Relações solo, água, planta e atm_1

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Relação solo, água, planta e atmosfera
Compreender como os fatores ambientais afetam a disponibilidade hídrica no solo e, sua dinamica até a atmosfera através do processo de transpiração das plantas, estão diretamente relacionadas ao manejo da água na agricultura impactando na produtividade agrícola.
O solo é um sistema trifásico, composto por frações sólida, líquida e gasosa , que definine o reservatório de água para as plantas, e o movimento da água no solo é majoritariamente realizado por fluxo de massa em resposta a um gradiente de potencial hidríco (ΔΨw) do solo que pode ser decomposto principalmente em três componentes, o potencial gravitacional, o potencial de pressão e o potencial matricial. O fluxo da água ocorre normalmente do maior Ψw para o menor Ψw (menor valor de umidade, valor mais negativo), na tendência de estabelecer o equilíbrio do sistema solo-água. 
O primeiro componente é o potencial gravitacional da água no solo(Ψg), que depende da posição na qual ela se encontra em relação a superfície do solo, quanto mais distante da superfície, mais negativa é o Ψg (Ds*G*Z), e exerce um papel importante na drenagem dos solos, seu valor é máximo quando o solo esta totalmente saturado (os poros estão todos preenchidos com água), e torna-se insignificativo a medida que o solo vai perdendo água e atinge a capacidade de campo (sem drenagem).
O segundo componente é o potencial de pressão do solo (Ψp = Ds*g*h), que só existe sob excesso de água, ou seja, água livre exercendo carga hidráulica sobre o solo saturado. Em áreas irrigadas é representativo em condições de inundação. O Ψp tem o mesmo módulo do Ψg, porém sentido contrário (valores positivos). Enquanto o Ψg diminui (mais negativo) com a profundidade no perfil do solo, o Ψp aumenta.
O terceiro componente é o potencial matricial do solo (Ψm) que se refere ao estado de energia da água interagindo com as partículas sólidas do solo (matriz do solo) através das forças mátricas de capilaridade, responsáveis pela retenção da água nos microporos dos agregados através da coesão entre as moléculas de água e, as forças de adsorção, responsáveis pela retenção da água nas superfícies das partículas do solo. Em solos após evento de precipitação ou irrigação (alto teor de umidade), o Ψm é próximo de zero com as forças capilares sendo dominantes, nestas condições a densidade do solo e a porosidade é de fundamental importância, entretanto, o Ψm torna-se negativo com o tempo a medida que o solo perde água por absorção radicular ou evaporação, devido ao aumento das forças de adsorção, pois a natureza bipolar das moléculas de água faz que elas sejam atraídas pelas cargas negativas presentes na superfície do solo. Assim, as forças capilares e de adsorção formam a força matricial, com a qual o solo retém a água, que interfere nos movimentos ascendente (evaporação, absorção pelas raízes e, indiretamente, transpiração) e descendente (distribuição e drenagem). Assim, o Ψm é relacionado ao teor de umidade do solo e esta relação é denominada curva de retenção da água no solo.
Dessa forma, no solo saturado, o Ψw = Ψg + Ψp; sendo o Ψm=0. No solo não saturado Ψw = Ψg + Ψm.
Como o solo é um sistema trifásico, composto pelas frações sólida, líquida e gasosa, seu conteúdo de água e sua dinâmica dependem principalmente do tipo e da estrutura do solo inflenciando nos componente do potencial hidrico. Em solos arenosos (textura mais grosseira) têm uma área de superfície pequena e alto volume de poros comparado com solos argilosos (textura mais fina) que apresentam áreas de superfície muito maiores e baixa porosidade, dessa forma solos argilosos tem maiores capacidades de reterem mais água após evento de precipitação e irrigação devido as maiores forças de capilaridade e adsorção (Ψm).
