2GUA NO SOLO: CARACTERSTICAS E COMPORTAMENTO

A gua um componente essencial para todos os seres vivos. Embora seja uma das mais simples substncias qumicas da natureza, possui propriedades nicas que promovem uma ampla variedade de processos fsicos, qumicos e biolgicos. Estes processos influenciam consideravelmente quase todos os aspectos do desenvolvimento e comportamento do solo, desde o intemperismo dos minerais decomposio da matria orgnica e, do crescimento das plantas contaminao do lenol fretico. A gua familiar a todos ns. Ns bebemos, lavamos, nadamos e irrigamos nossas culturas com ela. Mas a gua que bebemos completamente diferente da gua no solo. No solo, a gua est intimamente associada com partculas slidas, particularmente quelas de tamanho coloidal. A interao entre gua e slidos do solo altera o comportamento de ambos. A gua promove a expanso e contrao das partculas do solo, a aderncia e a formao estrutural dos agregados. A gua participa de inmeras reaes qumicas que liberam ou retm nutrientes, criam acidez ou intemperizam minerais de modo que seus elementos constituintes eventualmente contribuem para a salinidade dos oceanos. A atrao s superfcies slidas restringe o movimento livre das molculas de gua, proporcionando um comportamento menos lquido e mais slido. No solo, a gua pode movimentar-se tanto ascendentemente como descendentemente. As plantas podem murchar e morrer em um solo cujo perfil contenha um milho de quilos de gua por hectare. Uma camada de areia e cascalho no perfil do solo pode inibir a drenagem, tornando os horizontes superficiais saturados durante grande parte do ano. Estes e outros fenmenos da gua no solo parecem contradizer nossos conhecimentos sobre o comportamento da gua. As interaes solo - gua influenciam muitas funes ecolgicas e prticas de manejo do solo. Estas interaes determinam quanto da gua da chuva infiltra atravs do solo ou escorre sobre sua superfcie. O controle desses processos determina o movimento de substncias qumicas para os lenis subterrneos e de substncias qumicas e partculas erodidas para rios e lagos. As interaes afetam a taxa de gua perdida atravs da lixiviao e evapotranspirao, o balano entre ar e gua nos poros do solo, a taxa de variao na temperatura do solo, a taxa e o tipo de metabolismo dos organismos do solo e a capacidade do solo em armazenar e disponibilizar gua para as plantas. Os princpios apresentados neste captulo so fundamentais para um conhecimento do funcionamento do sistema solo.

2.1. Estrutura e Propriedades da guaA habilidade da gua em influenciar diversos processos do solo determinada principalmente pela sua estrutura molecular. Esta estrutura tambm responsvel pelo fato de que a gua um lquido, e no um gs em temperaturas encontradas na Terra. A gua , com exceo do mercrio, a nica substncia inorgnica (sem carbono) lquida encontrada na Terra. A gua um composto simples, suas molculas individuais contm um tomo de oxignio e dois tomos de hidrognio muito menores. Os elementos so ligados covalentemente, cada tomo de hidrognio compartilhando seu nico eltron com o oxignio. Polaridade O arranjo dos trs tomos na molcula de gua no simtrico. Ao invs dos tomos estarem arranjados linearmente (H-O-H), os tomos de hidrognio so ligados ao oxignio em um arranjamento em

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forma de V com um ngulo de apenas 105. Como mostrado na Figura 2.1, isto resulta em uma molcula assimtrica com os pares de eltrons compartilhados passando mais tempo prximos ao oxignio do que ao hidrognio. Consequentemente, a molcula da gua exibe polaridade, isto , as cargas no so igualmente distribudas. Pelo contrrio, o lado no qual os tomos de hidrognio esto localizados tende a ser eletropositivo e o lado oposto eletronegativo. O fato de que a gua constituda de molculas polares responsvel por muitas propriedades que fazem com que ela desempenhe funes nicas no ambiente do solo. A polaridade ajuda a explicar como molculas de gua interagem entre si. Cada molcula de gua no atua independentemente, mas est ligada a outras duas molculas vizinhas. O hidrognio (positivo) na extremidade de uma molcula atrai o oxignio (negativo) de outra, resultando em um agrupamento em cadeia (polmero). Devido a unio de suas molculas, a gua tem um ponto de ebulio alto, quando comparado a outros lquidos de baixo peso molecular (por exemplo, lcool metlico). A polaridade tambm explica porque molculas de gua so atradas por ons carregados eletrostaticamente e superfcies coloidais. Ctions tais como H+, Na+, K+ e Ca2+ tornam-se hidratados devido a sua atrao pelo oxignio (negativo) na extremidade da molcula de gua. Do mesmo modo, superfcies de argila carregadas negativamente atraem a gua, atravs do hidrognio (positivo) na extremidade da molcula. A polaridade tambm promove a dissoluo de sais na gua, pelo fato de que os componentes inicos tm maior atrao pelas molculas de gua do que entre si. Quando molculas de gua so atradas por ons carregados eletrostaticamente ou pelas superfcies das partculas de argila, elas se tornam mais prximas do que na gua pura. Neste estado de arranjamento seu movimento livre restrito e seu estado de energia menor do que na gua pura. Assim, quando ons ou partculas de argila tornam-se hidratados, energia deve ser liberada. Esta liberao de energia evidenciada como o calor de soluo, quando ons so hidratados, ou como calor de umedecimento, quando as partculas de argila so umedecidas. Este ltimo fenmeno pode ser demonstrado colocando-se um pouco de argila seca na palma da mo e adicionando algumas gotas de gua, um pequeno aumento na temperatura pode ser sentido.

