Apuntes sobre el agua en el suelo y en las plantas
El agua en el suelo y en las plantas
Presentación
El agua es esencial para la vida e interviene en procesos físicos y biológicos.
A nivel mundial, el agua es un factor que restringe la producción agrícola e industrial debido a su disponibilidad limitada.
En muchas regiones, la escasez de agua es un problema creciente, lo que hace crucial el cuidado de este recurso.
El agua dulce como recurso escaso
El agua dulce contiene una cantidad mínima de sales disueltas.
Solo el 3% del agua en el planeta es dulce, mientras que el 97% es agua salada en los océanos.
Del agua dulce, aproximadamente el 2.997% está congelada en los polos o atrapada en el subsuelo, dejando solo un 0.003% accesible para el uso humano.
El agua dulce se renueva constantemente a través del ciclo hidrológico.
El ciclo hidrológico es la sucesión repetida de evaporación, condensación y precipitación.
El agua se mueve continuamente de los océanos a la atmósfera, luego a los continentes y de vuelta a los océanos.
El motor del ciclo hidrológico es la energía del sol.
El agua del suelo
El suelo es un material poroso con espacios entre las partículas sólidas llamados poros.
Los poros se llenan de agua cuando el suelo se humedece.
Dos movimientos importantes del agua en el suelo son:
Infiltración: entrada del agua a los poros del suelo.
Percolación: movimiento del agua a través de los poros del suelo, desde los niveles superficiales hacia los inferiores.
Infiltración del agua
La infiltración es la entrada de agua a los poros del suelo desde la superficie.
Es importante para la agricultura porque es la principal vía para humedecer los suelos agrícolas.
La infiltración puede verse afectada por:
Sellamiento superficial: las costras o la compactación reducen la infiltración.
Textura del suelo: la abundancia de arenas facilita la infiltración, mientras que la de arcillas la hace más lenta.
Estructura del suelo: las estructuras granular y migajonosa facilitan la infiltración, mientras que otras la dificultan.
Contenido de materia orgánica: la presencia de materia orgánica favorece la infiltración.
La permeabilidad del suelo permite que el agua se distribuya tridimensionalmente.
Percolación del agua
La percolación es el movimiento del agua a través de los poros del suelo, de arriba hacia abajo.
Es importante porque arrastra nutrientes solubles fuera del alcance de las raíces de las plantas.
Los nutrientes más afectados son: Ca > Mg > S > K > N > P
Las aguas percoladas son la principal fuente de abastecimiento de aguas subterráneas.
Clases de agua en el suelo
El agua es retenida en los poros del suelo debido a las características de las moléculas de agua y de las partículas del suelo.
La molécula de agua es polar, con un extremo positivo y otro negativo.
Las partículas de arcilla tienen carga eléctrica negativa en su superficie.
Cuando las moléculas de agua se acercan a las partículas del suelo, se produce una atracción y una zona de adhesión.
Si la infiltración continúa, se forman cuerpos de agua alrededor de las partículas por cohesión.
Cuando los poros se llenan de agua, el suelo se satura.
Fuerzas que determinan la retención del agua en el suelo
El agua del suelo se clasifica en tres clases según las fuerzas que determinan su retención:
Agua de gravedad.
Agua capilar.
Agua higroscópica.
Agua de gravedad: Es el agua que no puede ser retenida por las fuerzas de adhesión y es afectada por la fuerza de gravedad, percolándose hacia niveles inferiores.
Agua capilar: Es el agua retenida en los poros pequeños que se mueve por capilaridad en cualquier dirección, incluso contra la gravedad.
Agua higroscópica: Es el agua que queda aprisionada en capas delgadas alrededor de las partículas, especialmente en los coloides, cuando la evaporación y la absorción de las raíces reducen la cantidad de agua en el suelo.
No existe una división tajante entre las tres clases de agua; son partes de un todo continuo.
