Inundaciones parte II – Suelos – Dinámica del agua en los suelos

Inundaciones parte II – Suelos – Dinámica del agua en los suelos

Definición de suelo. Es aquella fracción de la superficie terrestre con capacidad para soportar el crecimiento de plantas y/o con diferenciación en capas superpuestas (llamadas horizontes) producto de la meteorización del material original (última definición del USDA, de 2006, cambiando respecto de la anterior lo referido a la doble condición, que deja de ser requerida, de allí la incorporación de “y/o”).

Lo anterior es la definición edafológica de suelos. La ingeniería civil tiene una definición y unos objetivos diferentes.

Los suelos están formados mayoritariamente por material inorgánico, sobre todo arena, limo y arcilla.

Arena es aquella fracción con tamaños mayores a 50 micrones pero siempre menores a 2 mm, sólo observables a simple vista cuando están cerca del valor máximo. El limo y la arcilla son fracciones microscópicas. El limo tiene tamaños que van desde los 2 hasta los 50 micrones (50 micrones es el límite que usan varios países, entre ellos el nuestro); la arcilla es la fracción con tamaño siempre menor a 2 micrones. Puede haber fracciones inorgánicas mayores a 2 mm, observables a simple vista (grava, de 2 a 20 mm) e incluso mayores a 20 mm (piedras).

Hay también una fracción minoritaria de materia orgánica (generalmente 1,5 a 5 % de los sólidos totales).

Un coloide es una mezcla donde el tamaño de partícula de la fracción minoritaria es intermedio entre una suspensión y una solución. Los coloides se comportan de manera diferente que las soluciones y las suspensiones.

En los suelos hay un coloide de gran importancia (hay otros), es el complejo que forman las arcillas y cierta materia orgánica (el complejo arcillo-húmico). Y hay una solución de gran importancia también, en la que el agua presente disuelve sustancias que sirven de nutrientes para las raíces presentes (la solución del suelo). El complejo arcillo-húmico y la solución del suelo están en constante interacción. Los equilibrios y desequilibrios están motorizados por varios factores, entre los que se destaca el contenido de agua del suelo.

El limo no forma parte del complejo coloidal del suelo.

Textura del suelo. Es la condición dada por las proporciones de arena, limo y arcilla. Influye en la capacidad de retención de agua. También influye en la porosidad del suelo (en buena medida la define aunque el manejo puede influir positiva o negativamente en el stock, tamaño y forma de los poros).

La textura está referida a cada uno de los horizontes de un perfil, con énfasis en los primeros 100 cm de profundidad.  Se trata de una condición que no puede modificarse en planteos extensivos y que no varía en el tiempo salvo un proceso erosivo, una decapitación del horizonte superior o una labranza profunda que mezcle horizontes (al decir que no varía en el tiempo, debe entenderse que se habla de los tiempos de la producción agropecuaria, no de tiempos geológicos).

El famoso triángulo textural del USDA permite ubicar las proporciones de las diferentes texturas.

En superficie, un suelo llamado franco (loam en inglés) tiene 30-50 % de limo (típicamente tiene 40 % de limo, 40 % de arena y 20 % de arcilla). También en superficie, un suelo típico de la pampa húmeda es franco limoso (silt loam soil) y tiene aproximadamente 70 % de limo, 10 % de arena y 20 % de arcilla. También en superficie, un suelo típico de nuestra región semiárida es franco arenoso (sandy loam soil) y tiene aproximadamente 20 % de limo, 70 % de arena y 10 % de arcilla.

El segundo horizonte, subsuperficial, es llamado horizonte B en muchos perfiles. Cuando posee mucha arcilla, aproximadamente 35-40 %, es llamado horizonte Bt (t de textural). Es muy frecuente en nuestra región pampeana.

La gran mayoría de los suelos de las cuencas o zonas anegadas en agosto de este año 2015 son argiudoles (Molisoles) con textura franco limosa en superficie (65-70 % de limo) y un horizonte Bt potente, con aproximadamente 35 % de arcilla en el perfil, en la zona que va desde los 25 ó 30 hasta los 90 ó 100 cm de profundidad. Esto, en referencia a todas las zonas excepto la cuenca del Salado, vale decir Sanford en la provincia de Santa Fe (donde el problema fue y es más hidráulico que agronómico) y Luján y otras localidades en la provincia de Buenos Aires.

