en el suelo para las plantas;

• Densidad aparente;

• Función Conductividad Hidráulica no saturada;

• Curvas características.

Las canaletas se encontraban sin cultivo y fueron humedecidas a través del sistema de riego hasta lograr un estado de humedad en el sustrato cercano a la saturación. En una de las canaletas se cubrió la superficie con una lona para evitar la evaporación y realizar así una prueba de drenaje interno según el procedimiento planteado por Hillel et al., (1972). En todas las canaletas se siguió la dinámica de la humedad del sustrato con una sonda electromagnética tipo TDR, modelo HIDROSENSE (2001), la cual ya ha sido calibrada anteriormente para este tipo de sustrato y cuya ecuación de calibración es la siguiente (López et al., 2006):

Wv = 40,31·T5,79 (R2 = 0,92)

Donde: Wv es la humedad volumétrica del sustrato en % y T la lectura del TDR en ms. Las mediciones con la sonda TDR se hicieron el primer día cada 2 horas y posteriormente dos veces al día (en la mañana y la tarde) durante 10 días.

• Límite Superior del Agua Disponible. LSAD Para la determinación del LSAD en el suelo para las plantas se siguieron dos criterios: 1. El criterio de Capacidad de Campo (Cc) según el concepto definido por Veihmeyer y Hendrickson (1949) y para el cual se establece como valor de Cc el contenido de agua que se mantiene constante después de las primeras 24-48 horas de la saturación. 2. El criterio que considera este límite como el contenido de agua correspondiente a la condición después de la saturación donde se alcanza un flujo de redistribución de 1 mm/dia. Para este criterio se utilizaron los resultados del drenaje interno y la función conductividad hidráulica no saturada según el procedimiento descrito por López (2002).

• Densidad aparente. da Para la determinación de la da se tomaron muestras con anillos de volumen conocido (100 cm³), tres por cada canaleta utilizada en el estudio. Las muestras se tomaron al contenido de humedad correspondiente al LSAD, se pesaron antes y después de llevarlos a la estufa a 110 ⁰C durante 24 horas. Los cálculos para la determinación de da se hicieron según las expresiones siguientes:

Donde: m_s es la masa de los sólidos y V_t el volumen total, que en este caso es conocido pues el volumen del anillo es de 100 cm³.

• Conductividad Hidráulica no saturada. K(q) Para la determinación de la función K(q) se siguió el procedimiento de Libardi et al (1980) que parte de asumir un gradiente de potencial unitario y considera el siguiente procedimiento: La primera simplificación es considerar la conductividad como una función exponencial de la humedad volumétrica, quedando definida por los parámetros Ko y b:

K = Ko*q^{b (}q^_q^o) Sustituyendo la ecuación anterior en la ecuación general del flujo se tiene:

Donde: Ko y qo son los valores de la conductividad y la humedad para el estado estacionario (no necesariamente los valores de saturación) y ambos corresponden a la profundidad analizada L. La variante de este método que se utiliza es la conocida como el Método q, y resulta de la integración de la ecuación anterior desde t=0, q=qo hasta t=t, q=q:

para tiempos grandes (t ~ ¥) esta ecuación queda:

Una regresión lineal entre (qo_media _ q_media) y ln t arrojará los valores de Ko y b desde la pendiente y la intercepción.

• Curvas Características. q(h) Para la determinación de la curva q(h) del sustrato se ajustaron los datos de la función conductividad hidráulica no saturada al modelo de. van Genuchten et al., (1991):

donde: siendo qr y qs las humedades residual y de saturación respectivamente;

 a y n parámetros a determinar y

El modelo desarrollado por Van-Genuchten para el ajuste de las curvas de retención se sustituye en la función de Mualem (1976) y se obtiene la siguiente ecuación para la conductividad hidráulica no saturada (Van Genuchten et al., 1992):

ó

donde: Krel = K/Ks y Ks es la conductividad de saturación.

• Límite inferior del agua disponible (LIAD). El LIAD se determinó a partir del valor de humedad correspondiente a una tensión de 1500 kPa (15 atm) según la curva de característica determinada anteriormente para el sustrato.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN En las Figuras 1 y 2 se muestran los resultados del seguimiento de la dinámica de humedad con la sonda TDR para la canaleta donde se siguió el drenaje interno (Figura 1) y para las canaletas donde se siguió el procedimiento tradicional para la determinación de capacidad de campo Cc (Figura 2).

FIGURA 1. Resultados del seguimiento de la dinámica del humedad con la sonda TDR para la canaleta donde se siguió el drenaje interno.

FIGURA 2. Resultados del seguimiento de la dinámica de humedad con la sonda TDR para las canaletas donde se siguió el procedimiento tradicional para la determinación de capacidad de campo Cc.

Los resultados de las determinaciones de la densidad aparente (da) y los limites superior e inferior del agua disponible (LSAD y LIAD) se resumen en la Tabla 1.

TABLA 1. Resultados de la densidad aparente (da) y los limites superior e inferior del agua disponible (LSAD y LIAD) del sustrato estudiado

Como se puede apreciar el valor del LSAD según el criterio de Cc tradicional es inferior que el valor obtenido por el criterio de la cuantificación del flujo de redistribución. Esto implica una subestimación importante de la disponibilidad del agua para las plantas en este tipo de sustrato si se utiliza el valor de Cc tradicional de cerca de 8 mm y por tanto inexactitudes importantes en la determinación de las láminas de riego. En las Figuras 3 y 4 y la Tabla 2 se resumen los resultados de la función conductividad hidráulica y las curvas características obtenidas para el sustrato en estudio. Estas funciones constituyen herramientas de trabajo importantes para los estudios de manejo del riego y que hasta el momento no habían sido determinadas en las condiciones de sustratos utilizados en organopónicos. Su utilización permite la cuantificación de los flujos de agua y la caracterización del proceso de retención del agua en los sustratos.

FIGURA 3. Resultados del procesamiento de los datos del drenaje interno para la determinación de la función K(q) según Libardi et al (1980) en el sustrato de estudio.

FIGURA 4. Resultados de las curvas características q(h) del sustrato obtenidos a partir del ajuste de los datos de la función K(q) al modelo de van Genuchten et al (1992).

TABLA 2. Parámetros de la función conductividad hidráulica K(q) y las curvas características q(h) obtenidas para el sustrato en estudio.

CONCLUSIONES

•Los resultados de este trabajo permiten primeramente definir un criterio más preciso del límite superior del agua disponible en el sustrato estudiado, no obstante este debe ser corroborado a partir del seguimiento pos
terior de la dinámica de humedad en condiciones de cultivo

• La actualización de las propiedades físicas e hidrodinámicas obtenidas resulta un elemento importante para garantizar la optimización del manejo del agua y la fertirrigación en el sustrato estudiado

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