Curvas tensión humedad y función conductividad hidráulica en suelos pardos

Los fenómenos físicos que determinan la estática y la dinámica del agua en los suelos son en la mayoría de los casos muy difíciles de estudiar en condiciones de campo, no solo debido a la variabilidad espacial y temporal que esas propiedades manifiestan; si no también a la forma de tomar las muestras para el análisis (alterada o inalterada) así el volumen a tomar. Por tal razón en los estudios dedicados al estudio de la fertilidad física de los suelos han recurrido a herramientas de modelación para profundizar en los estudios del funcionamiento hídrico de los suelos los cuales, permiten abordar una cuestión puramente teórica, en cuyo caso su finalidad es puramente teórica, o una situación real, orientado a dar una respuesta concreta García (2004), formalizar en un modelo de simulación nuestra percepción del fenómeno real y simular el efecto de diferentes alternativas.

Para ello, es necesario conocer las propiedades hidráulicas del suelo, curva de retención de humedad en el suelo (CTH) y la función conductividad hidráulica. Generalmente el número de puntos medidos para la curva resulta una cantidad reducida debido al trabajo de campo y laboratorio, así como los costos requeridos, por lo que, si se ajustan estos datos a una función analítica, es posible la estimación de puntos intermedios dentro del rango experimental en que no han sido medidos. Por otra parte, resulta menos difícil la utilización de estos modelos para la estimación de la conductividad hidráulica en función de la humedad y el empleo de ambas en modelos hidrológicos (Han et al., 2010)

Por otra parte, resulta menos engorrosa la utilización de estos modelos para la estimación de la conductividad hidráulica en función de la humedad y el empleo de ambas en modelos hidrológicos (Nielsen et al., 1986). La ventaja del uso de modelos analíticos en los estudios de agua en el suelo incluye una fácil comparación de propiedades hidráulicas de los suelos, interpolación de datos faltantes e información adecuada para la aplicación de los modelos de flujo en la zona no saturada (Van Genuchten y Nielsen, 1985).

Según Acosta et al. (2019) en la literatura es posible encontrar múltiples métodos para determinar las propiedades hidráulicas. Sin embargo, algunos de estos métodos requieren dispositivos costosos y muy específicos, otros necesitan personal con especial destreza, mientras otros, son muy trabajosos y consumen mucho tiempo. Esto provoca que no todos los países usen las mismas metodologías y métodos, sino que éstos serán seleccionados acorde a las posibilidades de cada uno. También el tipo de suelo será una razón para seleccionar uno u otro método (Ruiz et al., 2006).

Para el empleo de muchos modelos computacionales se requieren la curva tensión-humedad y la conductividad hidráulica, expresadas ambas como funciones analíticas. Estas propiedades resultan indispensables para explicar la retención y el movimiento del agua en el suelo con exactitud (Ruiz, 1997; Díaz et al., 2008; López et al., 2016).

Un aspecto fundamental en los modelos es disponer de las propiedades hidráulicas principales del suelo, es decir la curva tensión humedad y la función conductividad hidráulica, ya que sin una descripción adecuada de la parte del suelo- agua - planta - atmosfera (SAPA) correspondiente a la relación suelo-agua, no es posible después estimar correctamente el comportamiento del cultivo (Mahdian y Gallichand, 1996; Acosta et al., 2019).

El modelo de van Genuchten ha sido utilizado con Nielsen et al. (1983), en un trabajo coordinado por la Agencia Internacional de la Energía Atómica en once países, obtuvo para este modelo el mejor ajuste en comparación con el de Brooks y Corey. También Van Genuchten y Nielsen (1985) lo utilizaron para más de 200 curvas tensión humedad obtenidas tanto "in situ" como en laboratorio, para suelos de diversas texturas, obteniendo mejor ajuste en comparación a Brooks y Corey.

En Cuba, la determinación de la curva tensión humedad (CTH) se ha realizado fundamentalmente vinculado a trabajos de investigación y utilizando muestras alteradas de suelos (Herrera et al., 1986; Delgado, 1987). Sin embargo, la medición en el campo o laboratorio de esta propiedad consume mucho tiempo, costo y frecuentemente es impracticable debido al alto grado de variabilidad espacial y temporal, por lo que muchos autores han intentado encontrar métodos analíticos que permitan determinar y representar gráficamente este parámetro hidráulico. A pesar de existir algunos resultados relevantes no se ha continuado profundizando en este tema. Por tal razón el objetivo de este estudio es la determinación de curvas tensión humedad y la conductividad hidráulica de no saturación en suelos Pardos, a partir del software RECT que permite la estimación de puntos intermedios por donde se mueve el agua en el suelo.

En la Figuras 1 y 2 se presentan las curvas tensión humedad modeladas para el suelo Pardo Sialítico Grisáceo Mullido para cada una de las tres profundidades evaluadas. Estas curvas fueron obtenidas con el uso del software RETC Van Genuchten et al. (2009), que facilita la determinación de los parámetros del modelo de Van Genuchten y Nielsen (1985), el cual tiene una alta complejidad matemática y ha sido demostrado su aplicabilidad para la mayoría de los tipos de suelos a pesar de la alta variabilidad espacial de estas propiedades (Zhu y Mohanty, 2002).