En la cuenca del Salado hay hapludoles y natracuoles, que también son Molisoles. Los hapludoles no tienen horizonte B sino un horizonte subsuperficial de transición AC, sin importantes contenidos de arcilla. Los natracuoles sí tienen un horizonte Bt, aunque menos potente que los perfiles argiudoles. No obstante, se trata de una cuenca de millones de hectáreas versus miles de hectáreas de los casos previamente mencionados (luego volveré sobre esto).

[En la provincia de Buenos Aires, de 30 M ha, más de 24 ó 25 M son Molisoles. De esos, casi 10 M son argiudoles, otro tanto hapludoles y unos 7 ú 8 M son natracuoles (casi no hay natralboles, el resto para completar las 24 ó 25 M son Ustoles)]

Contenido de agua de un suelo, su medición. A medida que el contenido de agua aumenta, disminuye la tensión con que algunas moléculas de agua son retenidas por las partículas sólidas. La tensión, al igual que la presión, mide fuerza por unidad de superficie. En el caso de la tensión, es fuerza soportada, mientras que en la presión es fuerza ejercida (la tensión se expresa matemáticamente con signo negativo).

En suelos a veces sigue utilizándose a la Atmósfera (Atm) como unidad de tensión, aunque la unidad convenida en el Sistema internacional es el Pascal (en suelos se usa su múltiplo 1.000 veces mayor, el kPa). Cuando un suelo está muy seco y la tensión soportada por el agua más libre es de -1.500 kPa (ó -15 Atm), se dice que ese suelo está en su Punto de marchitez permanente (PMP). Obviamente lo que está en marchitez son las plantas, no el suelo. Cuando la tensión sobre el agua más libre es de -33 kPa (ó -0,33 Atm), se dice que ese suelo está a Capacidad de campo (CC). A la diferencia de contenidos de agua entre CC y PMP se la llama Agua útil.

Estructura y porosidad del suelo. Por estructura se entiende el ordenamiento, la agregación física de las partículas y su estabilidad en el tiempo. Las estructuras subangulares, esponjosas o columnares facilitan el flujo del agua hacia la profundidad y el intercambio de gases entre el perfil del suelo y la atmósfera, beneficiando a los cultivos y permitiendo un mejor aprovechamiento del agua. En sentido inverso actúan las estructuras masivas, migajosas, con desarrollo mayoritariamente horizontal.

Se conviene que, en promedio, la densidad real de los suelos es muy similar a la del cuarzo, esto es 2,65 gr / cc. En tanto, la densidad aparente (la densidad del suelo seco, tal cual, con su espacio poroso) es un valor variable según la textura y el manejo. Se ubica en torno a 1,35 gr / cc para el caso de un horizonte superficial franco limoso razonablemente bien manejado, aunque el valor mencionado es sólo orientativo. En la mayoría de nuestras situaciones, un suelo con problemas de manejo ve aumentada su densidad aparente.

La sola comparación entre los valores de densidad real y aparente, permite deducir que del volumen de un suelo tal cual, los sólidos ocupan aproximadamente la mitad; mientras que la otra mitad la ocupan el aire, o el agua o alguna combinación de ambos.

Los poros que tienen un tamaño mayor a 30 micrones se denominan macroporos.

Cuando los macroporos tienen 30 a 90 micrones permiten un drenaje intermedio, ni lento ni rápido (en promedio, el agua es retenida allí a un valor de -10 kPa). Hay macroporos de tamaños mucho mayores, 1 a 3 mm por ejemplo, que carecen de la capacidad para retener agua.

Cuando tienen 0,2 a 30 micrones, son mesoporos. Permiten un drenaje lento cuando tienen de 10 a 30 micrones (en promedio, el agua es retenida allí a un valor de -33 kPa, esto es la CC). Cuando tienen de 0,2 a 10 micrones, no habiendo consumo (también llamado uso consuntivo) ni evaporación, retienen el agua durante meses, “venciendo” a la gravedad durante ese lapso tan largo (es agua que en parte las raíces pueden aprovechar; las tensiones van de -33 a -1.500 kPa, es decir desde CC hasta PMP).

Cuando tienen menos de 0,2 micrones son microporos. El agua allí retenida no está disponible. La tensión es de -1.500 kPa o mayor aún.

Los conceptos de CC y PMP tienen casi un siglo (son de 1927). Son de escasa utilidad en la práctica en planteos productivos que aspiran a altos rendimientos. Son algo más aptos para la pedología (estudio básico de los suelos) que para la edafología (estudio aplicado de los suelos, en función de lograr mejores cultivos).

Para las condiciones y cultivos de la región pampeana es razonable fijar como límites a -10 kPa y -200 kPa (y no a -33 kPa y -1.500 kPa). No obstante, la CC sigue siendo una referencia para ciertas situaciones.

