Aula_Cap1_Fisica_Solo

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Propriedades F´ısicas do Solo
Cap.1 - Informac¸o˜es e conceitos gerais
Prof. H.J.Kliemann
Curso de Agronomia - Campus Palotina
Universidade Federal do Parana´ - UFPR
Palotina, PR, agosto de 2013
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Introduc¸a˜o
O solo do ponto de vista pedogene´tico
O solo pode ser definido como a camada intemperizada da crosta
terrestre, que, por ac¸a˜o de processos f´ısicos, qu´ımicos e biolo´gicos de
desintegrac¸a˜o, decomposic¸a˜o e recombinac¸a˜o, se transformou em material
poroso de caracter´ısticas peculiares, contendo minerais prima´rios, minerais
secunda´rios e materiais orgaˆnicos, mostrando o desenvolvimento de um
perfil. Cinco fatores sa˜o considerados responsa´veis pela formac¸a˜o do solo:
material parental (de origem) rochas e outros materiais - (p), tempo (t),
clima (cl), relevo (r) e organismos vivos (o). Formalmente, pode-se dizer
que
Solo = f (cl , o, r , p, t).
Da combinac¸a˜o dos fatores de formac¸a˜o (cl, o, r, t), atuando em
intensidades varia´veis sobre o material parental (p), resultam os mais
variados tipos de solos.
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Relac¸o˜es de massa e volume
Relac¸o˜es de massa e volume no solo
As treˆs fases no solo sa˜o representadas por: fase so´lida, que e´ a matriz do
solo; fase l´ıquida, a soluc¸a˜o do solo; e fase gasosa, a atmosfera do solo.
Figura 1.1. Representac¸a˜o esquema´tica de um solo hipote´tico, mostrando os
volumes e as massas das treˆs fases numa amostra hipote´tica de textura me´dia.
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Relac¸o˜es de massa e volume
Distribuic¸a˜o de massas e volumes no solo
Na Figura 1.1 tem-se a representac¸a˜o esquema´tica de um solo hipote´tico,
mostrando os volumes e massas das treˆs fases. A massa do ar (Mar ) e´ desprez´ıvel, se
comparada com as dos so´lidos (Ms ) e da a´gua (Mw ). O volume do ar e´ indicado por
Var ; o volume da a´gua por Vw ; o volume de poros por Vp=
Var
Vw
, e o volume total por Vt .
Na Figura 1.2 sa˜o mostradas as distribuic¸o˜es relativas dos constituintes prima´rios do
solo nas treˆs fases.
Figura 1.2. Composic¸a˜o esquema´tica de um solo com cerca de 50% de poros.
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Relac¸o˜es de massa e volume
Densidade de part´ıculas
Muitas vezes a densidade de part´ıculas e´ expressa em termos de gravidade espec´ıfica (a raza˜o da densidade do material para
a` da a´gua a 40Ca). Nas CNTP e´ atribu´ıdo o valor unita´rio a` densidade da a´gua, e assim a gravidade espec´ıfica e´ numerica,
embora na˜o dimensionalmente, igual a` densidade das part´ıculas do solo. Logo, a densidade das part´ıculas do solo e´ igual a` raza˜o
da massa de part´ıculas (Ms ) pelo seu volume de part´ıculas (Vs ), dada pela equac¸a˜o (1).
ρs =
Ms
Vs
(1)
Na maioria dos solos a densidade de part´ıculas (ρs ) varia de 2,5 a 3,0 kg dm
−3; essas diferenc¸as dependem da concentrac¸a˜o,
da composic¸a˜o e do material de origem. Os o´xidos de ferro e outros metais pesados tem valor me´dio de ρs mais alto e a mate´ria
orgaˆnica o mais baixo. Na maioria dos ca´lculos em mecaˆnica de solos utiliza-se o valor me´dio de 2,65 kg dm−3.
Tabela 1.1. Densidade das part´ıculas minerais, da mate´ria orgaˆnica do solo, do ar e da a´gua e do gelo.
Componentes Densidade de part´ıculas Componentes Densidade de part´ıculas
(kg dm−3) (kg dm−3)
Quartzo 2,66 Ortocla´sio 2,50-2,60
Minerais de argila 2,65 Mica 2,80-3,20
LVEf(1) - Ap/Bw 2,94 PVAd(1) - Bt 2,64
Mate´ria orgaˆnica 1,30 Limonita 3,40-4,00
A´gua 1,00 Fe(OH)2 3,73
Ar 0,0012 Gelo 0,92
Fontes: Campbell (1985) [3]; Kohnke (1968) [5]; Embrapa (1984) [6](1).