Pontes de HidrognioAtravs das pontes de hidrognio, um tomo de hidrognio pode ser compartilhado entre dois tomos eletronegativos tais como O e N, formando uma ligao de relativamente baixa energia. Devido sua alta eletronegatividade, um tomo de oxignio em uma molcula de gua exerce atrao pelo tomo de hidrognio na molcula vizinha. Este tipo de ligao responsvel pela polimerizao da gua. As pontes de hidrognio tambm so responsveis pelos altos, ponto de ebulio, calor especfico e viscosidade da gua, em comparao com as mesmas propriedades de outros compostos hidrogenados, tais como H2S, que possui alto peso molecular mas no apresenta pontes de hidrognio. Estas pontes tambm so responsveis pela rigidez estrutural de alguns cristais de argila e pela estrutura de alguns compostos orgnicos, tais como protenas. Coeso versus adeso As pontes de hidrognio determinam as duas foras bsicas responsveis pela reteno e movimento da gua no solo: a atrao entre molculas de gua (coeso) e atrao das molculas de gua pelas superfcies slidas (adeso). Pela adeso (tambm chamada adsoro), algumas molculas de gua so firmemente retidas nas superfcies das partculas slidas do solo. Por sua vez, estas molculas de gua retidas por adeso retm por coeso outras molculas de gua mais distantes das superfcies slidas (Figura 2.2). Juntas, as foras de adeso e coeso tornam possvel que as partculas slidas do solo retenham gua, controlando seu movimento e uso. A adeso e coeso tambm tornam possvel a plasticidade das argilas.

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FIGURA 2.1 Representao bidimensional de uma molcula de gua mostrando um grande tomo de oxignio e dois tomos de hidrognio muito menores. O ngulo H-O-H de 105 resulta em um arranjo assimtrico. Um lado da molcula de gua (com dois hidrognios) eletropositivo e o outro eletronegativo. Isto explica a polaridade da gua.

Tenso superficial Outra importante propriedade da gua, que influencia seu comportamento nos solos a tenso superficial. Esta propriedade normalmente evidenciada nas interfaces lquido - ar e resulta da maior atrao das molculas de gua umas pelas outras (coeso) do que pelo ar (Figura 2.3). A tenso superficial uma fora que atua na superfcie, em direo ao lquido, que faz com que a gua se comporte como se sua superfcie fosse coberta com uma membrana elstica, o que pode ser facilmente constatado observando-se insetos caminhando sobre a gua em um lago (Figura 2.4). Devido a atrao relativamente alta entre molculas, a gua apresenta uma alta tenso superficial (72,8 N/mm a 20C) quando comparada com a maioria dos outros lquidos (por exemplo, lcool etlico, 22,4 N/mm). Como veremos, a tenso superficial um fator importante no fenmeno da capilaridade, o qual determina como a gua se move e retida no solo.

2.2 Fundamentos da Capilaridade e gua no SoloO movimento ascendente da gua num tubo capilar representa o fenmeno da capilaridade. Duas foras so responsveis pela capilaridade: (1) atrao da gua por superfcies slidas (adeso ou adsoro) e (2) tenso superficial da gua, que em grande parte devida atrao entre as molculas de gua (coeso).

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FIGURA 2.2 As foras de coeso (entre molculas de gua) e adeso (entre gua e superfcies slidas) em um sistema solo - gua. Essas foras so, em grande parte, resultado das pontes de hidrognio representadas pelas linhas pontilhadas. A fora de adeso ou adsoro diminui rapidamente com a distncia da superfcie slida. A coeso entre molculas de gua resulta na formao de agrupamentos temporrios que esto constantemente mudando de tamanho e forma, a medida que molculas individuais de gua so liberadas ou se unem outras. A coeso entre molculas de gua tambm faz com que a fase slida restrinja indiretamente a liberdade do movimento da gua at determinada distncia, alm da interface slido - lquido.

FIGURA 2.3 Foras comparativas atuando nas molculas de gua na superfcie e abaixo dela. As foras que atuam abaixo da superfcie so iguais em todas as direes, pelo fato de que cada molcula de gua igualmente atrada por todas molculas vizinhas. Entretanto, na superfcie a atrao do ar pelas molculas de gua muito menor do que das molculas de gua entre si. Consequentemente, h uma fora descendente nas molculas superficiais que resulta em um efeito semelhante um filme comprimido ou membrana contrtil. Este fenmeno chamado tenso superficial.

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Mecanismo da Capilaridade A capilaridade pode ser demonstrada colocando-se a extremidade de um tubo fino de vidro, limpo, na gua. A gua subir no tubo; quanto menor o dimetro do tubo maior a altura de ascenso. As molculas de gua so atradas pelas paredes do tubo (adeso) e comeam a se espalhar ao longo da superfcie de vidro em resposta a esta atrao. Ao mesmo tempo, as foras coesivas mantm as molculas de gua unidas e criam uma tenso superficial, causando uma curvatura da superfcie (menisco), na interface entre gua e ar (Figura 2.5c). A menor presso sob o menisco (P2) permite que a maior presso (P1) sobre a gua livre empurre a gua atravs do tubo. O processo continua at que a gua no tubo tenha se erguido o suficiente para que seu peso equilibre a diferena de presso atravs do menisco (para maiores detalhes veja o Quadro 2.1). A altura de ascenso em um tubo capilar inversamente proporcional ao raio r do tubo. A ascenso capilar tambm inversamente proporcional a densidade do lquido e, diretamente proporcional tenso superficial do lquido e ao grau de atrao adesiva superfcie slida. Se considerarmos o lquido como sendo gua, a 20C, podemos usar uma equao simples para calcular a altura de ascenso capilar h: h = 0,15 r Onde h e r so expressos em centmetros. Esta equao evidencia que quanto menor o dimetro do tubo, maior a fora capilar, e maior a ascenso da gua no tubo (Figura 2.6a).

FIGURA 2.4 Diariamente podem ser constadas evidncias da tenso superficial da gua (acima) como insetos deslocandose sobre a gua, e foras de coeso e adeso (abaixo) como uma gota de gua mantida entre os dedos (cortesia de R. Weil).

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Ascenso capilar no solo Foras capilares so atuantes em todos os solos midos. Entretanto, a taxa de movimento e a ascenso so menores do que se espera, considerando apenas o dimetro dos poros do solo. Uma razo que os poros do solo no so uniformes como tubos de vidro. Alm disso, alguns poros contm ar aprisionado diminuindo ou impedindo o movimento capilar da gua (Figura 2.6b). O movimento ascendente devido capilaridade no solo ilustrado na Figura 2.6c. Normalmente, a ascenso resultante da capilaridade maior em solos com textura fina, mas a taxa de fluxo pode ser muito baixa, devido fora de atrito nos pequenos poros. Os poros maiores encontrados em solos arenosos apresentam pouca resistncia por atrito ao rpido movimento capilar da gua. Entretanto, como pode ser observado na discusso sobre a equao da capilaridade, o maior raio dos poros entre partculas de areia resulta numa pequena ascenso capilar1.

