Interfaces entre a Física

e outros campos da Ciência

Prof. Hugo A. Ruiz hruiz@ufv.br

Prof. Igor R. de Assis igor.assis@ufv.br

DO SOLO

FÍSICA DO SOLO

Estuda o estado e o movimento de matéria e o

fluxo e as transformações de energia no solo.

Inclui aspectos como:

Composição granulométrica e estrutura da matriz

sólida;

Retenção e movimento de água;

Transporte de solutos;

Temperatura do solo e fluxo de calor;

Transporte de gases.

FÍSICA DO SOLO

Aplicação da física do solo objetiva, na prática, o manejo

apropriado por meio de:

Práticas culturais;

Irrigação;

Drenagem;

Aeração;

Melhora da estrutura do

solo;

Controle da infiltração e

evaporação;

Regulação da temperatura

do solo;

Prevenção da erosão.

INTERFACES

A física do solo interage com outras áreas da

ciência do solo com destaque para:

Química e mineralogia do solo;

Fertilidade do solo;

Biologia do solo;

Pedologia;

Manejo e conservação do solo.

Grandes problemas do mundo!

Qual a relação do solo

com isso??

Ciclo da água

Ciclo do carbono

mm

2,0

Areia Grossa

0,2

Areia Fina

0,05

Silte

0,002

Argila

SBCS:

SUSPENSÕES E SOLUÇÕES

Suspensão Grosseira

Sistema bifásico com partículas sólidas de dimensões que

permitem sua sedimentação sob ação da gravidade.

Suspensão Coloidal

Sistema bifásico constituído de uma fase dispersa,

extremamente subdividida, imersa na outra, denominada

fase dispersora. As partículas da fase dispersa denominam-se

micelas.

Solução

Sistema homogêneo com mais de um componente.

Suspensão Grosseira Suspensão Coloidal

Solução

> Heterogeneidade Sistema

Disperso > Homogeneidade

Limites:

100 - 1 nm

Areia, Silte, Argila Argila

SUPERFÍCIE ESPECÍFICA

Superfície Específica (s): É a proporção de superfície (S), ou

área exposta, por unidade de massa (M). Se expressa,

geralmente, em m2 g-1.

Dp: densidade de partículas; V: volume das partículas.

SUPERFÍCIE ESPECÍFICA DE

PARTÍCULAS ESFÉRICAS

FraçãoTextural Diâmetro SuperfícieEspecífica

mm µm m2g

-1

2,000 2000 0,0012

Areiagrossa

0,200 200 0,0120

Areiafina

0,050 50 0,0462

Silte

0,002 2 1,1538

Argilanãocoloidal

0,0001 0,1 23,08

Argilacoloidal

0,000001 0,001 2307,69

SUPERFÍCIE ESPECÍFICA DE

COMPONENTES DO SOLO Componente Superfície Específica

m2 g-1

Matéria orgânica humificada 700

Minerais da fração argila

Silicatos de alumínio não cristalinos

Alofana 400-700

Silicatos de alumínio cristalinos

Caulinita 10-30

Clorita 100-175

Mica 100-200

Montmorilonita 700-800

Vermiculita 300-500

Óxidos de Ferro

Hematita 300-500

Goethita 50-200

Óxidos de Alumínio

Gibbsita 2-5

SUPERFÍCIE ESPECÍFICA E ÁGUA

ADSORÇÃO DE ÁGUA E P

Equivalente de Umidade

Água adsorvida após centrifugação a -33 kPa de amostra

inicialmente saturada.

P Remanescente

Concentração de P em solução de equilíbrio em resposta a uma

concentração de P adicionada ao solo.

Coeficientes de Correlação Linear1/:

Argila Silte Silte+Argila

EquivalentedeUmidade 0,74** 0,17 0,94**

PRemanescente 0,45* 0,51* 0,84**

1/ Netto, 1996.

PSEUDOAREIA E PSEUDOSSILTE

Alguns solos, sobretudo os mais oxídicos, podem apresentar

problemas de dispersão, devido à presença de

microagregados de alta estabilidade.

Esses grupamentos, muito argilosos, contribuem, pelo seu

tamanho, para superestimar a proporção de areia e silte do

solo analisado (pseudoareia e pseudossilte).

Se diferenciam da areia e do silte verdadeiros, que são

partículas simples.

LVdf

LVAdf

Donagemma et al., 2003

LVdf

LVAdf

LVe

Donagemma et al., 2003

Segunda dispersão da fração silte

Donagemma et al., 2003

Donagemma et al., 2008

P Remanescente (Silte)

Nutrientes – Fatores relacionados à

disponibilidade

Intensidade (I)

Concentração (atividade) do íon na solução do solo.

Quantidade (Q)

Reserva do íon na fase sólida em equilíbrio com a solução (íon

em forma lábil).

Capacidade (FC)

(Capacidade Tampão) (ΔQ / ΔI)

Relação entre os fatores Q e I, numa dada faixa de

concentração (atividade) considerada.

VISÃO HIDRODINÂMICA

perdas

absorção/Planta

(Não Lábil)

Variável com:

Teor de argila

Teor P-remanescente

transporte

REPRESENTAÇÃO GRÁFICA Representação gráfica

∆I

∆Q

Fator capacidade (FC)

∆I

∆Q

∆Q

INTERPRETAÇÃO DA DISPONIB. DE P

Argila

Classificação da Disponibilidade (Mehlich-1)

Muito Baixo Baixo Médio Bom Muito Bom

% _________________________________________________________________mg dm-3_________________________________________________________________

60-100 ≤ 2,7

35-60 ≤ 4,0

15-35 ≤ 6,6

0-15 ≤ 10,0

Ribeiro et al., 1999.