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Relac¸o˜es de massa e volume
Determinac¸a˜o da densidade de part´ıculas do solo
A determinac¸a˜o da densidade de part´ıculas e´ determinada pelo me´todo cla´ssico do picnoˆmetro (Figura 1.3), aplicando-se
a fo´rmula de ca´lculo:
ρs =
ρw (Ps − Pa)
(Ps − Pa)− (Psw − Pw )
em que: ρs e´ a densidade de part´ıculas do solo (g cm
−3); Pa , o peso do picnoˆmetro com ar; Ps , o peso do picnoˆmetro +
amostra de solo corrigida para a condic¸a˜o seca; Psw , o peso do picnoˆmetro com amostra de solo + a´gua; Pw , o peso do
picnoˆmetro com a´gua pura; e ρw , a densidade da a´gua a` temperatura observada.
X Recomenda-se, preferencialmente, usar etanol ao inve´s de a´gua. A a´gua e´ altamente polar e interage com a matriz do
solo; o etanol, ao contra´rio, por causa de suas viscosidade e tensa˜o superficial baixas, penetra mais facilmente nos espac¸os vazios
ou intersticiais.
Figura 1.3. Ilustrac¸o˜es do picnoˆmetro para a determinac¸a˜o da densidade de part´ıculas do solo.
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Relac¸o˜es de massa e volume
Densidade do solo
A densidade do solo seco, ou densidade global (bulk density, em ingleˆs), e´ a raza˜o da
massa do solo seco a (1050C) pelo volume total (so´lidos + poros):
ρb =
Ms
Vt
=
Ms
Vs + Var + Vw
(2)
Tabela 1.2. Relac¸a˜o do crescimento radicular versus com a densidade de solos
secos (kg dm−3) com diferentes texturas (Arshad et al., 1996).
Pode afetar Pode restringir
Textura do solo Ideal crescimento crescimento
das ra´ızes das ra´ızes
Areia, areia franca <1,60 1,69 >1,80
Areia franca, Franca <1,40 1,63 >1,80
Franco-areno-argilosa <1,40 1,60 >1,75
Siltosa, Franco-siltosa <1,30 1,60 >1,75
Franco-argilo-siltosa <1,40 1,55 >1,65
Argilo-arenosa Franco-argilosa <1,10 1,49 >1,58
Argilosa (> 450 g kg−1)de argila <1,10 1,39 >1,47
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Relac¸o˜es de massa e volume
Distribuic¸a˜o de massas e volumes no solo
A determinac¸a˜o da densidade do solo pode ser feita com amostras deformadas e amostras indeformadas. O mais comum,
por questa˜o de precisa˜o, e´ fazeˆ-la com amostras indeformadas, para o que sa˜o usados o amostrador de Uhland e o de Kopecky
(Figura 1.4 (a) e (b), respectivamente).
Figura 1.4. Ilustrac¸a˜o de coletores de amostras indeformadas de solos: (a) Amostrador
de Uhland; (b) Amostrador de Kopecky.
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Relac¸o˜es de massa e volume
Densidade do solo u´mido, volume espec´ıfico, porosidade e raza˜o de
vazio
Densidade do solo total (u´mida) - ρt
ρt =
Mt
Vt
=
Ms + Mw
(Vs + Var + Vw )
(3)
Volume espec´ıfico seco - νb
νb =
Vt
Ms
=
1
ρb
(4)
Porosidade - f
f =
Var + Vw
Vs + Var + Vw
(5)
Raza˜o de vazio - e
f =
Vf + Vs
Vs
=
Vf
Vt − Vf (6)
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Umidade do solo
Massa u´mida e volume u´mido de a´gua no solo
1. Massa u´mida ou umidade gravime´trica:
u =
Mw
Ms
(7)
2. Umidade volume´trica - θ
θ =
Vw
Vt
=
Vw
Vs + Vf
(8)
Em solos arenosos, o valor de θ, no ponto de saturac¸a˜o, varia de 40 a 50%;
em solos de textura me´dia, e´ de aproximadamente 50%;
em solos argilosos pode atingir a 70%.
O uso de θ, ao inve´s de u (massa de umidade), e´ mais frequente na irrigac¸a˜o por
questo˜es pra´ticas.
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Umidade do solo
Massa u´mida e volume u´mido de a´gua no solo
Raza˜o de volume de a´gua νw para o volume de so´lidos e´ dada por:
νw =
Vw
Vs
(9)
Grau de saturac¸a˜o - s
E´ a raza˜o do volume de a´gua no solo pelo volume de poros:
s =
Vw
Vf
=
Vw
Var + Vw
(10)
Porosidade cheia de ar (ou volume fracional de ar) - far
far =
Var
Vt
=
Var
Vs + Vw + Var
(11)
Mede o conteu´do relativo de ar do solo; tem relac¸a˜o inversa com o grau de
saturac¸a˜o s, isto e´, far = f − s.