Disponibilidad del agua del suelo para las plantas
Considerando la disponibilidad para las plantas, el agua se clasifica en:
Agua gravitacional: drenada inmediatamente por la gravedad y no permanece en el área de raíces.
Agua aprovechable: no es drenada y permanece en el área de raíces, disponible para las plantas.
Agua no disponible: no es drenada, pero es retenida con tanta fuerza que las plantas no pueden utilizarla.
Humedad del suelo
La humedad del suelo es el agua absorbida o retenida en el suelo.
El contenido de humedad se mide en laboratorio, secando muestras de suelo a 105-110 °C hasta obtener peso constante.
La fórmula para calcular el contenido de humedad es:
Donde:
H = Contenido de humedad del suelo (%).
Psh = Peso del suelo húmedo (gr).
Pss = Peso del suelo seco (gr).
Psh - Pss = Peso del agua contenida en la muestra de suelo.
Es importante conocer los niveles de humedad que un suelo puede retener sin perder agua por drenaje y el límite en que las plantas pueden absorberla antes de marchitarse.
Constantes de humedad del suelo
Las constantes de humedad del suelo son:
Saturación.
Capacidad de campo (CC).
Punto de marchitamiento (PM).
Saturación
Es el nivel de humedad en el que todos los poros del suelo están llenos de agua.
En suelos con buen drenaje, este nivel no se mantiene por mucho tiempo debido a la fuerza de gravedad que provoca la percolación.
Capacidad de campo
Es el nivel de humedad que queda en el suelo después de que el exceso de agua ha sido drenado, aproximadamente 2 o 3 días después de un riego abundante.
Se ha demostrado que la CC es el contenido de humedad retenido en el suelo a una tensión de 1/3 de atmósfera.
Punto de marchitamiento
Es el nivel de humedad en el que las plantas ya no pueden extraer agua del suelo y se marchitan.
Representa el mínimo contenido de humedad aprovechable.
Se ha demostrado que el PM es el contenido de humedad retenido a una tensión de 15 atmósferas.
Esta definición no se aplica a suelos salinos.
Agua del suelo aprovechable para las plantas
Es el agua que permanece en el suelo y puede ser absorbida por las plantas.
Se encuentra entre el punto de marchitamiento y la capacidad de campo.
Dentro de este rango, el uso del agua es eficiente, sin pérdidas por percolación ni daños por marchitamiento.
Relación aproximada entre las constantes:
La CC es aproximadamente ½ del contenido de humedad a saturación.
La CC es aproximadamente el doble que el contenido de humedad a PM.
Absorción de agua por las plantas
La mayor parte del agua que absorbe una planta proviene del suelo y entra por las raíces, a través de los pelos radicales.
En menor proporción, el agua también puede entrar por los poros de las hojas, los tallos y las flores.
La ósmosis participa en la absorción de agua por los pelos radicales, moviendo el agua desde una solución de menor concentración de solutos (el suelo) hacia una de mayor concentración (el interior del pelo radical), a través de una membrana semipermeable.
También hay absorción activa, que consume energía metabólica.
La absorción de agua es afectada por:
Concentración de la solución del suelo: si la concentración de solutos es menor que la del interior de los pelos radicales, el agua entrará a la raíz. Si es mayor, el agua saldrá de la raíz (como en suelos salinos).
Disponibilidad de agua en el suelo: a bajos contenidos de humedad, el agua es retenida con mayor fuerza y la planta debe gastar más energía para absorberla.
Funciones del agua en las plantas
El agua constituye hasta el 95% del peso total del protoplasma en las células vegetales.
Participa en procesos en el citoplasma, disolviendo sustancias y brindando un medio adecuado.
Es el medio de transporte de muchas sustancias disueltas.
Es fuente de átomos de hidrógeno y oxígeno para procesos celulares.
Proporciona turgencia a las células, lo que da rigidez a la planta.
Transpiración vegetal
Es la pérdida de agua en forma de vapor principalmente por las hojas y tallos de la planta.
