Física do solo - Notas de aula

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Física do Solo
Propriedades físicas do solo 
Os solos minerais são constituídos por uma mistura de partículas sólidas de natureza mineral e orgânica, ar e água, formando um sistema trifásico, sólido, gasoso e líquido. As partículas da fase sólida variam grandemente em tamanho, forma e composição química e a sua combinação nas várias configurações possíveis forma a chamada matriz do solo. Considerando o solo como um corpo natural organizado, portanto ocupando dado espaço, a recíproca da matriz do solo forma a porosidade dos solos. Outro fator que interfere diretamente na porosidade dos solos refere-se à maneira com que as partículas sólidas se arranjam na formação dos solos. 
Duas propriedades físicas, hierarquicamente mais importantes, referem-se a textura do solo, que é definida pela distribuição de tamanho de partículas, e a estrutura do solo definida pelo arranjo das partículas em agregados. A porosidade do solo, por sua vez, é responsável por um conjunto de fenômenos e desenvolve uma série de mecanismos de importância na física de solos, tais como retenção e fluxo de água e ar, e, se analisada conjuntamente com a matriz do solo, gera um grupo de outras propriedades físicas do solo associadas às relações de massa e volume das fases do sistema solo. Não menos importante são as propriedades associadas à reação mecânica do solo à aplicação de forças externas.
O solo é constituído essencialmente por matéria mineral, matéria orgânica, água e ar. É portanto, considerado como um sistema trifásico pois divide-se em três frações: fração sólida (matéria mineral associada a matéria orgânica), fração líquida (água) e fração gasosa (ar). As proporções de matéria orgânica e matéria mineral podem variar consoante a natureza dos solos. No entanto, quer estes tenham muita ou pouca matéria mineral ou matéria orgânica os solos contêm proporções variáveis de água com substâncias dissolvidas (solução do solo) e ar (atmosfera do solo).
Em sistemas heterogêneos as propriedades diferem não somente entre uma fase e outra, mas também dentro de cada fase e no contorno entre fases vizinhas. Interfaces entre fases exibem fenômenos específicos resultantes da interação das fases. A importância desses fenômenos, que incluem adsorção, tensão superficial e fricção, depende da magnitude das áreas interfacial por unidade de volume do sistema. Sistemas nos quais pelo menos uma das fases é subdividida em numerosas partículas pequenas que juntas exibem grande área interfacial por unidade de volume, são chatos sistemas dispersos. 
O solo é um sistema heterogêneo, particulado, disperso e poroso, onde a área interfacial por unidade de volume pode ser muito grande. A natureza dispersa do solo dá lugar a fenômenos como adsorção de água e químicos, troca iônica, adesão, expansão e contração, dispersão e floculação e capilaridade.
DIFERENÇA ENTRE INFILTRAÇÃO E CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA
Infiltração é o nome dado ao processo pelo qual a água atravessa à superfície do solo. Uma gota de chuva pode ser interceptada pela vegetação ou cair diretamente sobre o solo. É o movimento para dentro do solo.
Condutividade hidráulica significa o estudo do movimento da água nas profundidades. Seria a percolação da água para o interior da camada do solo.
Densidade do solo
A densidade do solo é definida como sendo a relação existente entre a massa de uma amostra de solo seca a 105ºC e a soma dos volumes ocupados pelas partículas e pelos poros.
Método de determinação da densidade: anel volumétrico 
Densidade de Partícula Dp (densidade real). É a relação entre a massa de uma amostra de solo e o volume ocupado pelas suas partículas sólidas. Refere-se ao volume de sólidos de uma amostra de terra, sem considerar a porosidade.
Geralmente, a Dp varia entre 2,3 a 2,9 g cm-3 = média 2,65 g cm-3 Principais constituintes minerais nos solos são quartzo, feldspatos e silicatos, os quais apresentam uma Dp média de 2,65 g cm-3
Importância e Relações com o Solo e as Plantas
 Permite avaliar propriedades do solo como: - drenagem - condutividade hidráulica - permeabilidade do ar e água - capacidade de saturação - volume de sedimentação - erodibilidade eólica - recomendação de culturas (Ex: tuberosas preferem solo pouco denso).
As menores partículas possuem maior capacidade de reação, pois a força eletrostática é maior que a força do peso.
