INFILTRAÇÃO DE ÁGUA E RESISTÊNCIA DO SOLO À PENETRAÇÃO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS
ENGENHARIA AMBIENTAL
SEQUESTRO DE CARBONO NOS ECOSSISTEMAS
INFILTRAÇÃO DE ÁGUA E RESISTÊNCIA DO SOLO À PENETRAÇÃO NA ÁREA EXPERIMENTAL CONTEAGRO
Relatório apresentado à Profa. Tatiane Santos, responsável pela disciplina Sequestro de Carbono nos Ecossistemas, do curso de Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Uberlândia.
ANAÍZA BRASIL
RODRIGO ARAÚJO
UBERLÂNDIA - MG
2019
Palavras-chave: propriedades do solo; manejo do solo; umidade do solo; velocidade de infiltração; qualidade ambiental.
RESUMO 
A implicação na estrutura do solo pelo manejo condiciona a compactação e, consequentemente, na densidade do solo, na porosidade, na infiltração de água no solo e no crescimento radicular de plantas. O experimento foi aplicado no terreno da ConteAgro e a área possui solo arenoso, caracterizada por grama e algumas espécies arbóreas próximas. Verificou-se o nível de compactação através do Penetrômetro de Impacto Modelo de Stolf, pés do êmbolo, peso do penetrômetro sem o êmbolo e cilindro e, posteriormente à penetração, uso-se anéis de inundação para determinação da infiltração de água no solo. Com os valores de resistência do solo para cada solo saturado com água/não, analisou-se que solos mais úmidos possuem uma menor resistência à penetração e para determinar a velocidade de infiltração de água foram feitas seis repetições e anotados os respectivos tempos. A vegetação de Brachiaria possui alta resistência à penetração, o solo foi tornando-se úmido e a resistência diminuiu significativamente. A infiltração foi mais rápida no perfil do solo, tendo diminuído a velocidade conforme decorreu o tempo até que se chegou ao ponto de saturação do solo, isso em um período de chuvas constantes.
1. INTRODUÇÃO
1.1. Compactação e resistência do solo
Estabilidade de agregados expressa a resistência à desagregação que os agregados apresentam quando submetidos a forças externas (ação implementos agrícolas e impacto gota chuva) ou forças internas (compressão de ar, expansão/contração) que tendem a rompê-los. Mais frequentemente medida contra forças aplicadas pela água, é uma medição que tem estreita relação com a habilidade de um solo resistir a erosão (REINERT, 2006). A estabilidade é influenciada também pela matéria orgânica do solo, pois a mesma tem função de agente cimentante mais dependente do manejo de solo e plantas.
Descreve a resistência do solo em diferentes umidades contra pressão ou forças de manipulação, ou refere-se à sensação de dureza, à facilidade de quebra ou à plasticidade e pegajosidade de um solo em diferentes umidades ao ser manipulado pelas mãos. Sua descrição morfológica é feita em três classes de umidade, seco, úmido e molhado, manifestando, respectivamente, dureza, friabilidade e plasticidade e pegajosidade. A variação da consistência com a umidade do solo é devido à influência da umidade nas forças de adesão e coesão, como é demonstrado na Figura 1.
Figura 1. Variação de forças associadas à consistência com a variação da umidade do solo.
Fonte: SANTOS, 2008.
Como dito anteriormente, o preparo, o manejo e o tráfego do solo têm relação estreita com a consistência, pois afeta a resistência do solo e, assim, sua compressibilidade, compactabilidade, etc. A resistência do solo varia em relação à outros fatores como textura, mineralogia, teor de matéria orgânica e da agregação do solo. A mineralogia tem influência na consistência e na resposta do solo à mecanização. Solos com o tipo de argilomineral 2:1 podem apresentar características de muito plásticos e pegajosos quando úmidos e muito duros quando secos. A faixa de friabilidade, onde a umidade do solo é boa para manejo do solo é muito pequena, exigindo maquinaria mais potente e em maior número para trabalhar o solo. A resistência do solo tem relação também com o estado de compactação do solo e é frequentemente usada para avaliar manejo de solos, visto que as raízes ao crescerem, o fazem em espaços já existentes no solo ou têm que vencer a resistência para abrir espaço ao seu crescimento. Quando a resistência do solo é maior que a pressão celular, as raízes crescem na direção de menor resistência e mudam sua distribuição, apresentando deformação do sistema radicular.