En las hojas, ocurre a través de los estomas, pequeños poros que permiten el intercambio gaseoso.
También hay transpiración por las lenticelas, pequeños abultamientos porosos en los tallos leñosos.
La transpiración vegetal permite:
El transporte de nutrientes.
El enfriamiento de la planta.
La entrada de CO₂ para la fotosíntesis.
Factores que afectan la transpiración: radiación solar, temperatura, viento, humedad del aire.
Una planta de maíz puede transpirar 245 litros de agua durante su vida.
Clasificación de las plantas según sus necesidades de agua
Las características de las plantas están en armonía con su ambiente.
Las plantas desarrollan adaptaciones que les permiten sobrevivir y multiplicarse en las condiciones ambientales.
Xerófitas
Son plantas adaptadas a ambientes secos, como las del desierto.
Ejemplos: biznaga, nopal, maguey, sábila, yuca.
Adaptaciones:
Poca altura.
Tallos almacenadores de agua.
Hojas pequeñas o reducidas a espinas.
Tallos y hojas cubiertos de cutícula.
Raíces horizontales y verticales extensas.
Mesófitas
Son plantas que viven en suelos con niveles intermedios de humedad.
Ejemplos: maíz, frijol, trigo, avena, brócoli, lechuga, jitomate, cebolla, mango, cempasúchil, pino, fresno, trueno.
Adaptaciones:
Gran diversidad de tamaños.
Hojas persistentes (pueden perderlas temporalmente en sequías).
Hojas más o menos membranosas.
Hidrófitas
Son plantas que viven en lugares inundados o sumergidas en el agua.
Ejemplos: arroz, berro, lirio, hoja elegante, lentejilla de los arroyos, espadaña o tule acuático, nenúfar, elodea.
Adaptaciones:
Hojas grandes o muy grandes.
Hojas con cutícula delgada.
Hojas con estomas grandes y pelos acuíferos.
Tejidos en los tallos con cavidades para almacenar aire.
Menor altura que las plantas de suelos bien drenados.
Raíces zancos o raíces respiratorias.
Higrófitas
Son plantas que viven en ambientes donde el aire es muy húmedo.
Ejemplos: helecho arborescente y orquídeas.
Adaptaciones:
Sistema radicular débilmente desarrollado.
Hojas medianas, grandes o muy grandes.
Hojas con cutícula delgada.
Estomas grandes y pelos acuíferos.
Crecen en ambientes umbríos.
Manejo del agua bajo condiciones de secano y de riego
Presentación
El agua es un insumo indispensable en la producción agrícola.
En muchas regiones agrícolas, el agua es un factor limitante.
En las zonas sin riego, la agricultura depende de la precipitación.
Tanto en áreas de temporal como de riego, se han desarrollado tecnologías para el uso eficiente del agua.
Agricultura de temporal y agricultura de riego
La agricultura de temporal depende de las lluvias captadas directamente en los campos de cultivo.
Si la precipitación es menor a 500 mm anuales, la FAO considera estas regiones como de secano.
La agricultura de riego dispone de suministro de agua artificialmente.
La irrigación requiere altas inversiones en sistemas de riego e infraestructura.
En México, la superficie dedicada a la agricultura es el 11% del territorio nacional (21.6 millones de hectáreas).
El 79% es de temporal y el 21% es de riego.
La productividad en las áreas de riego es 3.7 veces mayor que en las de temporal.
La agricultura de riego genera más del 50% de la producción agrícola nacional.
Modelo empírico del balance de humedad del suelo
Este modelo incluye todas las vías posibles de entrada y salida de agua de un suelo.
Tiene la forma de un balance, restando las salidas de las entradas.
El balance de humedad expresa la situación final del suelo en cuanto al agua retenida.
Componentes del modelo:
Precipitación
Rocío
Riego
Evaporación
Transpiración
Percolación
El modelo se expresa como:
Vías de entrada de agua al suelo
Precipitación: agua que cae de las nubes en forma de lluvia, nieve o granizo. Es la principal fuente de humedad en la agricultura de temporal.