FIGURA 2.5. A interao da gua com uma superfcie hidroflica (a,c) ou hidrofbica (b,d) resulta em um ngulo de contato caracterstico (). Se a superfcie slida constitui-se de um tubo, forma-se uma interface gua - ar curva, denominada menisco, devido s foras de adeso e coeso. Nesta interface, a presso no lado convexo da curvatura menor que no lado cncavo. (c) A ascenso capilar ocorre em um tubo hidroflico fino (vidro) porque a presso abaixo do menisco (P2) menor que a presso na gua livre. (d) A depresso capilar ocorre se o tubo hidrofbico, e o menisco invertido. A capilaridade tradicionalmente ilustrada como um fenmeno ascendente. Mas o movimento se d em qualquer direo, devido ao fato de que a atrao entre os poros do solo e gua, eficiente em formar meniscos tanto em poros no sentido horizontal como vertical (Figura 2.7). A importncia da capilaridade no1

Por exemplo, se a ascenso por capilaridade de 37 cm sobre o lenol fretico em solo arenoso (como mostrado no exemplo da Figura 2.6c), ento pode-se estimar (ajustando-se a equao da capilaridade para r = 0,15/h) que o raio equivalente dos poros deve ser de 0,004 cm (0,15/37 = 0,004).

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controle do movimento da gua em poros pequenos, se tornar evidente quando abordarmos os conceitos de energia da gua no solo.

2.3 Conceitos da Energia da gua no SoloA reteno e o movimento da gua no solo, sua absoro e translocao nas plantas, e sua perda para a atmosfera so fenmenos relacionados energia. Diferentes tipos de energia esto envolvidos, incluindo energia potencial e cintica. A energia cintica certamente um fator importante no movimento da gua em um rio, mas o movimento da gua nos solos to lento que o componente da energia cintica pode ser desprezado. A energia potencial a mais importante na determinao do estado e movimento da gua no solo. Por questo de simplicidade, usaremos neste texto o termo energia em referncia energia potencial. Ao considerarmos a energia, devemos ter em mente que todas as substncias, incluindo a gua, tendem se mover ou mudar de um estado de maior energia para um de menor. Portanto, se conhecermos os nveis de energia em diferentes pontos no solo, pode-se prever a direo do movimento. So as diferenas nos nveis de energia entre locais vizinhos que influenciam o movimento da gua. Foras que afetam a energia potencial A discusso sobre estrutura e propriedades da gua nas sees anteriores, sugere trs importantes foras afetando o nvel de energia da gua no solo. Em primeiro lugar a adeso ou a atrao da gua pelos slidos do solo (matriz), promovem uma fora mtrica (responsvel pela adsoro e capilaridade) que reduz consideravelmente o estado de energia da gua prximo s superfcies das partculas. Em segundo lugar, a atrao da gua aos ons e outros solutos, resulta em foras osmticas, que tendem a reduzir o estado de energia da gua na soluo do solo. O movimento osmtico da gua pura atravs de uma membrana semipermevel em direo a uma soluo (osmose) uma evidncia do menor estado de energia da gua na soluo. A terceira principal fora que atua sobre a gua no solo a gravidade, que sempre puxa a gua para baixo. O nvel de energia da gua no solo a uma dada elevao no perfil maior do que da gua a um nvel inferior. Essa diferena de energia faz com que a gua flua descendentemente. Potencial da gua no solo A diferena entre os nveis de energia de um local ou condio (por exemplo, solo mido) para outro (por exemplo, solo seco) determina a direo e a taxa de movimento da gua no solo e nas plantas. Em solo mido, a maior parte da gua retida nos poros maiores ou como filmes espessos de gua envolvendo as partculas. Assim, a maioria das molculas de gua em um solo mido no esto muito prximas da superfcie das partculas e, desse modo, no so fortemente retidas pelos slidos do solo (matriz). Nessa condio, as molculas de gua possuem uma considervel liberdade de movimento, ento seu nvel de energia prximo ao da gua pura. Por outro lado, em um solo seco, a gua remanescente localizada nos poros menores e em finos filmes de gua, sendo fortemente retida pelos slidos do solo. Assim as molculas de gua em um solo seco possuem pouca liberdade de movimento, e o seu nvel de energia muito menor que o da gua em solos midos. Se amostras de solo mido e seco so colocadas em contato, a gua se movimentar do solo mido (maior estado de energia) para o solo seco (menor estado de energia). A determinao do nvel absoluto de energia da gua no solo uma tarefa difcil e muitas vezes, impossvel. Felizmente, no necessrio conhecer o nvel absoluto de energia da gua para predizer como ser seu movimento no solo e no ambiente. O conhecimento dos valores relativos de energia da gua no solo suficiente. Normalmente, o estado de energia da gua num determinado local do perfil comparado ao da gua pura a presso e temperatura constantes, sem a influncia do solo e localizada em uma altura de referncia. A diferena entre os nveis de energia da gua pura no estado de referncia e a gua no solo chamada potencial da gua no solo (Figura 2.8), o termo potencial, do mesmo modo que o termo presso, implica em uma diferena no estado de energia. Se todos os valores do potencial da gua considerados tm um ponto de referncia comum, (o estado de energia da gua pura), as diferenas no potencial da gua entre duas amostras de solo refletem a diferena em seus nveis absolutos de energia. Isso significa que a gua se mover de uma zona do solo possuindo um alto potencial para outra que tenha menor potencial. Este fato deve ser considerado sempre que se abordar o comportamento da gua do solo.