Pode-se dizer então que compactação provoca um aumento no grau de saturação do solo, uma vez que o volume de vazios tende a diminuir, devido a isso, a área de contato das partículas aumentam, e, consequentemente, aumenta também a resistência do solo e diminui sua capacidade de deformabilidade e deixando o solo menos permeável (SILVA et al, 1981). De acordo com SANTOS (2008), a compactação varia dependendo de dois fatores: a energia aplicada e o teor de água presente no solo (Figura 2).
Figura 2. Curva de compactação do solo.
Fonte: SANTOS, 2008.
A compactação do solo é importante para a construção civil em diversos aspectos, sobretudo objetivando transformar o solo natural em um material mais denso, melhorando propriedades como: aumentar a resistência ao cisalhamento, reduzir a compressibilidade e aumentar a resistência à erosão. Dentre as obras civis nas quais se empregam solos compactados, destacam-se: aterros para construção de barragens, apoio a fundações, muros de arrimo etc. (TRINDADE, 2008; TORRES, 1998).
Na prática, o conhecimento da relação entre a RP e o teor de água é de grande importância, pois permite prever as condições em que poderão ocorrer impedimento ou redução no crescimento radicular das plantas, permitindo, assim, manejo correto do solo (TORMENA et al., 2002).
1.2. Infiltração
Um solo é considerado fisicamente ideal para o crescimento de plantas quando apresenta boa retenção de água, bom arejamento, bom suprimento de calor e pouca resistência ao crescimento radicular. Paralelamente, boa estabilidade dos agregados e boa infiltração de água no solo são condições físicas importantes para qualidade ambiental dos ecossistemas (REINERT, 2006).
A infiltração consiste no processo pelo qual a água penetra no perfil do solo, sendo de grande importância, uma vez que afeta diretamente no escoamento superficial, que é responsável por processos erosivos e inundações. Após a infiltração da água, a camada superior do solo atinge um alto teor de umidade, existindo uma tendência de movimento descendente da água, provocando umedecimento das camadas inferiores. 
Durante o processo de infiltração são geradas várias zonas (Figura 3): zona de saturação, correspondente à faixa de solo saturada, zona de transição, correspondente à faixa de solo cujo teor de umidade decresce rapidamente com a profundidade; zona de transmissão, que corresponde à região do solo pela qual a água é transmitida, tendo pequena variação de umidade em relação à profundidade e ao tempo; zona de umedecimento, que é a região que reduz drasticamente o teor de umidade com o aumento da profundidade; e a frente de umedecimento, que consiste no limite visível da movimentação de água no solo, com uma grande variação na umidade em função da profundidade.
Figura 3. Perfil de umidade do solo no processo de infiltração.
Fonte: CARVALHO & SILVA, 2006.
Os maiores fatores de influência na infiltração de água no solo são: porosidade, umidade, atividade biológica, cobertura vegetal, rugosidade superficial e declividade do terreno, etc. (Cauduro & Dorfman, 1988). De acordo com Reichert et al. (1992), a redução da porosidade da camada superficial do solo e sua compactação são afetadas pelo impacto das gotas de chuva sobre o solo, tendo influência também no processo de infiltração, bem como a dispersão físico-química das argilas do solo, causando o adensamento, e, consequentemente, a redução da taxa de infiltração do solo (Winkel, 1996).
A velocidade de infiltração do solo é variável de acordo com uma série de processos, sendo a taxa de infiltração da água no solo alta no início do processo de infiltração, considerando que o solo esteja inicialmente muito seco, tendendo a decrescer com o tempo, conforme pode ser observado na Figura 2.Após um período de tempo, a curva de velocidade de infiltração torna-se praticamente constante, atingindo uma taxa de infiltração estável, conhecida por velocidade de infiltração básica do solo (VIB).
Figura 4. Velocidades de infiltração em função do tempo para solos inicialmente secos e inicialmente úmidos.
Fonte: CARVALHO & SILVA, 2006.
O conhecimento da capacidade de infiltração de água no solo e suas relações com as propriedades do solo são de fundamental importância para o eficiente manejo do solo e da água (Reichardt & Timm, 2004). Segundo Araújo Filho & Ribeiro (1996), para a elaboração de projetos de irrigação, a magnitude velocidade de infiltração básica serve de referência para a escolha dos métodos e sistemas de irrigação a adotar, sendo, portanto, uma variável relevante para a definição do manejo agrícola em sistemas irrigados.