Rocío: agua que se condensa del vapor en el aire cerca de la superficie. Su contribución es poco importante.
Riego: agua suministrada artificialmente. Es la principal fuente de humedad en la agricultura de riego.
Vías de salida de agua del suelo
Evaporación: transformación del agua líquida del suelo en vapor. Depende de la temperatura ambiental, el viento y la radiación solar. Controlar estos elementos es crucial para reducir la evaporación.
Transpiración: pérdida de agua de las plantas en forma de vapor. Es difícil de controlar, ya que está determinada por la biología del vegetal y la temperatura del aire.
Percolación: movimiento del agua hacia los estratos más profundos del suelo. Sale de la capa ocupada por las raíces.
Aumentar la cantidad de agua retenida en los suelos agrícolas
El objetivo central es aumentar la cantidad de agua retenida en el suelo.
Estrategias:
Aumentar la infiltración de agua al suelo.
Reducir las salidas de agua del suelo.
Características determinantes: textura, profundidad, compactación, capacidad de retención de agua, manejo del suelo.
Estrategias para aumentar la infiltración de agua en suelos agrícolas
Reducir la velocidad de los escurrimientos superficiales.
Incrementar la capacidad del suelo de absorber y retener agua.
Acciones:
Labrar adecuadamente el suelo e incorporar materia orgánica.
Reducir la velocidad de los escurrimientos superficiales con coberturas orgánicas.
Construir terrazas y surcos al contorno en terrenos con pendiente.
Construir terrazas individuales y cajetes para la captación in situ del agua de lluvia.
Romper el "piso de arado" en terrenos trabajados con maquinaria.
Practicar el "cabeceo de surcos" en terrenos surcados.
Conducir los escurrimientos de áreas colindantes.
Estrategias para reducir las pérdidas de agua en suelos agrícolas
Reducir la evaporación disminuyendo la temperatura del aire y del suelo.
Incrementar la capacidad del suelo para retener agua.
Acciones:
Añadir materia orgánica.
Eliminar operaciones innecesarias de labranza.
Practicar los acolchados, coberturas foliares y asociaciones de cultivos.
Practicar el "arrope" de humedad obstruyendo la salida de los espacios capilares del suelo.
Utilizar densidades de población óptimas.
Cultivar variedades adaptadas a las condiciones específicas de la estación de crecimiento.
Métodos de captación de agua de lluvia
En regiones de temporal con precipitaciones escasas, es necesario captar el agua de lluvia.
Un método de captación de agua de lluvia es el procedimiento para capturar las escorrentías superficiales.
Captación in situ
Es la captura del agua de lluvia directamente en el sitio donde crecen los cultivos.
Debe complementarse con prácticas de conservación del suelo.
Ejemplos: captación de agua en surcos y microcuencas para cultivos perennes.
Estanques o presas de tierra
Son presas rústicas que se acondicionan sobre un terreno con pendiente.
Se construyen levantando un bordo de tierra en forma de media luna.
El agua almacenada se utiliza para regar los cultivos al final del ciclo.
Uso del agua en condiciones de riego
Contar con agua de riego da seguridad, pero el mal manejo puede causar salinización y pérdida de nutrientes.
Consideraciones:
La lámina de riego.
El método de riego.
La frecuencia del riego.
Lámina de riego
El contenido óptimo de humedad debe oscilar entre el PM y la CC.
La lámina de riego es la capa de agua que se debe aplicar para mojar el suelo a capacidad de campo, a determinada profundidad.
Se calcula con la siguiente expresión:
* Donde: L = Lámina de agua, en cm; Hcc = Humedad a capacidad de campo, en %; Hpm = Humedad a punto de marchitamiento, en %; Dap = Densidad aparente, en gr/cm³; P = Profundidad de mojado, en cm
La lámina se calcula para que el suelo se moje hasta su máxima capacidad de retención de humedad.