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QUADRO 2.1 - O MECANISMO DA CAPILARIDADEA ao da capilaridade devida s foras combinadas de adeso e coeso, como verificado quando uma gota de gua colocada sobre uma superfcie slida. Substncias slidas que possuem uma superfcie eletronegativa (devida por exemplo, aos tomos de oxignio nos tetraedros de silcio, presentes no quartzo ou vidro) atraem fortemente a extremidade eletropositiva do hidrognio H na molcula de gua. Essas substncias so chamadas hidroflicas (afinidade pela gua), pois a atrao das molculas de gua pelas superfcies slidas (adeso) maior que a atrao entre as molculas de gua (coeso), a adeso far com que uma gota de gua colocada sobre uma superfcie slida hidroflica, como vidro limpo, se espalhe ao longo desta superfcie formando assim um ngulo agudo (< 90) entre a interface gua-ar e superfcie slida (Figura 2.5a). Esse ngulo de contato especfico para interaes entre diferentes substncias lquidas e slidas (exemplo: gua e vidro). Quanto maior a atrao das molculas de gua pela superfcie slida, mais prximo de zero ser o ngulo de contato. Por outro lado, molculas de gua colocadas sobre uma superfcie hidrofbica (que repele a gua) adquirem forma esfrica. O ngulo de contato resultante obtuso (> 90), indicando que a adeso no to forte quanto a coeso (Figura 2.5b). Se ao invs de uma superfcie plana e uma gota dgua, considerarmos um tubo de dimetro reduzido, de vidro limpo, colocado sobre a gua, a adeso far com que a gua se espalhe sobre a superfcie, formando o mesmo ngulo de contato com o vidro, como observado no caso da gota dgua. Ao mesmo tempo, a coeso entre as molculas de gua cria uma tenso superficial, que faz com que uma superfcie curva (chamada menisco), se forme na interface entre gua e ar no interior do tubo (Figura 2.5c). Se o ngulo de contato prximo a zero, a curvatura do menisco ser semelhante a um semi crculo. A interface curva entre a gua e ar faz com que a presso seja menor no lado convexo (P2, Figura 2.5c) do que no lado cncavo do menisco. A presso atmosfrica (P1) atua sobre o menisco e a superfcie livre da gua no recipiente. Pelo fato da presso no menisco P2 ser menor que a presso na superfcie livre da gua, a gua empurrada no interior do tubo capilar. A ascenso da gua no tubo se dar at que o menisco alcance uma altura h, no qual o peso da gua no tubo equilibra a diferena de presso P2-P1. Nesta condio, as foras empurrando a gua no tubo estaro em equilibro com as foras puxando-a para baixo. As foras ascendentes so determinadas pelo produto da tenso superficial (T), o comprimento da superfcie de contato entre o tubo e o menisco (circunferncia do tubo = 2r) e o componente ascendente dessa fora (cos ). As foras descendentes so determinadas pelo produto da densidade da gua (d), o volume da gua acima da superfcie livre (hr2) e a acelerao da gravidade g. Deste modo, quando a ascenso capilar cessa, temos a seguinte igualdade: Foras ascendentes = Foras descendentes T x 2r x cos = d x h x r2 g Note que se o raio do tubo tivesse metade do dimetro (0,5r), a fora de ascenso seria reduzida metade, mas as foras descendentes seriam 0,25 vezes maiores (0,5r)2= 0,5r * 0,5r = 0,25r) assim, a ascenso seria o dobro. Esta a razo pela qual a ascenso capilar maior em tubos de menor dimetro. A equao de equilbrio entre as foras ascendentes e descendentes pode ser matematicamente rearranjadas isolando-se a altura de ascenso capilar: h = 2 T cos / rdg A maior parte das interaes entre gua e slidos no solo do tipo hidroflica como mostrado na Figura 2.5a e c. A atrao entre gua e superfcie das partculas do solo normalmente to forte, que o ngulo de contato muito prximo a zero, fazendo com que o coseno seja aproximadamente igual a 1. O cos pode ento ser ignorado sob tais circunstncias. Os outros trs fatores que afetam a ascenso capilar (T, d e g) so constantes a uma dada temperatura e podem ser combinados em uma nica constante. Assim, a equao simplificada da capilaridade, pode ser escrita da seguinte forma: h (cm) = 0,15 (cm2) / r (cm)

Como esperado, a ascenso capilar s ocorrer se o tubo for feito de material hidroflico. Se um tubo hidrofbico (por exemplo um tubo encerado) colocado dentro de um recipiente com gua, o menisco ser convexo, ao invs de cncavo, e deste modo ocorrer a depresso capilar (Figura 2.5d). Esta situao ocorre em certas camadas de solo que repelem a gua.

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FIGURA 2.6 Movimento capilar ascendente da gua atravs de tubos de diferentes dimetros e solos com diferentes tamanhos de poros. a) A equao da capilaridade pode ser esquematizada para mostrar que a altura de ascenso (h) duplica quando o raio do tubo reduzido metade. A mesma relao pode ser demonstrada utilizando tubos de vidro de diferentes dimetros. b) O mesmo princpio relaciona o tamanho dos poros no solo e a ascenso capilar, mas a ascenso da gua no solo irregular, devido a tortuosidade e variabilidade em tamanho dos poros (e tambm devido ao ar aprisionado nos poros). c) Quanto mais fina a textura do solo, menor o dimetro mdio de poros e, assim, maior a ascenso capilar acima do lenol fretico. Entretanto, devido a maior intensidade das foras de atrito nos poros menores, a ascenso capilar menor nos solos de textura fina do que nos solos arenosos. O potencial da gua no solo devido diversas foras, cada uma delas um componente do potencial total da gua no solo t. Estes componentes so originados das diferenas nos nveis de energia resultantes das foras gravitacional, mtrica, presso e osmtica, e so chamados de potencial gravitacional g, potencial mtrico m, potencial de presso e potencial osmtico o, respectivamente. Todos esses componentes agem simultaneamente influenciando o comportamento da gua no solo. A relao geral entre o potencial da gua no solo e os nveis de potenciais mostrados na Figura 2.8 pode ser expressa como: t= g + m + o +. Onde as reticncias (...) indicam a possvel contribuio de outros potenciais no ainda mencionados.