Partícula de areia não gera agregado: partícula grande;
Partícula de argila gera agregado: partícula pequena;
Areia grossa – 2 a 0,2 mm ou 2000 a 200 µm 
Fina – 0,2 a 0,05 mm ou 200 a 50 µm 
Silte – 0,05 a 0,002 mm ou 50 a 2 µm 
Argila – menor do que 2 µm
*Esses valores são correspondentes aos diâmetros;
*As partículas possuem diferentes formas;
*Horizonte C: não tem argila (mais parecido com a rocha matriz) e as partículas são mais individualizadas podendo ocorrer erosão;
*Apenas os horizontes A e B possuem estrutura, pois as partículas se unem;
Desconsiderando a presença da matéria orgânica e de partículas maiores do que 2 mm no solo, o total de partículas de um solo é igual ao somatório da proporção de areia, silte e argila, de maneira que um solo pode ter de 0 a 100% de areia, de silte e de argila. O número possível de arranjamento resultante da combinação das proporções de classes de partículas é muito grande, o que impulsionou o desenvolvimento de um sistema de classificação gráfico e funcional para definição das classes de textura dos solos. 
A avaliação da textura é feita diretamente no campo e em laboratório. No campo, a estimativa é baseada na sensação ao tato ao manusear uma amostra de solo. A areia manifesta sensação de aspereza, o silte maciez e a argila maciez e plasticidade e pegajosidade quando molhada. No laboratório, a amostra de solo é dispersa numa suspensão e, por peneiramento e sedimentação, se determina exatamente a proporção de areia, argila e por diferença a de silte.
ARGILA X AREIA
*Irrigação por pivô central: usado em solos argilosos pois é muita água em pouco tempo;
*Irrigação por gotejamento: usado em solos arenosos, pois é pouca água em muito tempo;
*Quantidade de torrões na aração do solo: cuidado na hora de arar, solos muito secos geram torrões;
*Argila dispersa em água: quantidade de argila sem forma agregados (individualizada > pode ocorrer erosão), por isso é preferível que essa porcentagem seja pequena;
*Areia fina + silte: maior capacidade do solo erodir;
*ADA: argila dispersa em água;
Estrutura do solo
A estrutura do solo refere-se ao agrupamento e organização das partículas do solo em agregados e relaciona-se com a distribuição das partículas e agregados num volume de solo. Considerando que o espaço poroso é de importância similar ao espaço sólido, a estrutura do solo pode ser definida também pelo arranjamento de poros pequenos, médios e grandes, com consequência da organização das partículas e agregados do solo.
A estrutura do solo, conceitualmente, não é um fator de crescimento das plantas ou indicativo direto da qualidade ambiental. Porém, está relacionada indiretamente com praticamente todos os fatores que agem sobre eles. O suprimento de água, a aeração, a disponibilidade de nutrientes, a atividade microbiana e a penetração de raízes, dentre outros, são afetados pela estrutura dos solos.
 De acordo com a organização das partículas e do ambiente de formação muitos tipos de agregados estruturais podem se formar. O tipo de agregado presente num solo determina o tipo de estrutura do solo.
Os mecanismos da formação da estrutura dos solos não são bem conhecidos; porém, sabe-se que inicia com a formação dos solos e que, classicamente, dois fenômenos devem ocorrer para haver a formação da estrutura dos solos como temos atualmente nos ecossistemas. O primeiro refere-se à aproximação das partículas e o segundo à cimentação ou estabilização os agregados. Na aproximação entre as partículas agem os seguintes processos e fatores: floculação da argila e cátions trocáveis, desidratação do solo, secamentolocalizado e pressão causados pelas raízes e organismos como minhocas (coprólitos) e outros. Na estabilização dos agregados agem: quantidade e tipo de argila, forças eletrostáticas (Van der Walls), matéria orgânica (polissacarídeos, ac. húmicos), microrganismos pela ação mecânica (hifas de fungos) e produção de compostos orgânicos e vegetação pela ação mecânica das raízes e fonte de material orgânico na superfície. 
Em solos arenosos há predominância de macroporos, enquanto em solos argilosos a tendência é predominar microporos. Nesse aspecto, a origem do tamanho de poros relaciona-se ao tamanho de partículas e são considerados de natureza textural ou porosidade textural. Quando as partículas se organizam em agregados, há a criação de poros no solo, geralmente poros grandes entre agregados, sendo considerados porosidade estrutural. Esta 4 anos de cultivo Solo de mato 50 anos de cultivo última é especialmente importante em solos argilosos onde os macroporos são formados como conseqüência da estruturação.
Um solo bem estruturado apresenta: 
a) poros adequados para a entrada de ar e água no solo; 
b) porosidade adequada para que a água se movimente através do solo, sendo disponível para as culturas, assim como permita uma boa drenagem do solo; 
c) porosidade adequada para o crescimento das culturas após a germinação das sementes, permitindo que as raízes explorem um maior volume de solo em busca de ar, água e nutrientes e; 
d) resistência à erosão pela alta agregação. 