Hablando volumétrica y aproximadamente, en un suelo a CC la mitad del volumen la representan los sólidos (arena, limo, arcilla, grava, materia orgánica), una cuarta parte la representa el agua líquida presente y una cuarta parte los gases presentes (el llamado aire del suelo o atmósfera del suelo, con una composición similar a la atmósfera terrestre en tanto haya intercambios entre el perfil y el aire atmosférico).

Estando un suelo en CC, las raíces pueden respirar, incluso en suelos con problemas de manejo.

Un suelo está saturado cuando la totalidad del espacio poroso está ocupado por agua. El agua es 1.000 veces más densa que el aire y obviamente lo desplaza (puede quedar algo de aire atrapado).

En un suelo argiudol saturado, con buena estructura, bien manejado, no habiendo nuevos ingresos de agua al perfil, en aproximadamente 2 días el drenaje permite pasar de esa situación a CC. Las raíces vuelven a respirar (la mayoría de los cultivos en casi todos los casos no se ve afectado por la ausencia de oxígeno disponible para las raíces durante ese lapso de aproximadamente 48 hs). En cambio, en un suelo saturado sin buena estructura, no habiendo nuevos ingresos de agua, se necesitan 7-10 días para recuperar la disponibilidad de oxígeno para las raíces allí presentes. Hay daño fisiológico y económico.

La capacidad de infiltración de un suelo es la intensidad máxima de ingreso de agua que dicho suelo puede recibir. Puede tratarse de agua de lluvia, agua proveniente de escurrimientos de zonas más altas, agua de encharcamientos anteriores, agua proveniente del derretimiento de nieve, agua de riego por inundación, por aspersión y por goteo, incluso subterráneo.

La conductividad hidráulica es la capacidad de un suelo para permitir el avance en profundidad del agua presente en su perfil.

La capacidad de infiltración se pone de manifiesto sólo cuando hay ingreso de agua. La conductividad es una cualidad que se manifiesta de manera permanente. 

La capacidad de infiltración (o tasa de infiltración según Richards y Daniel Hillel) es máxima en un comienzo (sobre todo los primeros 10 ó 15 minutos) y luego decrece asintóticamente hasta llegar a un valor estable, la capacidad o tasa de infiltración básica. Por eso es mejor que llueva intensamente sólo al comienzo, a diferencia de lo que pueda intuirse.

La conductividad hidráulica es máxima cuando un suelo está saturado, y va decreciendo entre saturación y CC. Por ejemplo, un horizonte superficial franco limoso drena (“conduce”) 20 mm / hora cuando está saturado y 0,2 mm / hora a CC. Un horizonte Bt drena 6 mm / hora cuando está saturado y 0,06 mm / hora a CC. Para calcular el total drenado desde una condición a otra hay que estimar una conductividad promedio y multiplicar esa cantidad por la cantidad de horas transcurridas (matemáticamente hay que integrar la función desde una situación a la otra). Y esto hay que hacerlo para el horizonte con menor conductividad (el horizonte Bt en los perfiles de los argiudoles). Estimando que esa conductividad promedio sea de 2 mm / hora, asumiendo que transcurren 3 días sin lluvias, se habrán drenado 144 mm en ese lapso, lo cual es bueno para las raíces y también permite que el suelo actúe como una esponja, ante nuevas lluvias.

Asimismo, la capacidad o tasa de infiltración básica en la práctica puede estimarse muy certeramente como el valor de la conductividad hidráulica saturada del horizonte de menor conductividad. Un argiudol con Bt potente tiene aproximadamente una infiltración básica de unos 6 mm / hora y una conductividad hidráulica promedio de 2 días posteriores a su saturación de unos 2 mm / hora.

Todo lo descripto puede estar influenciado por la presencia de napas y por fenómenos de capilaridad. 

Los conceptos anteriores deben servir para explicar qué ocurre en la práctica con las lluvias, el ingreso de agua al suelo, el movimiento del agua dentro del perfil del suelo y la relación de todo lo anterior con el fenómeno que nos ocupa, el de las inundaciones. Tema que trataré en la próxima entrega, con ejemplos numéricos concretos.

Aquí se aplica muy bien aquello que dice “si no lo sabe explicar es porque no lo sabe”.

En la próxima entrega:

Inundaciones parte III – Cambio climático - ¿Cambió la intensidad de nuestras lluvias?

Ing. Agr. Luis Villa

@LuisVilla2805