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FIGURA 2.7 Como mostra a imagem esquerda, a gua move-se ascendentemente no sulco de irrigao por capilaridade. A foto direita ilustra o movimento horizontal da gua em ambos os lados do sulco de irrigao. Potencial gravitacional A fora gravitacional atua na gua do solo do mesmo modo que em qualquer outro corpo, sendo a atrao gravitacional em direo ao centro da Terra. O potencial gravitacional g da gua do solo pode ser expresso matematicamente como: g = gh Onde g a acelerao da gravidade e h a altura da ascenso da gua no solo acima do nvel de referncia. O nvel de referncia normalmente escolhido dentro do perfil ou no seu limite inferior, para assegurar que o potencial gravitacional da gua no solo, acima do ponto de referncia, seja sempre positivo. Aps chuvas pesadas ou irrigao, a gravidade desempenha um papel importante na remoo do excesso de gua dos horizontes superficiais e no reabastecimento do lenol fretico abaixo do perfil de solo. Potencial de Presso e Mtrico Este componente considera os efeitos de todos os fatores com exceo da gravidade e concentrao da soluo. Incluindo (1) a presso hidrosttica positiva, ocasionada pelo peso da gua em solos saturados e aqferos e (2) a presso negativa causada pelas foras de atrao entre a gua e os slidos do solo ou a matriz do solo2. A presso hidrosttica responsvel pelo que chamado de potencial de presso (p), um componente que s considerado em reas saturadas. Qualquer pessoa que tenha mergulhado at o fundo de uma piscina pode sentir a ao da presso hidrosttica nos ouvidos. A atrao da gua pelas superfcies slidas responsvel pelo que chamado de potencial mtrico (m), o qual sempre negativo, pois a gua atrada matriz do solo tem estado de energia menor que o da gua pura. Estas presses negativas so algumas vezes chamadas de suco ou tenso. O potencial mtrico ocorre em condies no saturadas, acima do lenol fretico, enquanto o potencial de presso se aplica a condies saturadas ou abaixo do lenol fretico (Figura 2.10).

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Alm das foras mtricas e hidrostticas em algumas situaes o peso da sobrecarga e a presso do ar tambm contribuem para o potencial total da gua no solo.

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FIGURA 2.8 Relao entre energia potencial da gua pura em um estado de referncia padro (presso, temperatura e elevao) e da gua no solo. Se a soluo no solo contm sais e outros solutos, a atrao mtua entre as molculas de gua e estas substncias qumicas reduz a energia potencial da gua, o grau de reduo chamado de potencial osmtico. Do mesmo modo, a atrao mtua entre os slidos do solo e as molculas de gua no solo tambm reduz a energia potencial da gua. Neste caso, a reduo chamada potencial mtrico. Como estas interaes reduzem o nvel de energia da gua com relao ao da gua pura, as mudanas no nvel de energia (potencial osmtico e mtrico) so considerados em valores negativos. Por outro lado, mudanas no estado de energia devidas ao da gravidade (potencial gravitacional) so sempre positivas. Isto ocorre porque o nvel de referncia da gua pura propositadamente estabelecido em um local no perfil do solo abaixo do ponto considerado. Uma raiz de planta ao absorver gua do solo mido deve superar as trs foras simultaneamente.

FIGURA 2.9 Se considerarmos o potencial mtrico, osmtico ou gravitacional (como na figura) a gua sempre se movimenta para onde o estado energtico menor. Neste caso a energia perdida pela gua usada para movimentar uma roda para moer farinha (Foto cortesia de R. Weil).

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Enquanto cada uma destas presses significante em situaes especficas de campo, o potencial mtrico importante em todos as condies de solos no saturados pois neste caso as interaes entre os slidos do solo e gua esto sempre presentes. O movimento da gua no solo, a disponibilidade de gua s plantas, e as solues para muitos problemas em engenharia civil so em grande parte determinados atravs do potencial mtrico. Consequentemente, o potencial mtrico receber especial ateno neste texto, juntamente com os potenciais gravitacional e osmtico. O potencial mtrico (m), que resultado do fenmeno de adeso (ou adsoro) e da capilaridade, influencia a reteno e/ou movimento de gua no solo. Diferenas de m entre duas zonas adjacentes de um solo estimulam o movimento da gua de zonas mais midas (alta estado de energia) para as zonas mais secas (baixa estado energia) ou de poros maiores para menores. Apesar deste movimento ser lento, ele extremamente importante, especialmente no suprimento de gua para as razes das plantas. Potencial Osmtico O potencial osmtico atribudo presena de solutos na soluo de solo. Os solutos podem ser sais inorgnicos ou componentes orgnicos. Sua presena reduz a energia potencial de gua, principalmente por reduzirem a liberdade de movimento das molculas de gua que se agrupam em torno de cada on soluto ou molcula. Quanto maior a concentrao de solutos, menor o potencial osmtico. Como sempre, a gua tender a se mover de onde seu nvel de energia for menor, neste caso a zona com maior concentrao de solutos.

FIGURA 2.10 O potencial mtrico tambm um potencial de presso. O potencial mtrico sempre negativo e o potencial de presso sempre positivo. Quando gua se encontra em solos no saturados acima do lenol fretico (parte superior da zona saturada) est sujeita influncia do potencial mtrico. A gua abaixo do lenol fretico em solo saturado est sujeita ao potencial de presso. No exemplo mostrado, o potencial mtrico decresce linearmente com a elevao acima do lenol fretico, significando que a ascenso da gua por atrao capilar a partir do lenol fretico a nica fonte de gua neste perfil. Chuva ou irrigao (linha pontilhada) alterariam ou curvariam a linha reta, mas no mudariam a relao fundamental descrita. Entretanto, a gua se mover em resposta diferenas de potencial osmtico (osmose) somente na existncia de uma membrana semi permevel entre as zonas de alto e baixo potencial osmtico, permitindo o fluxo da gua, mas impedindo o movimento do soluto. Na ausncia de membranas, ao invs da gua, o soluto geralmente se move para equilibrar a concentrao.