Prof.H.J. Kliemann (PVNS/CAPES/MEC) F´ısica do Solo ... 11 / 19Relac¸o˜es adicionais de massa e volume
Deduc¸o˜es...(continua)
1. Relac¸a˜o entre porosidade e raza˜o de vazio
e =
f
1− f (12)
f =
e
1 + e
(13)
2. Relac¸a˜o entre volume de umidade, grau de saturac¸a˜o e porosidade
θ = s.f (14)
s =
θ
f
(15)
3. Relac¸a˜o entre porosidade, densidade de part´ıculas e do solo seco
f =
ρs − ρb
ρs
= 1− ρb
ρs
(16)
ρb = 1− f ρs (17)
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Relac¸o˜es adicionais de massa e volume
Deduc¸o˜es...(continua)
4. Substituindo as definic¸o˜es de f , ρs e ρb, reescreve-se a equac¸a˜o como:
Vf
Vt
= 1− Ms
Vt
.
Ms
Vs
(18)
5. Simplificando o membro direito da igualdade, obtemos:
Vf
Vt
= 1− Ms
Vt
=
Vt − Vs
Vt
(19)
6. Mas, ja´ que Vt − Vs = Vf , temos:
Vf
Vt
=
Vf
Vt
(20)
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Relac¸o˜es adicionais de massa e volume
Deduc¸o˜es...(continua)
7. Relac¸a˜o entre umidade de volume, porosidade total, porosidade cheia de ar e grau de
saturac¸a˜o
fa = f − θ = f − s (21)
θ = f − fa (22)
7.1. Substituindo as definic¸o˜es de f , ρs e ρb, pode-se reescrever a equac¸a˜o como:
Vf
Vt
= 1− Ms
Vt
.
Ms
Vs
(23)
7.2. Simplificando o membro direito da igualdade, obtemos:
Vf
Vt
= 1− Ms
Vt
=
Vt − Vs
Vt
(24)
7.3. Mas, ja´ que Vt − Vs = Vf , temos:
Vf
Vt
=
Vf
Vt
(25)
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Deduc¸a˜o de relac¸o˜es adicionais de massa e volume
Relac¸o˜es adicionais (conclui)
8. Relac¸a˜o entre massa de umidade, volume de umidade, densidade do solo seco e de a´gua.
θ = u.
ρb
ρw
(26)
8.1. Novamente comec¸amos a substituir as respectivas definic¸o˜es de θ, u, ρb e ρs .
Vw
Vt
=
(
Mw
��* 1Ms
)(
��* 1Ms
Vt
)
(
Mw
Vw
) (27)
8.2. Rearranjando o lado direito da igualdade,
Vw
Vt
=
 Vw
��*
1
Mw

��* 1Mw
Vt
 = Vw
Vt
. (28)
9. Relac¸a˜o entre umidade de volume, porosidade total, porosidade cheia de ar e grau de saturac¸a˜o
far = f − θ = f − s (29)
θ = f − far (30)
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Relac¸o˜es adicionais de massa e volume
S´ımbolos usados e dimenso˜es pertinentes
S´ımbolos usados e dimenso˜es pertinentes:
A SBCS usa o SI (Syste`me International), segundo recomendac¸o˜es da IUPAC e da IUPAP. O
assunto e´ tratado por Cantarella e Andrade (1992) [3] e Cantarella e Moniz (1995) [4].
A seguir, tem-se as dimenso˜es usadas nesse cap´ıtulo.
Ms = massa de part´ıculas secas(g); Mt =massa total do solo part´ıculas+ umidade(g); Mw
= massa de umidade(g);
Vs = volume de part´ıculas secas (cm);
Vt = volume total de part´ıculas (cm); Var = volume de ar (cm);
Vw = volume de umidade (cm); Vf = volume de poros a´gua ar (cm);
Vb = volume espec´ıfico seco (kg dm
−3);
ρs = densidade de part´ıculas (kg dm−3); ρb = densidade do solo seco(kg dm−3); ρt =
densidade do solo total (kg dm−3);
u = a´gua gravime´trica ou massa de umidade (g); θ = umidade volume´trica ou volume de
umidade (cm3 cm−3);
f = porosidade total do solo (adimensional); far = porosidade cheia de ar (adimensional);
e = raza˜o de vazio (adimensional); νv = raza˜o do volume de a´gua (adimensional); s =
grau de saturac¸a˜o (adimensional).
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Resoluc¸a˜o de problemas
Problema 1 (continua)
1. Uma amostra de solo u´mido contendo massa u´mida de 1100 g e volume de 640 cm3 foi seca
em uma estufa e encontrou-se uma massa seca de 800 g . Assumindo o valor t´ıpico de densidade
de part´ıculas para um solo mineral, calcule a densidade do solo seco ρb, a porosidade f , a raza˜o
de vazio e, a umidade volume´trica θ, a raza˜o de volume de a´gua νw , o grau de saturac¸a˜o s e a
porosidade cheia de ar far .
