interfaces da física do solo e outros campos da ciência – hugo ruiz
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Interfaces entre a Física
e outros campos da Ciência
Prof. Hugo A. Ruiz [email protected]
Prof. Igor R. de Assis [email protected]
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!