Do ponto de vista do manejo da irrigação para a maioria das culturas agrícolas, o solo é mantido entre o teor mínimo de umidade sem causar estresse hidrico nas plantas (fator “f” que representa a água facilmente disponível no solo para as plantas) e a capacidade de campo, dessa forma o potencial matricial é o principal atuante no movimento da água no solo, pois o Ψg e Ψp são considerados nulos. À medida que as plantas absorvem a água do solo, reduz o Ψm próximo à superfície da raiz e estabelece um gradiente de potencial em relação às regiões vizinhas do solo que possuem valores mais altos de Ψm. Uma vez que os espaços porosos preenchidos com água se interconectam no solo, a água move-se obedecendo a um gradiente em direção à superfície das raízes por fluxo de massa através desses canais. Este fluxo nos solos irá depender do gradiente matricial no solo, sendo que solos arenosos, que possuem grandes espaços entre as partículas (maior porosidade), apresentando alto fluxo de água quando saturados (condutividade hidráulica), enquanto solos argilosos apresentam menor porosidade, com isso menor condutividade hidráulica quando saturados. 
Absorção de água pelas raízes 
A maior parte da água vinda do solo, que é absorvida pelas plantas, penetra principalmente por pontos mais jovens da raiz (pêlos radiculares), diretamente pelas células da epiderme até atingir o xilema, e então ser distribuida para o restante da planta até ser perdida para a atmosféra (transpiração). A água é absorvida pelas raizes pelo processo de osmose em um transporte passivo sem gasto de energia da água de um meio de maior energia potencial (solo) para outro de menor energia potencial (célula epiderme) pela membrana plasmática. Quando isso ocorre, aparece outra variável relacionada ao potencial de água no solo, mas que só atua na presença de uma membrana semi-permiavel, o potencial osmótico do solo (Ψs), que esta relacionado a concentração de solutos na solução do solo, em que os solutos confere a água um potencial de energia menor que a água livre. Ψs é normalmente mais importante em solos salinos e áreas irrigadas com águas de reuso com alta concentração de sais, assim, em solos com teor de umidade entre o fator “f” de disponibilidade e a capacidade de campo temos que Ψw = Ψg + Ψm + Ψs, enquanto que nas células radiculares da epiderme o potencial hídrico sera definido como Ψc = Ψp + Ψs, sendo o potencial de pressão celular definido como a pressão que as paredes exercem sobre o citoplasma, também chamado de potencial de turgor, e por apresentar vetor em sentido oposto a entrada da água na célula, apresenta valores positivos, enquanto o Ψs negativos.
Assim, quando o solo esta com alto teor de umidade (entre o fator “f” e a CC) normalmente o Ψw é próximo de zero (Ψm muito baixo), e a água é absorvida facilmente pelas raízes e move-se na raiz até o xilema pelas rotas apoplástica, simplástica e transmembranar. 1. No apoplasto a água move-se no parenquima cortical entre os espaços intercelulares sem atravessar a membrana celular 2. O simplasto consiste no movimento da água no parenquima cortical via plasmodesmos. 3. A rota transmembrana é a via pela qual a água move-se pelas células do parenquima cortical pela membrana plasmática até o xilema. 
Em situações em que a transpiração ocorre lentamente ou está ausente, o que move a água da raiz até a parte aérea é o potencial hídrico, que é gerado pela secreção de íons para dentro do xilema. Nesses casos, o potencial hídrico torna-se mais negativo, e a água, por osmose, entra no xilema. Essa situação é conhecida como pressão positiva da raiz. A probabilidade de ocorrência de pressão de raiz é maior quando os potenciais hídricos do solo são altos (alto teor de umidade), alta umidade do ar na atmosfera e as taxas de transpiração são baixas (como à noite), isso faz com que as plantas produzem gotículas líquidas nas margens de suas folhas via hidatódios, fenômeno conhecido como gutação e a perda de água por este processo representa menos de 5% da perda de água total das plantas para o ambiente externo,
No entanto, o elemento-chave no transporte de água do solo às folhas é a geração de pressões negativas dentro do xilema. Quando a transpiração está intensa, as raízes realizam absorção passivada água, sendo esta puxada por meio do fluxo promovido pela transpiração das folhas. Esse fluxo é explicado pela teoria da coesão-tensão, neste caso a água apresenta-se de forma contínua no corpo da planta, mais precisamente no interior dos vasos condutores, mantendo um movimento contínuo da água do solo para a planta e desta para a atmosfera. Esse movimento ascendente da água ocorre em consequência da perda de água por transpiração por meio dos estômatos.