A perda das condições adequadas e originais definem a degradação das condições estruturais e são causadas principalmente por: 
a) preparo intensivo e queima dos resíduos; 
b) tráfego intenso de máquinas com umidade inadequada; 
c) impacto da gota de chuva; 
d) dispersão química dos colóides. 
e) inaptidão agrícola 
As consequências da degradação são: 
a) propriedades físicas afetadas - densidade e porosidade do solo, estabilidade dos agregados, retenção e infiltração água; 
b) camadas compactadas subsuperficiais; 
c) resistência do solo à penetração; 
d) erosão – sulcos ou laminar e; 
e) crostas superficiais.
A estrutura do solo é altamente dinâmica (o espaço poroso pode variar dependendo da situação que é exposto)
Argila tem estrutura (dependendo dos coloides e atração eletrostática). Formação de agregados depende da floculação e da sedimentação.
Areia não apresenta estrutura, apresenta apenas espaço poroso entre as partículas.
 
Macroporos > 0,05 mm
Responsável pela drenagem de água, pelas trocas gasosas (aeração) e crescimento de raízes;
Microporos < 0,05 mm 
Responsável pela retenção de água;
*Atenção: O aumento de microporos não determina a retenção de água, pois pode haver a compactação e não tem drenagem.
Aproximação floculação 
Estabilização agentes cimentantes: MO, argilas e óxidos de Fe e Al (coloides);
*As argilas formam agregados apesar de a partícula ser pequena elas não se juntam com a areia e o silte.
*Silte: baixa porosidade, alto escoamento superficial;
Forças mecânicas: gravidade, crescimento de raízes (forma estrutura), expansão e contração do solo (forma mais intenso na superfície) e ação da fauna.
 Estabilização de agregados a estabilização aumenta (retém água com mais força) e o tamanho dos poros diminuem;
Estrutura (‘arrumação’) a retenção de água é altamente dependente da estrutura;
3 Níveis de classificação
- Tipo ou forma: granular, laminar, colunar, blocos e prismáticos (Horizontes A e B);
- Tamanho ou classe: diferentes classificações para cada tipo ou forma;
- Grau de desenvolvimento de estrutura: fraca (se desfaz facilmente), moderada (média resistência) e forte;
*Importância da estrutura: 
- Aeração;
- Dinâmica da água;
- 
- 
Como avaliar a estrutura do solo¿
- Estabilização de agregados;
*Via seca: erosão eólica 
*Via úmida: 
Na compactação: horizontalização do solo;
A densidade da partícula não muda a tempo curto;
A densidade do solo muda facilmente;
Eluviação de argila: é a descida da argila para horizontes mais profundos; 
Mesmo sem eluviação e sem compactação, a densidade do solo vai aumentar devido a areia que desce com o tempo;
Porosidade de aeração: a quantidade de poros ocupados por ar;
Pa porosidade de aeração 
Ө umidade
Pt porosidade tota 
	Conservação da estrutura
	Plantio Direto
	Matéria orgânica
	Não revolvimento do solo
	Preparo menos intenso
	Palhada no solo como cobertura
	Condições ideais de umidade
	Rotação de culturas
	Aptidão agrícola
	Adubação verde - leguminosas
Resistência mecânica do solo
A resistência mecânica do solo à penetração pode limitar o crescimento do sistema radicular e a produtividade das plantas.
Penetrômetro estática: velocidade constante
Penetrômetro dinâmico: com aceleração (modelo stolf)
Solos arenosos (leves) não são fáceis de entrar, ou seja, resistência a penetração (depende da umidade) e não quer dizer que está compactado
*Valor critico: 2Mpa quando o solo estiver na capacidade de campo (quantidade máxima de água no solo);
	Cor do solo (dividir em glebas)
Solo vermelho Ferro na forma de hematita para dar cor vermelha;
	Hematita > FeO3 (Não tem água estrutural); 
Boa drenagem – estado oxidado; 
Solo amarelo Ferro na forma de goethita (quase nada de hematita);
	Goethita > FeOOH (Tem água na estrutura)
	Drenagem ruim – pode formar 
*No brejo Ferro oxidado Fe2+ solúvel (anaerobiose) – não sobra ferro 
A fertilidade está ligada ao material de origem 
*As pessoas relacionam Vermelho com fertilidade, mas isso não é verdade.