Densidade do solo seco:
ρb=
Ms
Vt
= 800 g/640 cm−3 = 1,25 g cm−3 = 1,25 kg dm−3
Porosidade:
f =1− ρb
ρs
=1-(1,25 kg dm−3/2,65 kg dm−3)=1-0,472 =0,528=52,8%.
Alternativamente,
f = Vf
Vt
= Vt−Vs
Vt
,
a´ que,
Vs =
Ms
ρs
=800 g/2,65 g cm−3=301,9 cm3
Enta˜o,
f =(640 cm3-301,9 cm3)/640 cm3=0,528=52,8%
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Resoluc¸a˜o de problemas
Problema 1 (conclui)
Raza˜o de vazio
e=
Vf
Vs
=(640cm3-301,9cm3)/301,9 cm3=1,12.
Massa de umidade
u= Mw
Ms
=
Mt−Ms
Vs
=(1000g -800g)/(800g)=0,25 g g−1.
Volume de umidade
θ= V−w
Vt
=200 cm3/640 cm3=0,3125 cm3 cm−3
Nota: Vw =
Mw
ρw
, em que ρw e´ a densidade da a´gua (' 1,00 g cm−3).
Alternativamente,
θ=u.
ρb
ρw
= 0,25.1,25kg dm−3/1kg dm−3==0,3125 cm3 cm−3
Raza˜o do volume de a´gua
νw =
Vw
Vs
= 200cm3/310,9cm3 = 0,662
Grau de saturac¸a˜o
s = Vw
Vf
= 200cm3/(640cm3 − 310,9cm3) = 0,592 = 59,2%
Porosidade cheia de ar
far =
Vf
Vt
= (640cm3 − 200cm3 − 301,9cm3)/640cm3 = 0,216 = 21,6%
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Resoluc¸a˜o de problemas
Problema 2
2. Quantos dec´ımetros cu´bicos (em profundidade equivalente) de a´gua esta˜o contidos em um
perfil de solo de 1m de profundidade, se a massa de umidade nos 40 cm superiores e´ de 15% e
aquela nos 60 cm inferiores e´ de 25%? A densidade do solo e´ 1,2 kg dm−3 na camada superior,
e 1,4 kg dm−3 na camada mais profunda. Quanto de a´gua conte´m o solo em metros cu´bicos
por hectare de terra ate´ 1 m de profundidade?
Recordando que:
θ = u. ρb
ρw
em que: ρw = 1, temos:
Umidade volume´trica na camada superior: q1 = 0,15.1,20 = 0,18 cm3 cm−3;
Prof. equivalente de a´gua nos 40 cm superiores=0,18.40 = 7,2 cm;
Umidade volume´trica na camada inferior: q1 = 0,25.1,40 = 0,35 cm3 cm−3;
Prof. equivalente de a´gua nos 60 cm inferiores=0,35.60 = 21,0 cm;
Prof. total equiv. de a´gua nos 100 cm do perfil=7,2 + 21,0 = 28,2 cm
A´rea por hectare:10.000 m2;
Volume do solo(ate´ 1 m de profundidade):10.000 m3;
Volume de a´gua ate´ 1 m de prof.=10.000 m2.0,282 m = 2820 m3;
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Arshad, M.A.; Lowery, L.; Grossman, B. Physical tests for monitoring soil quality. In:
Doran, J.W. e Jones, A.J. (eds.), Methods for assessing soil quality. Madison, WI: Soil
Science Society of America, 1996. (Special Publication, 49).
Campbell, G.S. Soil Physics with Basic; transport models for soil-plant systems. New York:
Elsevier. 1985. 149 p.
Cantarella, H.; Andrade, J.C. de O Sistema Internacional de Unidades e a Cieˆncia do Solo.
Campinas, SP: Bol. Inf. Soc. Bras. Ci.Solo, v.17, n.3, p.91-102. 1992.
Cantarella, H. e Moniz, A.C. Unidades do Sistemas em publicac¸o˜es da SBCS. Bol. Inf. Soc.
Bras. Ci.Solo,Campinas, SP:,v.18, n.2, p.82-84. 1995.
Kohnke, H. Soil physics. Nova Iorque, McGraw-Hill Book, 1968. 224p.
Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecua´ria. Servic¸o Nacional de Levantamento e
Conservac¸a˜o de Solos - Embrapa. Levantamento de Reconhecimento dos Solos do Estado
do Parana´, por Jorge Olmos I. Larach, Alcides Cardoso, Ame´rico Pereira de Carvalho,
De´lcio Peres Hochmu¨ller, Pedro Jorge Fasolo e Moacyr de Jesus Rau¨en. Curitiba,
Embrapa-SNCLS/SUDESUL/IAPAR, 1984. 2t. il. (Embrapa-SNLCS, Boletim Te´cnico, 27).
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