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Pelo fato das zonas do solo no serem separadas por membranas, o potencial osmtico (o) tem pouco efeito sobre o movimento em massa da gua no solo. Seu principal efeito se d sobre a absoro de gua pelas clulas das razes das plantas, que esto isoladas da soluo do solo pelas suas membranas celulares semi-permeveis. Em solos com alta concentrao de sais solveis, o o pode ser mais baixo (ter um alto valor negativo) na soluo de solo do que nas razes das plantas. Isto leva a restries na absoro de gua pelas plantas. Em solos muito salinos, o potencial osmtico da gua no solo pode ser to baixo que causar o colapso (plasmlise) das clulas em plntulas jovens, a medida que a gua sai das clulas em direo a uma zona de menor potencial osmtico, no solo. O movimento aleatrio das molculas de gua faz com que algumas delas escapem de um volume de gua, entrem na atmosfera, e se tornem vapor dgua. Como a presena de solutos restringe o movimento das molculas, algumas delas escapam com o aumento da concentrao de solutos. Deste modo, a presso de vapor da gua menor no ar sobre gua salina do que no ar sobre gua pura. Por afetar a presso de vapor da gua, o potencial osmtico afeta o movimento de vapor dgua nos solos. O processo de osmose e a relao entre os componentes mtrico e osmtico do potencial total de gua no solo, so mostrados na Figura 2.11.

FIGURA 2.11 Relaes entre os potenciais: osmtico, mtrico, e a combinao de ambos. Assumindo um recipiente com solo separado da gua pura por uma membrana permevel apenas gua (veja o detalhe mostrando a osmose atravs da membrana) (esquerda). A gua pura conectada a uma vasilha de mercrio atravs de um tubo. A gua se mover para o solo em resposta s foras mtricas que a atraem aos slidos do solo e as foras osmticas que atraem a gua aos solutos. No equilbrio, a altura da coluna de mercrio acima do nvel da vasilha A a medida dos potenciais da gua no solo (mtrico mais osmtico). Assumindo um segundo recipiente colocado entre a gua pura e o solo, separado do solo por uma fina tela permevel a solutos e gua (direita). Os ons se movero para o solo deste segundo recipiente at a que concentrao de solutos na gua e no solo tenha se equilibrado. Ento a diferena entre as energias potenciais da soluo e da gua pura fornece uma medida do potencial osmtico. O potencial mtrico, como medido pela coluna de mercrio acima da vasilha B, seria ento a diferena entre os componentes do potencial de gua no solo, combinados, e o potencial osmtico. O potencial gravitacional (no mostrado) o mesmo para todos os recipientes e no afeta o movimento de gua por este ser na direo horizontal. [Modificado de Richards (1965)]

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Unidades dos nveis de Energia Diversas unidades podem ser usadas para expressar as diferenas nos nveis de energia da gua no solo. Uma delas a altura de uma coluna de gua (normalmente em centmetros). J abordamos esta forma de expresso desde que, o termo h da equao da capilaridade indica o potencial mtrico da gua em um poro capilar. Uma segunda unidade a presso atmosfrica padro ao nvel do mar, que igual a 760 mm Hg ou 1020 cm de gua. A unidade chamada bar aproximada a presso atmosfrica padro. A energia pode ser expressa por unidade de massa (joules kg-1) ou por unidade de volume (newton m-2). No sistema internacional de unidades (SI), 1 Pascal (Pa) eqivale a 1 Newton (N) agindo sobre uma rea de 1 m2. Neste texto ser adotada a unidade Pa ou quilopascal (kPa) para expressar o potencial da gua no solo. Como em outras publicaes podem ser adotadas outras unidades, a Tabela 2.1 mostra as transformaes para outras unidades comumente utilizadas, que expressam o potencial da gua no solo.

2.4 Contedo de Umidade e Potencial da gua no SoloA discusso prvia sugere uma relao inversa entre o contedo de gua no solo e a energia com que a gua retida no solo. A gua flui mais facilmente de um solo mido para outro com menor umidade. Muitos fatores afetam a relao entre o potencial da gua no solo () e o contedo de umidade (). Umidade do Solo versus Potencial Mtrico A relao entre o potencial da gua no solo () e contedo de gua () de trs solos com diferentes texturas mostrada na Figura 2.12. Tais curvas so tambm conhecidas como curva caracterstica de reteno de gua no solo ou simplesmente curva caracterstica. A forma suavizada das curvas indica uma mudana gradual no potencial da gua no solo, com o aumento do contedo de gua e vice-versa. O solo argiloso retm muito mais gua, a um determinado potencial, do que o solo franco ou o arenoso. Deste modo, a um dado contedo de gua, ela retida mais fortemente no solo argiloso do que nos outros dois, (note que o potencial da gua no solo plotado em escala logartmica). A quantidade de argila no solo determina a proporo de microporos. Como veremos, quase metade da gua retida por solos argilosos, est firmemente retida nos microporos e no est disponvel para as plantas. A textura do solo exerce uma influncia significativa sobre a reteno de umidade no solo. A estrutura do solo tambm influencia a relao entre o contedo de gua e energia. Um solo bem estruturado possui maior porosidade total e maior capacidade de reteno de gua do que um mal estruturado ou que tenha sido compactado. Quanto maior a porosidade total maior a capacidade de reteno de gua. Alm disso, o aumento na porosidade de solos bem estruturados resultado principalmente de uma maior quantidade de macroporos, nos quais a gua retida com pouca energia. Solos compactados retm menor quantidade total de gua, tendo maior proporo de poros pequenos e mdios que retm gua com maior energia do que os poros maiores. Assim, a estrutura do solo influencia predominantemente o formato da curva caracterstica, nos potenciais entre 0 e 100 kPa. O formato da poro restante da curva geralmente influenciado pela textura do solo. As curvas caractersticas de gua no solo (Figura 2.12) possuem significado prtico para vrios processos e medidas de campo. Estas curvas sero teis quando considerarmos os aspectos aplicados do comportamento da gua no solo, nas sees seguintes. Histerese A relao entre contedo de gua no solo e potencial, determinada medida que o solo seca, ser diferente da mesma relao determinada medida que o solo reumedecido. Esse fenmeno, conhecido como histerese, ilustrado na Figura 2.13. A histerese causada por vrios fatores, incluindo a desuniformidade dos poros do solo. Quando o solo umedecido, alguns dos poros de menor tamanho no so preenchidos, deixando ar aprisionado, o que impede a entrada da gua. Alguns macroporos em um solo podem estar cercados apenas por microporos, criando um efeito gargalo de garrafa. Neste caso, o macroporo no ser drenado at que o potencial mtrico seja baixo o suficiente para esvaziar os poros menores que o cercam (Figura 2.13). Tambm a expanso e contrao de argilas, medida que o solo seca e reumedecido, provoca mudanas na estrutura do solo que afetam as relaes entre solo e gua. Devido ao fenmeno da histerese,

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importante saber se o solo est sendo seco ou umedecido, ao comparar suas propriedades com as de outro solo.