Em São Paulo tem solos vermelhos oriundos do Basalto e esse material de origem faz com que o solo seja fértil. Em Ouro Preto os solos são vermelho, mas oriundos do Itabirito que não origina um solo fértil.
Caderneta de cores 
Matiz RGBY (vermelho/ verde/ azul/ amarelo)
VALOR relacionado ao brilho da cor (0 – 10)
CROMA intensidade da cor (0 – 8)
Consistência do Solo
Amostra seca mede dureza e tenacidade;
Amostra úmida friabilidade (friável);
Amostra molhada plasticidade 
Amostra muito molhada pegajosidade;
Na amostra seca e úmida a coesão é maior que a adesão;
Na amostra molhada e muito molhada a adesão é maior;
Água no solo
A água na forma líquida apresenta uma série de propriedades de fundamental importância em seu comportamento no solo. A polaridade, pontes de hidrogênio e tensão superficial da água fazem com que a água em sistemas porosos atinja estado de menor energia livre e seja retida contra a gravidade, especialmente por capilaridade e também por adsorção.
Cátions hidratados > H+, Na+, K+, e Ca+;
Calor específico energia necessária para 1 quilo de água aumentar em 1°C;
Menisco: interação entre as cargas do sólido e a água e a tensão superficial;
A água no solo tem forte interação com os coloides, pois é a fração que possui maior quantidade de cargas;
A água é responsável por:
Expansão e contração das partículas do solo;
Aderência e a formação dos agregados;
Participa de inúmeras reações químicas;
Criam acidez (CO2 reage com a água);
Intemperismo dos minerais (salinidade do oceano);
Atração às superfícies sólidas restringindo o movimento livre das moléculas de água (comportamento menos liquido);
A água tem movimento descendente e ascendente no solo;
As plantas podem murchar em lugares com muita água, pois essa água é retida fortemente pelo solo;
Uma camada de areia e cascalho no perfil do solo pode inibir a drenagem de água, tornando os horizontes superficiais saturados;
Teor de água no solo = umidade
U => umidade gravimétrica ou 
*Não utilizamos base úmida 
θ => umidade volumétrica ou 
A quantidade de água retida é um importante parâmetro do solo, porém não informa sua disponibilidade ou a sua força de retenção. O movimento de massas na natureza se dá de pontos de energia livre mais altos para pontos de energia mais baixa, e como no solo o movimentode água é pequena a energia considerada é a potencial. Modernamente, no solo estipulou-se medir o quanto de trabalho deve ser realizado numa quantidade de água para se deslocar de um dado estado ao estado de referência. Três forças definem o total da energia livre da água: 1) osmótica; 2) gravitacional e; 3) forças originadas pela matriz do solo. No solo as concentrações de sais tendem a se igualar por difusão, sendo a diferença de energia devido a forças osmóticas, predominantes no domínio solo-raiz, influindo pouco no movimento e retenção da água. Na gravidade a energia potencial toma conotação de energia de posição dentro do campo gravitacional, importante na definição do movimento de água e deve ser computado para equacionamento de fluxo de água no solo. As forças originadas pela matriz do solo, através dos fenômenos de adsorção e capilaridade, são as responsáveis pelo potencial matricial, antigamente chamado de potencial capilar. 
O total de energia por unidade de volume de água é definido como sendo o potencial total expresso em termos de pressão (kPa, bar, cm de coluna de Hg ou água). O principal componente do potencial total em solos não saturados é o potencial matricial, responsável pela retenção de água contra a ação da gravidade e por isso ter sinal negativo e chamado de tensão da água no solo. Pela equação da capilaridade temos que, quanto menor o tamanho dos poros maior a força capilar e maior tem que ser a força para extrair a água de dentro destes capilares. Deste modo um solo saturado ao secar, os poros maiores são esvaziados primeiro e a medida que a umidade do solo vai reduzindo, a energia livre é menor e a água vai ficando mais fortemente retida. Assim na mesma posição gravitacional e no mesmo solo ou horizonte a água de desloca de pontos mais úmidos para mais secos, no entanto, quando a posição gravitacional não é a mesma não necessariamente a água se move de pontos mais úmidos para mais secos. 
Em laboratório constrói-se curvas relacionando umidade do solo e potencial matricial denominando-as de curva de retenção de água no solo ou curva característica de água no solo (Figura 6). No campo a medição do potencial matricial é feita por um equipamento chamado de tensiômetro.