En la Figura 1, se observa, para el rango de tensión entre 0 y 1000 cm de columna de agua los niveles de humedad sufren una caída brusca para un pequeño cambio de la tensión. Esa cantidad de agua que se pierde está en el rango de lo que se denomina “agua fácilmente aprovechable” para los cultivos en la mayoría de los suelos. A partir de este rango la variación de la humedad con el aumento de la tensión es más gradual con una diferenciación para la capa de 0-30 cm. En el caso de las capas inferiores no se muestran grandes diferencias significativas en las curvas.

Este comportamiento diferenciado se aprecia mejor en la Figura 2 donde se muestran las curvas para el rango de tensiones de 0 a 1000 cm. La capa superficial de 0-30 cm tiene un comportamiento peculiar con relación a las otras dos capas donde se evidencia que para un mismo valor de tensión hay menor contenido de humedad en la capa superior respecto a las otras. Este fenómeno puede estar asociado a que la misma contiene dentro de sus características texturales un mayor contenido de arena, que se traduce en la disminución de la retención del agua por el suelo a consecuencia de una reducción notable de la microporosidad.

Al analizar más detalladamente las profundidades de 30-60 y 60 más en el rango de 0 cm a 1000 cm de columna de agua, se observa como comienza a diferenciarse el comportamiento entre ellas en el rango de tensiones más bajas de 0 a 300 cm, que corresponde al rango entre la saturación y muy cercano a la capacidad de campo, lo cual debe estar asociado a los altos contenidos de arcilla que favorecen la retención del agua por el suelo; sin embargo para el siguiente aumento de tensiones el comportamiento es más gradual.

En la Tabla 4 se refleja que el modelo de van Genuchten determina con precisión la CTH, con coeficientes de determinación (R²) de 0,98, 0,99 y 0,98, lo que demuestra que el modelo describe de forma apropiada los procesos de retención de agua en el suelo para cada una de las profundidades estudiadas.

Resultados similares fueron obtenidos por López et al. (2010) en un estudio de comparación de 570 curvas de diferentes tipos de suelos agrícolas cubanos obtenidas en el periodo 1990 - 2003, con valores de R² promedio de 0,97 para las condiciones m = 1-1/n del modelo de van Genuchten y plantean que es el más apropiado para describir el proceso de retención de agua en el suelo.

En la Tabla 4 se observan valores inferiores a 1 del error estándar para cada parámetro del modelo de van Genuchten con el término m = 1-1/n, lo cual se considera aceptable si se tiene en cuenta la variabilidad de los mismos en el suelo, según señala Warrick (2003).

Por otra parte, los valores del coeficiente “α” se encuentran en el rango de 0,0022-0,0024 excepto para la capa intermedia que es algo superior (0,0038), lo cual está en el rango de los valores reportados por López et al. (2010) para este tipo de suelos.

Los parámetros relacionados con la humedad residual y de saturación obtenidos con la modelación se diferencian de otros estudios, lo que pudiera estar asociado a los errores de las interacciones que efectúa el modelo Van Genuchten (1992) para obtener los parámetros óptimos y a la variabilidad propia de estos niveles de humedad.

Ruiz (1997) planteó que la utilización de las curvas de retención de humedad determinadas en laboratorio a partir de muestras inalteradas, pueden considerarse como un resultado exitoso, teniendo en cuenta lo trabajoso que resulta y el tiempo que lleva la determinación de las curvas “in situ”; como se muestra no se observan diferencias significativas entre la humedad obsevada en el laboratorio a partir de muestras inalteradas y la estimada por el sofware para ninguna de las tensiones evaluadas en las capas estudiadas (Tablas 5, 6 y 7), la que refleja ,en algunos casos, que los datos estimados se subestimaron sistemáticamente, no siendo las diferencias en ningun caso superior a 0.

En la Figura 3 se presenta la conductividad hidráulica modelada en función de la tensión para cada una de las profundidades, a partir de los datos obtenidos por el software, mostró que para valores entre 0 y 700 cm de columna de agua en las tres capas ocurre un decrecimiento brusco desde altos valores para las humedades cercanas a la saturación, donde se encuentra el espacio poroso lleno de agua, a valores cercanos a la unidad para tensiones entre 500-700 cm, lo que está asociado a los contenidos de arcilla presentes en este tipo de suelo que favorecen la retención del agua en la microporosidad.

A partir de este valor de tensión, la conductividad hidráulica decrece y aumenta el contenido de agua retenido como ya se observó en el análisis de las curvas tensión humedad hasta los 1000 cm.

En la profundidad de 0-30 cm de suelo Pardo Sialítico Grisáceo Mullido el proceso es menos brusco a diferencia de las otras dos profundidades; lo que está asociado al elevado contenido de arena que presenta esta capa según lo definido en la Tabla 1. No obstante, en esta capa se tienen los mayores valores en la conductividad de saturación, característico de texturas con altos contenidos de arena, por lo que el comportamiento del decrecimiento de la conductividad con la disminución de la humedad es más rápido, lo que coincide con Gómez (2011), que plantea, que es mayor en suelos arenosos que en arcillosos, a bajas tensiones mátricas y, al contrario a tensiones más altas.