Quando ocorre a transpiração na terminação dos elementos do xilema, ocorre uma diminuição do potencial hídrico na região pelo aumento da concentração de solutos na célula, isso cria um gradiente no potencial hídrico que gera um fluxo de água em direção ao menor potencial hídrico (sítios de transpiração), esse evento atinge o xilema, exercendo uma sucção. Como as moléculas de água apresentam enorme coesão, a tensão produzida é transmitida da região do caule até as raízes, esse mecanismo é chamado de coesão-tensão de ascensão da seiva, pois ele requer as propriedades de coesão da água para suportar grandes tensões nas colunas de água do xilema. Por causa da coesão existente entre as moléculas de água e sua forte adesão às paredes do xilema, forma-se uma coluna contínua de água. Ao retirar água das raízes, observa-se que o potencial hídrico torna-se mais negativo, fazendo com que ocorra uma maior absorção de água do solo. Quando chega às folhas, a água sai dos elementos condutores e passa para o mesófilo das folhas. Nesse local, a água pode ser eliminada do corpo da planta na forma de vapor pela transpiração vi estomatos. Quando as folhas abrem seus estômatos o vapor de água difunde-se para fora e o CO2 é absorvido para a fotossíntese, esse mecanismo simples contribui para tremenda eficiência energética – o que é crucial quando cerca de 400 moléculas de água estão sendo transportadas para cada molécula de CO2 sendo absorvida em troca. Os elementos cruciais que permitem o funcionamento desse mecanismo de transporte são a baixa resistividade da rota de fluxo no xilema, a qual é protegida contra a cavitação, e uma grande área de superfície do sistema de raízes para extrair água do solo.
Em sua trajetória da folha para a atmosfera, a água é puxada do xilema para as paredes celulares do mesofilo, e o vapor de água sai, então, da folha através da fenda estomática. O movimento da água líquida pelos tecidos vivos da folha é controlado por gradientes no potencial hídrico. Entretanto, o transporte na fase de vapor é por difusão, de modo que a parte final da corrente transpiratória é controlada pelo gradiente de concentração de vapor de água.
A cutícula cerosa que cobre a superfície foliar é uma barreira eficaz ao movimento da água. Estima-se que apenas 5% da água perdida pelas folhas saiam através da cutícula. Quase toda a perda de água pelas folhas se dá por difusão de vapor de água pelas diminutas fendas estomáticas.
A transpiração foliar depende de dois fatores principais: (1) a diferença na concentração de vapor de água entre os espaços intercelulares das folhas e a massa atmosférica externa (Δcwv) e (2) a resistência à difusão (r) dessa rota. A diferença de concentração de vapor de água é expressa como cwv(folha) – cwv(ar). A concentração de vapor de água do ar (cwv[ar]) pode ser facilmente medida, mas a da folha (cwv[folha]) é mais difícil de ser determinada.
A difusão na rota da transpiração, que consiste em dois componentes variáveis: 
1. A resistência associada à difusão pela fenda estomática, a resistência estomática foliar (rs) influênciada por aspectos anatômicos e morfológicos da folha como a espessura da cutícula e presença de tricomas que varia de espécie pra espécie.
2. A resistência causada pela camada de ar estacionário junto à superfície foliar, por meio da qual o vapor tem de se difundir para alcançar o ar turbulento da atmosfera. Essa segunda resistência, rb, é chamada de resistência da camada limítrofe. Quando a velocidade do vento é alta, o ar em movimento reduz a espessura da camada limítrofe na superfície da folha, diminuindo a resistência dessa camada. Sob essas condições, a resistência estomática controlará em grande parte a perda de água da folha. 
Fatores que afetam a absorção de água e a transpiração pelas plantas 
A transpiração, assim como a evaporação da água do solo, ou seja, a evapotranspiração de uma cobertura vegetal, é dependente do suprimento energético (radiação solar, do gradiente de pressão de vapor entre a superfície e a atmosfera e da velocidade do vento. Além disso, a transpiração é influenciada por fatores ligados à própria planta e ao sistema de plantio. Os fatores das plantas referem-se às características da parte aérea e do sistema radicular. O sistema de plantio (espaçamento e orientação do plantio) afeta a interceptação da radiação solar e a resistência aerodinâmica ao fluxo de vapor. A absorção de água decresce quando as raízes são submetidas a baixas temperaturas ou a condições anaeróbias ou quando são tratadas com inibidores respiratórios.