Um solo saturado apresenta toda sua porosidade cheia de água, que após drenado em condições naturais, os macroporos são drenados e os microporos ficam preenchidos com água. Neste estado o movimento descendente é pequeno e tradicionalmente considerase que o solo apresenta a sua máxima capacidade de armazenamento de água contra a gravidade e considera-se a umidade deste estado como sendo a capacidade de campo (CC). O potencial matricial da água no solo encontra-se na faixa de -10 a -33 kPa, dependendo da textura e estruturação do solo. Ao contrário, a umidade onde as plantas murcham permanentemente é chamada de ponto de murcha permanente (PMP) e apresenta potencial matricial em torno de –1500 kPa. A diferença de umidade entre a CC e PMP nos indica a faixa de água disponível de um solo, que pode ser dada em termos percentuais ou em lâmina de água. Esta última é uma excelente indicadora da habilidade de um solo reter água a ser utilizada pelas plantas. A textura, matéria orgânica e a agregação são os principais fatores que afetam a disponibilidade de água para as plantas.
http://www.leb.esalq.usp.br/leb/aulas/lce200/Cap8.pdf
ice 200 
cap 8 
Gravitacional X Matrico
Potencial Total (ᴪT) é o potencial de água no solo (estudo do movimento da água);
+ ᴪg + ᴪ0 + ᴪm 
 
ᴪg gravitacional 
ᴪp pressão (força de uma coluna de água)
ᴪ0 osmose 
ᴪm matricial (força do solo na retenção de H2O)
Movimento da água – vai do maior potencial para o menor potencial;
Potencial gravitacional (ᴪg) atuação da força gravitacional sobre a água no solo;
ᴪp – pressão 
Presente apenas em condições de solo saturado;
É a força peso de uma coluna de água sobre um ponto (valor positivo);
Potencial osmótico (ᴪo) é desprezível – igual a zero 
Potencial matrico (ᴪm) é a manifestação de forças de adsorção e forças capilares no solo
ᴪm quando igual a zero quer dizer que o solo está saturado 
*Nossa referência (medimos em relação a energia zero)
*Potencial sempre negativo
ᴪTW é diferente de ᴪTF por isso tem movimento, esse movimento é de W para F.
= ᴪg + ᴪm
	= ᴪg + ᴪp
Capilaridade capilas são tubos muito finos (pequenos) 
Lei da Hidrostática 
Forças responsáveis
Atração da água por superfície sólida (coesão e adesão)
Tensão superficial (atuação e pressão)
Equação da capilaridade (cm) 
*Poros grandes – a planta consegue utilizar a água;
*Poros pequenos – não consegue pegar a água;
*No solo a ascensão capilar é menor do que se espera (não é uniforme e contém ar);
Gravitacional > matríco = drenagem 
Gravitaicional = matrico = capacidade de campo
Capacidade de campo (CC) é a capacidade máxima que o solo tem de reter água depois da ação da gravidade;
6 Kpa (macroporos)
10 Kpa (micro e macroporos entre 0,005 a 0,03) – solos arenosos e latossolo
33 Kpa (os argissolos menos o latossolo
Potencial Mátrico (forças de adsorção e capilares)
Capilares – disponível para as plantas;
No eixo X temos: θ (quantidade de água no solo m3/ m3)
No eixo Y temos: ᴪ (KPa – força de retenção de água)
*Retenção mátrica igual a zero ocorre a saturação (porosidade total do solo)
*Na fase úmida a estrutura e a textura alteram o formato da curva;
*Na fase seca apenas a textura altera o formato da curva
FAZER AQUI A CURVA EM ESCALA LOGARITMICA 
Macro/Microporos = 0,005 m3/ m3
Macroporosidade do argiloso = 0,05 m3/ m3
Macroporosidade do arenoso = 0,1 m3/ m3
Microporosidade do argiloso = 0,55 m3/ m3
Microporosidade do arenoso = 0,20 m3/ m3
Capacidade de Campo – capacidade máxima de retenção de água após ação da gravidade;
CMA capacidade máxima de água;
ΘCC argiloso = 0,31 m3/ m3 (310 L H2O para cada m3 de solo)
Θcc arenoso = 0,1 m3/ m3 (100 L H2O para cada m3 de solo)
Ponto de murcha permanente (PMP) é quando a planta não tem energia suficiente para tirar água do solo;
Começa a ter água disponível para a planta na capacidade de campo e absorve até -1500 KPa (a planta tira dos poros maiores que tem menos energia); Nos poros muito pequenos a energia é alta e assim mais difícil de retirar a água.
< 0,0002 (criptoporos) não disponibiliza água para a planta;
d (diâmetro) = 0,0002 mm até 0,03 mm tem perca de água por não está disponível para a planta.