Frecuencia del riego
Un suelo agrícola no debe estar permanentemente mojado a capacidad de campo.
Es importante determinar la frecuencia del riego, es decir, cada cuántos días se debe regar.
Criterios determinantes:
La necesidad de agua del cultivo.
La disponibilidad de agua para el riego.
La capacidad del suelo para retener agua.
Las condiciones ambientales (viento, calor, lluvias, etc.).
La necesidad de agua de los cultivos es variable y depende de la especie, la etapa vegetativa, la temperatura y las condiciones atmosféricas.
La capacidad del suelo para retener agua depende de la textura y del grado de compactación.
De manera práctica, la frecuencia del riego se traduce en indicaciones específicas.
Los métodos de riego
Se emplean en la agricultura de riego.
Un método de riego es el procedimiento para hacer llegar el agua, del modo más uniforme posible, a cada planta de un campo de cultivo.
Clasificación:
Riego por gravedad o riego rodado: se aprovecha la fuerza de gravedad para distribuir el agua.
Riego presurizado: se requiere la presión de una bomba para distribuir el agua.
Riego por gravedad o riego rodado
El agua llega a cada planta avanzando por la fuerza de gravedad sobre la superficie del terreno.
Es indispensable que los campos de cultivo estén nivelados.
Ventaja: bajo costo de instalación, mantenimiento y operación.
Desventajas: bajo aprovechamiento del agua (50-60%) y dificultad para aplicar láminas delgadas y uniformes.
Riego por surcos
El agua avanza por la fuerza de gravedad a lo largo de los surcos.
La cantidad de agua se regula con sifones para riego, tuberías de compuertas o aberturas hechas con palas.
Se usa en cultivos sembrados en surcos, como maíz, frijol, lechuga, cebolla, brócoli, tomate, jitomate, etc.
Riego por inundación
El agua avanza por la fuerza de gravedad a lo largo y ancho de las tablas.
El terreno se fracciona en tablas o melgas, que se riegan separadamente.
Se emplea en cultivos sembrados al voleo: alfalfa, arroz, avena, etcétera.
Riego presurizado
El agua llega a cada planta avanzando por tubos especiales que desembocan en aspersores y goteros.
No es indispensable que los terrenos estén nivelados.
Riego por aspersión
El agua llega a cada planta mediante una aspersión, es decir, esparcida en gotas muy finas.
Se adapta a diversas condiciones, como suelos arenosos, suelos delgados y terrenos con topografía irregular.
Puede ser aprovechada para aplicar fertilizantes solubles y proteger los cultivos contra heladas y altas temperaturas.
Ventaja: alto aprovechamiento del agua irrigada (alrededor del 80%).
Desventajas: alto costo de la inversión inicial y del mantenimiento, distorsión de la distribución por el viento y posible favorecimiento de enfermedades fungosas.
Sistemas de riego por aspersión estacionarios
Permanecen en la misma posición durante el riego.
Una red de tuberías alimenta los aspersores.
Sistemas de riego por aspersión móviles
Son sistemas mecanizados o motorizados, algunos con desplazamiento durante el riego.
Ejemplos:
Pivote central: aspersores elevados que cuelgan de un tubo horizontal que gira 360°.
Cañón viajero: aspersor gigante montado sobre un carro que se desplaza mientras riega.
Alas sobre carro: variante del cañón viajero con dos aguilones fijos o alas.
Power roll: tubo recto con aspersores sustentado sobre ruedas que se cambian de posición.
Riego por goteo
El agua se suministra por medio de gotas que fluyen lentamente desde un gotero colocado al pie de cada planta.
Humedeciendo sólo el área de mayor concentración de las raíces.
Eficiencia del riego: alrededor del 95%.
¿Cómo elegir el mejor método y sistema de riego?
Depende del nivel económico del agricultor.
Criterios técnicos:
La topografía general del terreno.
Las características físicas del suelo.
La disponibilidad de agua.
Las características del cultivo.