CÁLCULO DA NECESSIDADE DE

CALAGEM

NC = Y [Valor relacionado à acidez trocável]+ [Valor relacionado aos teores de Ca e Mg trocáveis]

Argila Y

%

60-100 3,0 a 4,0

35-60 2,0 a 3,0

15-35 1,0 a 2,0

0-15 0,0 a 1,0

Y = a + b Arg + c Arg2, R2 = 0,9996

TRANSPORTE DE NUTRIENTES NO SOLO Transporte de Nutrientes no Solo

MECANISMOS DE TRANSPORTE

A água presente no solo, constituindo a fase líquida, não

é quimicamente pura.

O transporte simultâneo de água e solutos no solo ocorre

por fluxo de massa e por difusão.

TRANSPORTE POR FLUXO DE MASSA

Refere-se ao escoamento passivo de um soluto

juntamente com a água do solo.

Ou seja, a água e o soluto nela dissolvido se movem à

mesma velocidade.

em que:

FM: quantidade do soluto transportado por fluxo de massa

por unidade de área e de tempo, kg m-2 s-1;

q: fluxo de água, m3 m-2 s-1; e

C: concentração média do soluto, kg m-3.

Depende:

do grau de interação com a fase sólida do solo,

da intensidade de absorção pelas raízes das plantas,

da quantidade que precipita ou dissolve,

das características geométricas da matriz do solo.

Este ponto está diretamente relacionado com a

dispersão do soluto como resultado dos desvios das

velocidades, em relação à velocidade média da

frente de avanço.

Fluxo de Massa

TRANSPORTE POR DIFUSÃO

Processo espontâneo, que resulta do movimento térmico

e aleatório de íons e moléculas na fase líquida do solo.

Ocorre em razão da diferença de concentração entre pontos na solução do solo.

O movimento se dá de pontos de concentrações mais

altas para aqueles de concentrações mais baixas, como

ocorre junto à superfície das raízes das plantas.

Macroscopicamente, a taxa média de escoamento das

partículas de um soluto em um meio aquoso uniforme é proporcional ao gradiente de concentração e à área

normal à direção do escoamento.

Conforme a primeira Lei de Fick:

em que:

FD: quantidade do soluto transportado por fluxo difusivo por

unidade de área e de tempo, kg m-2 s-1;

D0: coeficiente de difusão do soluto na solução pura, m2 s-1;

C: gradiente de concentração, kg m-4.

O sinal negativo indica que o movimento do soluto ocorre do

ponto de maior para o de menor concentração.

C

Difusão

C é definido nos sistema cartesiano x, y, z, pela

equação:

Difusão

Considerando:

Ds: coeficiente de difusão do soluto na solução do solo, m2 s-1; e

D0: coeficiente de difusão do soluto na solução pura, m2 s-1.

Justificativas:

A fase líquida ocupa apenas uma fração do volume do

solo;

A trajetória tortuosa de poros contínuos, cheios de água, faz

com que a distância curvilínea efetiva à difusão no solo (Le)

seja significantemente maior que a distância retilínea em

um corpo apenas líquido (Lr).

Difusão

Difusão

Lr

Le

A relação entre Ds e D0 pode ser indicada pela

expressão:

em que:

(Lr/Le)2: fator de tortuosidade, m m-1;

α: constante associada a alterações na viscosidade da

água devido à presença de partículas eletricamente

carregadas na matriz do solo;

β: constante associada a concentrações diferenciais de

ânions e cátions na solução do solo (CTC).

Difusão

O fator de impedância f é definido pela expressão:

Difusão

Lr

Le

Como a fase líquida ocupa apenas uma fração do

volume do solo leva-se em consideração o conteúdo de água base volumétrica (θ)

em que:

VÁgua: volume de água, m3;

VSolo: volume total do solo, m3.

Assim, a primeira Lei de Fick modificada para as

condições de transporte de soluto no solo, pode ser

escrita:

Difusão

INTERCEPTAÇÃO RADICULAR (TERCEIRO MECANISMO?)

Este mecanismo foi sugerido por Oliver & Barber (1966).

É baseado no incremento da densidade do solo na

rizosfera, que aumenta o teor de nutrientes por unidade

de volume nessa região.

Assim, incrementa-se o gradiente de concentração dos

nutrientes que difundem em direção às raízes.

Os próprios autores reconhecem que esse mecanismo é uma forma de difusão, facilitada pela proximidade da

superfície radicular (menor distância a percorrer) e pelo

maior gradiente de concentração.

Atualmente não é considerada nos cálculos.

QUANTIFICAÇÃO DO FORNECIMENTO

DE NUTRIENTES ÀS RAÍZES

Por fluxo de massa:

É diretamente calculado pela equação:

Há necessidade de determinar a concentração do

nutriente na solução do solo e a água transpirada pelo

vegetal.

Não depende da extensão do sistema radicular.

Por difusão:

É estimada subtraindo, da totalidade do nutriente absorvido

pela planta, a quantidade transportada por fluxo de massa.

Depende da extensão do sistema radicular.

Fornecimento de nutrientes às raízes de milho

Nutriente Interceptação

Radicular Fluxo de Massa

Difusão

______________________________%______________________________

Ca 89 200 -

Mg 23 214 -

K 3 11 86

P 3 < 1 97 Barber, 1974.

Transporte de macro e micronutrientes catiônicos

em agregados de Latossolo (Oliveira et al., 2010)

Contribuição média do transporte por fluxo de

massa:

Ca: 99%,

Mg: 63%,

N: 56%,

S: 45%,

K: 10%

P, Mn, Zn, Cu, Fe: < 1%.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

OBRIGADO!