Tabela 2.1 Unidades equivalentes do potencial da gua no solo.Altura de coluna de gua cm 0 10,2 102 306 1,020 15,300 31,700 102,000 Potencial da gua no solo bar 0 -0,01 -0,1 -0,3 -1,0 -15 -31 -100 Potencial da gua no solo kPa1 0 -1 -10 -30 -100 -1,500 -3,100 -10,000

1

No Sistema Internacional (SI) a unidade kPa equivalente a 0,01 bar.

FIGURA 2.12 Curva de reteno de gua no solo para trs solos minerais representativos. As curvas mostram a relao obtida por uma drenagem lenta, a partir da condio de saturao. As linhas tracejadas mostram o efeito da compactao ou m estruturao. O potencial da gua no solo (que negativo) expresso em bars (escala superior) e quilopascal (kPa) (escala inferior). Note que o potencial da gua no solo plotado em escala logartmica.

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FIGURA 2.13 A relao entre contedo de gua e potencial mtrico de um solo medida que ele seca e umedecido. O fenmeno, conhecido como histerese, aparentemente devido a fatores como desuniformidade dos poros, ar aprisionado, expanso e contrao que podem afetar a estrutura do solo. As ilustraes menores mostram o efeito da desuniformidade dos poros. Medidas do Estado de Energia da gua no Solo A curva caracterstica da gua no solo, discutida anteriormente, evidencia a importncia de duas medidas da gua no solo: a quantidade de gua presente (contedo de gua) e o estado de energia da gua (potencial da gua no solo). Para entender ou manejar o suprimento e movimento da gua no solo essencial ter informaes (diretas ou indiretas), de ambos os tipos de medidas. Por exemplo, o potencial da gua no solo indicar se a gua se mover em direo ao lenol fretico, mas, sem o conhecimento do contedo de gua no solo, no poderamos conhecer a contribuio deste movimento na alterao dos nveis do lenol fretico. Geralmente, o comportamento da gua no solo mais intimamente relacionado ao estado de energia da gua, e no a sua quantidade. Assim, um solo argiloso e uma areia franca se encontraro midos e facilmente fornecero gua s plantas a um m em torno de -10 kPa. Entretanto, a quantidade de gua retida por um solo franco argiloso e o tempo que este capaz de fornecer gua s plantas seria muito maior a este potencial do que para a areia franca.

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Consideraremos diferentes mtodos para realizao destes dois tipos de medida da gua no solo. Pesquisadores, tcnicos e engenheiros podem combinar estes mtodos no estudo da armazenagem e movimento da gua no solo, no manejo de sistemas de irrigao e para predizer o comportamento fsico do solo. Medida do contedo de gua O contedo volumtrico de gua definido como o volume de gua presente em um dado volume de solo seco (normalmente 1 m3) (Figura 2.12). Uma expresso comparvel o contedo gravimtrico de gua m, ou a massa de gua presente em uma dada massa de solo seco (normalmente 1 kg). Estas expresses tm vantagens em diferentes usos. Na maioria dos casos usaremos o contedo volumtrico de gua . Devido ao fato de, no campo, considerarmos o sistema radicular das plantas explorando uma certa profundidade do solo e, por expressarmos a precipitao (e s vezes irrigao) como uma altura de gua (mm de chuva), conveniente expressar o contedo volumtrico de gua no solo como uma razo entre altura de gua por profundidade de solo. Convenientemente, os valores numricos destas duas expresses so os mesmos. Por exemplo, para um solo contendo 0,1 m3 de gua por m3 de solo (10 % do volume) esta razo igual a 0,1 m de gua por metro de profundidade de solo3. Mtodo Gravimtrico - O mtodo gravimtrico uma medio direta do contedo de umidade do solo e o mtodo padro pelo qual todos os indiretos so calibrados. A gua presente em uma dada massa (e, volume, se a densidade do solo conhecida) de solo seco determinada. Uma amostra de solo mido pesada e ento seca em estufa temperatura de 105 C por aproximadamente 24 horas4 e ento pesada novamente. A massa perdida representa o contedo de gua. O Quadro 2.2 fornece exemplos de como e m podem ser calculados. O mtodo gravimtrico um mtodo destrutivo (uma amostra de solo deve ser removida para cada medida) e no pode ser automatizado, tornando-o assim pouco adequado para monitorar mudanas na umidade do solo. Muitos outros mtodos indiretos de medida do contedo de gua no so destrutivos, so facilmente automatizados e muito teis no campo (Tabela 2.2). Moderao de Nutrons Uma sonda de nutrons, colocada no solo atravs de um tubo de acesso previamente instalado (Figura 2.14), contm uma fonte de nutrons rpidos e um detector de nutrons lentos. Quando os nutrons rpidos colidem com os tomos de hidrognio (a maioria parte das molculas de gua), eles reduzem sua velocidade e so dispersos. O nmero de nutrons lentos medidos pelo detector corresponde ao contedo de gua do solo. Uma vez que estes medidores tenham sido calibrados para o solo em questo, eles so versteis e do medidas precisas, em solos minerais (Tabela 2.2). Entretanto, em solos orgnicos, o mtodo menos preciso porque os nutrons colidem com tomos de hidrognio, combinados s substncias orgnicas, ao invs da gua. Mtodo eletromagntico - Uma tcnica relativamente recente, conhecida como reflectometria de microondas (TDR Time domain reflectometry) mede dois parmetros; (1) o tempo necessrio para que um impulso eletromagntico se propague atravs de duas barras de transmisso paralelas, de metal, enterradas no solo e (2) o grau de dissipao do impulso quando ele colide com o solo. O tempo de movimento est relacionado constante dieltrica do solo, que proporcional quantidade de gua. A dissipao do sinal est relacionada a concentrao de sais na soluo do solo. Assim, salinidade e contedo de umidade podem ser medidos utilizando o TDR.