O experimento teve como objetivo a determinação da resistência/penetração, em diferentes tipos de umidade do solo, com a utilização do penetrômetro, sendo relevante para prever as condições em que poderão ocorrer impedimento ou redução no crescimento radicular das plantas. Posteriormente, determinar também a capacidade de infiltração de água no solo utilizando anéis de inundação, servindo de referência para a escolha dos métodos de irrigação a ser utilizado. Ambos fatores importantes para a definição do eficiente manejo do solo e da água.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Resistência do solo à penetração
O trabalho foi desenvolvido no terreno de experimentos da ConteAgro, a área possui solo arenoso, caracterizada por grama e algumas espécies arbóreas próximas ao local do experimento, onde foi realizado com o acompanhamento do técnico de laboratório.
A prática foi realizada em uma única área verificando o nível de compactação através do Penetrômetro de Impacto Modelo de Stolf de peso total 6,48 kg, pés do êmbolo 3,536 kg e peso do penetrômetro sem o êmbolo de 2,944 kg, foram utilizados ainda cilindro de 40 cm de altura e 20 cm diâmetro, onde este anel visa reduzir o efeito da dispersão lateral da água adicionada, ou seja, impedir o escoamento lateral. 
O técnico fixou os cilindros no solo e adicionou água, aguardando que a mesma infiltrasse no solo para realizar o experimento, foi analisado uma amostra sem adição de água, outra com 1,5L e 3L, a análise de 4L não foi usada por não ter obtido uma infiltração suficiente para o experimento. Para o uso do penetrômetro é necessário analisar se o mesmo possui uma posição vertical adequada para evitar erros sistemáticos durante o experimento, posteriormente, em seguida realizou-se os impactos onde o êmbolo deve ser levantado a uma altura de 40 cm e solto usando a força da gravidade. Os impactos foram realizados até que o êmbolo atingisse uma profundidade de 15 cm dentro do solo, o número de impactos foi anotado para a realização dos cálculos.
Para o cálculo da resistência do solo, utilizou-se as duas fórmulas a seguir:
 
Onde:
R é a resistência do solo, em kgf/cm²;
M é o peso do êmbolo, em kg;
M é o peso do penetrômetro sem o êmbolo, em kg;
h é a altura de queda, em cm;
x é a profundidade de penetração no solo por impacto, em cm;
g é a aceleração da gravidade, padronizada em 1.
2.2. Infiltração de água no solo
 O trabalho foi desenvolvido posteriormente ao da penetração, e teve como objetivo a determinação da infiltração de água no solo utilizando anéis de inundação.
Foram realizados os testes de infiltração no mesmo local utilizando cilindro de inundação com 40 cm de altura e 10 e 20 cm de diâmetro para os anéis interno e externo, respectivamente, e o cilindro de altura de 40 cm, diâmetros externos e internos de 50 cm e 25 cm, respectivamente.
 Assim, a água é posta nos dois anéis (Foto 1), porém o teste foi feito apenas no anel interno, e o anel externo foi utilizado para evitar o escoamento lateral. Os anéis foram postos a 15 cm de profundidade onde utilizou-se uma régua para marcar o nível da água e um cronômetro, no qual era medido quanto tempo a água levou para infiltrar no solo. Realizou-se o teste 3 vezes, pois sabe-se que no primeiro momento a água infiltra mais rápido no solo, e cada vez que se realiza o teste, o tempo vai aumentando, até que, nos dois últimos, o tempo necessário para infiltração foi o mesmo. 
Foto 1. Prática de infiltração utilizando o método dos anéis de inundação no espaço da ConteAgro UFU.
Fonte: Arquivo da Dupla, 2018.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Resistência do solo à penetração
A prática para verificar a compactação do solo, ou seja, a resistência do solo à penetração, foi feita em quatro cilindros volumétricos com volumes determinados de água que saturaram o solo presente nos cilindros. Na Tabela 4, encontram-se os números de impactos que foram feitos no solo para cada batida, descontados os quatro valores mais discrepantes. 
Tabela 1 – Números de impactos para cada anel com volume de solo.
	Volume de água adicionado
	Impactos
	Média dos impactos
	0 L
	9
	12
	13
	9
	12
	11
	11
	1,5 L
	8
	8
	7
	7
	7
	7
	7,33
	3,0 L
	9
	7
	6
	7
	8
	7
	7,33
Para o cálculo da resistência do solo à penetração (CAMPBELL; O’SULLIVAN, 1991), utilizamos as fórmulas dadas na metodologia, calculamos primeiramente o fator de correção e em seguida a fórmula da resistência, temos que:
Sabemos que é medido em centímetro de profundidade por impacto e para facilitar as contas temos a seguinte relação que mede o inverso de x, ou seja em impactos por centímetro:
Aplicando N na fórmula da resistência (CAMPBELL; O’SULLIVAN, 1991) temos o seguinte:
Como temos a quantidade média de impactos para cada volume de solo saturado, podemos calcular a resistência à penetração para os quatro cilindros: 
Para o cilindro em que o solo não foi saturado com água:
Para o cilindro em que o solo foi saturado com 1,5 L de água:
Agora, o cálculo (CAMPBELL; O’SULLIVAN, 1991) para o cilindro que saturou- o solo com 3,0 L de água:
Por fim, temos os valores de resistência do solo para cada solo saturado com água ou não, depois de perfurar 15 cm deste solo: 
Tabela 2 – Valores de resistência do solo para cada amostra de solo presente nos cilindros.