Quando se mede quantidade de gua adicionada ao solo por irrigao, comum utilizar unidades de volume como m3 e hectare-metro (o volume de gua que cobriria um hectare de terra na profundidade de 1 m). Geralmente os agricultores nas regies irrigadas dos EUA utilizam as unidades inglesas p3 ou acre-p (o volume de gua necessrio para cobrir um acre de terra a profundidade de 1 p). 4 Deve-se permitir tempo suficiente de secagem at que o solo pare de perder gua e atinja uma massa constante. Para economizar tempo, pode ser utilizada uma estufa de microondas. Em torno de 12 pequenas amostras de solo (20 g cada) em beckers de vidro podem ser secas em uma mesa giratria em uma estufa de microondas de 1000 W, utilizando-se trs ou mais perodos de 3 minutos com a potncia ajustada para alta.

3

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As barras metlicas do TDR podem ser portteis (inseridas no solo para cada leitura) ou podem ser instaladas a vrias profundidades e conectadas a um medidor ou coletor de dados computadorizado. O TDR pode ser ligado a componentes eletrnicos sofisticados e programas de software capazes de medir e interpretar mudanas de voltagem em minutos e em intervalos de tempo de picossegundos (Figura 2.15). Embora caro, o TDR pode ser utilizado na maioria dos solos para a obteno de leituras precisas em uma ampla faixa de contedos de umidade.

QUADRO 2.2 DETERMINAO DO CONTEDO DE GUA NO SOLO PELO MTODO GRAVIMTRICOOs procedimentos para determinao do contedo de gua no solo pelo mtodo gravimtrico so relativamente simples. Assumindo que se deseja determinar o contedo de gua de uma amostra de 100 g de solo mido. Devese secar a amostra em estufa, temperatura constante de 105 oC e ento pes-la novamente. Considerando que a massa de solo seco igual a 70 g, isto indica que 30 g de gua foram removidas do solo mido. Expressando em quilogramas, isto eqivale a 30 kg de gua em 70 kg de solo seco. Como o contedo de gua do solo em massa ( m) geralmente expresso em termos de kg de gua associados a 1 kg de solo seco (no 1 kg de solo mido), podem ser realizados os seguintes clculos: 30 kg de gua = x kg de gua _ 70 kg de solo seco 1 kg de solo seco x = 30/70 = 0,428 kg de gua/kg solo seco = m Para calcular o contedo volumtrico de gua (), necessrio conhecer a densidade do solo seco, a qual neste caso ser considerado como sendo 1,3 Mg m-3. Em outras palavras, um metro cbico deste solo tem uma massa de 1300 kg. Dos clculos acima sabemos que a massa de gua associada com 1300 kg igual a 0,428 x 1300 ou 556 kg. Considerando que 1 m3 de gua tem massa de 1000 kg, os 556 kg de gua ocuparo 556/1000 ou 0,556 m3. Assim, o contedo volumtrico de gua 0,556 m3 m-3 de solo seco: 1300 kg de solo x ____m3 gua___ x 0,428 kg de gua = 0,556 m3 gua m3 de solo 1000 kg de gua kg de solo m3 de solo A relao entre o contedo gravimtrico e volumtrico de gua no solo pode ser expressa como: = Ds x m

Medida dos Potenciais da gua no Solo Tensimetros - A tenso com que a gua retida uma expresso do potencial da gua do solo (). Tensimetros de campo medem esta tenso. Tensimetros de campo (Figura 2.16) medem sua atrao ou tenso. O tensimetro basicamente um tubo preenchido com gua fechado na sua extremidade inferior com uma placa porosa de cermica e com sua extremidade superior fechada hermeticamente. Uma vez instalado o tensimetro no solo, a gua contida em seu interior move-se atravs da placa porosa, em direo ao solo, at que o potencial no tensimetro se iguale ao potencial mtrico da gua no solo. medida que a gua sai do tensimetro, desenvolve-se um vcuo na extremidade superior, o qual pode ser medido em um manmetro ou atravs de um dispositivo eletrnico. Se o solo for novamente umedecido por chuva ou irrigao, a gua entrar no tensimetro atravs da placa porosa, reduzindo o vcuo ou a tenso registrada pelo medidor. Tensimetros so operantes entre potenciais de 0 a -85 kPa, esta faixa inclui mais da metade da gua armazenada na maioria dos solos. Tensimetros de laboratrio, chamados mesas de tenso, operam em uma faixa similar de potenciais. Quando o solo seca alm de -80 a -85 kPa, os tensimetros falham, porque o ar passa atravs dos poros de cermica, reduzindo o vcuo. Um dispositivo eletrnico pode ser adaptado a um tensimetro de campo, para controlar automaticamente um sistema de irrigao. 77

Tabela 2.2 Mtodos para medida da gua no soloNote que mais de um mtodo pode ser necessrio para abranger toda a amplitude de variao da umidade no solo. Medidas de gua no Utilizao Amplitude solo Mtodo Comentrios til (kPa) Contedo Potencial Campo LaboratrioAmostragem destrutiva; lenta (1 a 2 dias) exceto com utilizao de microondas. Mtodo padro para calibrao. Pode ser automatizado; no sensvel a contedos de umidade prximos ao timo para as plantas. Necessita licena para o uso (radiao); equipamento de alto custo; apresenta deficincias em solos com alto teor em matria orgnica; requer tubo de acesso. Pode ser automatizado; preciso de 1 kPa; requer guias de onda; instrumento de alto custo. Preciso de 0,1 a 1 kPa; faixa limitada; barato; pode ser automatizado; necessita de manuteno peridica. x Razoavelmente caro; ampla faixa de leitura; preciso de 50 kPa. Utilizado em conjunto com o mtodo gravimtrico para construo da curva caracterstica de gua no solo.

1. Gravimtrico

x

0 a < -10000

x

2. Blocos de resistncia eltrica

x

-100 a