	Volume de água no cilindro 
	Número de impactos médios
	Resistência do solo (kgf/cm²)
	0 L
	11
	48,9
	1,5 L
	7,33
	34,2
	3,0 L
	7,33
	34,2
Conclui-se rapidamente que solos mais úmidos (VAZ; HOPMANS, 2001; HERRICK; JONES, 2002), possuem uma menor resistência à penetração. Geralmente a umidade do solo está bastante relacionada ao nível de compactação desse solo e muitas vezes, esse nível de umidade acarreta em equívocos no nível de compactação desse solo. Aparente, os resultados de resistência do solo estão corretos confirmando que o solo mais “seco” é mais resistente que o solo mais úmido, pois necessitou de um maior número de impactos que as amostras de solo saturadas com água para perfurar os mesmos 15 centímetros de solo. 
Para relacionarmos a umidade com a resistência do solo, podemos fazer o cálculo da umidade gravimétrica. A umidade gravimétrica é calculada a partir da seguinte fórmula (VAZ; HOPMANS, 2001; HERRICK; JONES, 2002): 
Como para sabermos a massa de água, descontamos o peso do solo seco (MSSE) da amostra de solo com água (MSU), a tabela a seguir contas os respectivos pesos das amostras que foram coletadas e colocadas em uma lata: 
Tabela 3 – Pesos das amostras de solo úmido e seco à estufa.
	Volume de água do cilindro
	Lata (g)
	Peso da lata (g)
	Massa de solo saturada com água (MSU) (g)
	MSU – P. lata
	Massa de solo seca à estufa (MSSE) (g)
	MSSE – P. lata
	0 L
	E48
	26,22
	83,271
	57,051
	64,661
	38,441
	1,5 L
	E270
	26,22
	133,62
	107,4
	95,385
	69,165
	3,0 L
	E37
	27,12
	138,002
	110,882
	92,727
	65,607
Como mostrado na Tabela 6, temos os valores das amostras de solo úmido e seco à estufa, assim podemos calcular a umidade gravimétrica para cada cilindro.
Para a amostra em que não foi colocado água no cilindro:
Para a amostra que foi colocado 1,5 L de água no solo do cilindro: 
Agora o cálculo da umidade(VAZ; HOPMANS, 2001; HERRICK; JONES, 2002) para a amostra de solo saturada com 3,0 L de água:
Com os valores de umidade do solo finalmente calculados, podemos relacionar com a resistência do solo encontrada para cada cilindro com as respectivas amostras saturadas com água e assim construir o gráfico que relaciona a umidade com a resistência do solo.
Para esboçar um gráfico (VAZ; HOPMANS, 2001; HERRICK; JONES, 2002), realizou-se uma regressão linear, cujo .
Onde:
R = resistência (y);
A = Resistência máxima;
B = Coeficiente de inclinação;
Ug = Umidade gravimétrica (x).
Assim, obtemos:
Tabela 4 – Valores de resistência e de umidade encontrados para cada cilindro.
	Volume de água
	Resistência do solo (kgf/cm²)
Y
	Umidade do solo (%)
X
	XY
	X²
	0 L
	48,9
	48,41
	
	2367,29
	2343,528
	1,5 L
	34,2
	55,29
	1890,918
	3056,984
	3,0 L
	34,2
	69,01
	
	2360,12
	4762,38
	Somatória
	117,3
	172,71
	6618,309
	10162,89
Onde calculamos através da fórmula:
Gráfico 1 – Curva que relaciona a umidade com a resistência do solo.
Por meio do gráfico e dos cálculos mostrados acima, vemos que a amostra que não foi saturada com água é a que possui maior resistência do solo à penetração. A medida em que saturam-se o solo com água, temos um valor máximo de umidade que este solo pode atingir, afinal os agregados têm um limite máximo de água que podem absorver. No caso do experimento, percebemos a mesma resistência em volume de 1,5 L e 3,0 L. Isso se deve ao fato de possivelmente haver erros sistemáticos de equipamento e amostragem, e também pelo fato do tempo que montou o experimento até o tempo da prática em si, não ter sido suficiente para que a água infiltrasse no solo. Mesmo motivo no qual, tivemos que excluiu a amostragem de 4,5 L. 
De acordo com CUNHA (2002), com o aumento do teor de água, a atuação das forças de coesão entre as partículas do solo e o atrito interno diminui, causando uma diminuição na resistência à penetração. É o que de fato podemos perceber através dos resultados obtidos, em que, quanto mais se adicionou água, deixando-o mais úmido, menor foi o valor de resistência do mesmo. 
Na prática, o conhecimento da relação entre a RP e o teor de água é de grande importância, pois permite prever as condições em que poderão ocorrer impedimento ou redução no crescimento radicular das plantas, permitindo, assim, manejo correto do solo (TORMENA et al., 2002).
 
3.2. Infiltração de água no solo
Para a prática com o intuito de determinar a velocidade de infiltração de água em um solo a um espaço fixado de profundidade de 2 cm, foram feitas seis repetições e anotados os respectivos tempos que se encontram na tabela a seguir.
Tabela 5 – Tempo estimado para a água infiltrar em 2 centímetros de solo até atingir a saturação
	Repetições
	Tempo (minutos)
	1
	5,51
	2
	14,34
	3
	14,34
Como mostrado na Tabela 1, a segunda e a terceira obtiveram o mesmo tempo, em segundos, para infiltração da água no solo porque o solo atingiu a sua saturação. E, como foi dito anteriormente, de primeiro momento a água infiltrou de forma mais rápida no perfil do solo e depois, o tempo foi aumentando até repetir o mesmo valor. Esse valor é utilizado para calcular a velocidade de infiltração básica no solo (VIB). Se tivéssemos continuado, o tempo teria ficado muito maior porque o solo e seus agregados estariam saturados e a água dificilmente infiltraria neste solo. 
A partir dos valores de tempo coletados e utilizando o espaço fixado, é possível calcular a velocidade de infiltração básica deste solo e construir o gráfico.
Onde: VIB é a velocidade de infiltração da água em um solo (BERNARDO, 1989); é a profundidade utilizada e é o tempo estimado para a água infiltrar no solo, dada certa profundidade. Os cálculos de velocidade para cada repetição se encontram a seguir. 
Tabela 6 – Repetições, Tempo, Infiltração Acumulada e Velocidade de Infiltração.
	Repetições
	Tempo 
	Infiltração Acumulada (cm)
	Velocidade de Infiltração (cm/hr)
	
	Tempo (min)
	Hora Acumulada
	
	
	1
	5,51
	0,0918
	2
	21,78
	2
	14,34
	0,3308
	4
	6,05
	3
	14,34
	0,5698
	6
	6,05
Portanto, pelo tempo medido das repetições 2 e 3 ter dado o mesmo, adota-se esse tempo para o cálculo da velocidade de infiltração básica do solo (BERNARDO, 1989), que é 0,00232 cm/s neste solo, convertendo esse valor para 8,368 cm/hr que se encaixa na velocidade de infiltração estimada para um solo arenoso que varia de 10 mm/h a 20 mm/h. Devido a área onde foi realizada esta prática ser com pouco ou quase nenhuma cobertura vegetal, este valor de infiltração pode ter sido afetado por este fator. Outros fatores que podem ser citados e que influenciam na infiltração da água em um solo é a compactação ou adensamento de perfis, conteúdo de água já presente no solo e o estado de agregação das partículas desse solo, segundo BERNARDO (1989). 
Gráfico 2 – Curva mostrando a Infiltração Acumulada em função do tempo.
Gráfico 3 – Curva mostrando a velocidade de infiltração em função do tempo.
Através dos Gráficos 1 e 2 e conforme citado por BERNARDO et al. (2006), percebe-se que existe uma relação inversa entre a velocidade de infiltração e a infiltração acumulada, ficando evidente que a velocidade de infiltração tende a diminuir e se estabilizar com o passar do tempo enquanto o valor da infiltração acumulada tende a aumentar. Pode-se perceber o decaimento da velocidade com o aumento do tempo, isso acontece por causa da expansão e contração dos poros das partículas, principalmente das argilas, e da ocupação da água nos microporos. A velocidade de infiltração cai até repetir o mesmo tempo, atingindo assim a velocidade de infiltração básica, tornando-se constantes neste ponto. 
4. CONCLUSÃO
 
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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