Curs 3 – Ecopedologie

Apa din sol

Apa joaca un rol important in procesele de alterare si dezagregare al mineralelor si rocilor si in formarea profilului de sol. De existenta si modul de manifestare al apei din sol depind procesele de geneza si evolutie a solului. Apa este esentiala si in realizarea fertilitatii solului, determina solubilizarea, transportul si asimilarea substantelor minerale de catre plante; apa este componenta solului care asigura in mod permanent schimbul de substante nutritive intre sol si planta.

1. Fortele care actioneaza asupra apei din solDintre fortele care actioneaza, importanta mai mare prezinta forta gravitationala, forta

capilara, forta de adsorbtie, forta datorata tensiunii vaporilor de apa din sol, forta de sugere (suctiune) a radacinilor plantelor, forta hidrostatica.

Forta gravitationala – actioneaza asupra apei din porii necapilari ai solului. Apa se deplaseaza pe verticala umezind solul in profunzime, surplusul trecand in panza de apa freatica.

Forta capilara – actioneaza asupra apei din porii capilari ai solului si este determinata de deficitul de presiune ce se creeaza in capilarele solului. Daca se introduce un tub capilar intr-un vas cu apa, se constata o ridicare a coloanei de apa in tub la o inaltime H, iar daca se pun in contact doua tuburi cu diametre diferite, apa se va deplasa incet de la tubul mai larg la cel mai ingust.

Retinerea si miscarea apei in toate directiile, in tuburile capilare, se datoreaza fortei capilare la baza caruia sta deficitul de presiune (presiune capilara). Moleculele de apa din interiorul lichidului din tub sunt atrase cu aceeasi forta in toate directiile, deci sunt in echilibru, in timp ce moleculele de la suprafata lichidului sunt atrase numai spre interior, iar cele de la contactul cu peretii tubului sunt atrase spre exterior cu forte mai puternice (uda peretii tubului).

Aceste forte determina formarea la suprafata coloanei de lichid a unui menisc concav, sub care presiunea este mai mica, deci apare asa numitul „deficit de presiune” care este dat de relatia lui Laplace: Δp=2α/r unde:α = tensiunea superficiala si r = raza tubului capilar.

Deci cu cat raza capilarului este mai mica, deficitul de presiune este mai mare si apa se va ridica la o inaltime mai mare.

Forta de adsorbtie (de sorbtie) – determina retinerea apei la suprafata particulelor de sol. Este de natura electrostatica si se datoreaza caracterului dipolar al moleculei de apa si energiei libere de la suprafata particulelor de sol. Prin aceasta forta este retinuta apa higroscopica.

Forta determinata de tensiunea vaporilor de apa – actioneaza asupra apei sub forma de vapori. Vaporii din porii solului sunt supusi unei presiuni (tensiuni) mai mari sau mai mici in functie de temperatura si umiditatea solului. Astfel, la aceeasi umiditate, tensiunea vaporilor creste cu temperatura, iar la aceeasi temperatura, tensiunea creste cu umiditatea. Vaporii de apa vor circula intotdeauna de la zonele mai calde si mai umede (tensiunea mai mare) spre zonele mai reci si mai uscate (tensiune mai mica).

Forta de sugere a radacinilor plantelor – forta de suctiune, la majoritatea plantelor, este de 15-20 atmosfere.

Forta osmotica – se manifesta numai in solurile saraturate si depinde de presiunea osmotica. Cu cat concentratia sarurilor solubile este mai mare si presiunea osmotica este mai mare, apa va fi retinuta cu forte mai puternice in sol.

Forta hidrostatica (de submersie) – actioneaza numai atunci cand la suprafata solului se gaseste un strat de apa. Sub greutatea stratului respectiv se formeaza o forta care determina patrunderea apei in sol.

2. Potentialul apei din sol si suctiunea soluluiPotentialul apei din sol reprezinta energia pe care o are apa in sol, datorita careia

exercita o anumita presiune. Deci, fortele sunt traduse in potentiale sau energii care se exprima in unitati de presiune (atmosfere, centimetri coloana de apa, etc.), ce pot fi insumate.

In functie de natura fortelor se disting urmatoarele potentiale: potentialul gravitational, potentialul matricial (corespunzator fortei de adsorbtie si capilare), potentialul hidrostatic si potentialul osmotic. Prin insumare se obtine potentialul total. Forta cu care este atrasa si retinuta apa de sol se numeste forta de suctiune sau suctiune.

Masurata in centimetri coloana de apa, suctiunea variaza de la 1 cm pana la 10 000 000 cm coloana de apa. Deoarece este incomod de a se lucra cu cifre mari, s-a introdus notiunea de pF care reprezinta logaritmul, in baza zece, a centimetrilor coloana de apa corespunzatoare fortei de retinere a apei de catre sol.

3. Categoriile de apa din solDin punctul de vedere al starii de agregare categoriile de apa din sol sunt: a. Apa in stare solida – este sursa pentru celelalte forme de agregare. Are rol in

dezagregarea rocilor si nu are importanta directa pentru plante. b. Apa în stare de vapori – se gaseste in porii solului si se misca prin difuziune.

Formează roua subterana si, la secete prelungi, in cantitate mare atenueaza efectul secetei asupra plantelor.

c. Apa lichida – este cea mai importanta pentru pante.Principalele surse de aprovizionare a solului cu apa sunt precipitatiile, panza freatica

prin ascensiune capilara si apa de irigatie. Din punctul de vedere al relaţiei apei cu particulele de sol şi al dinamicii sale prin sol, apa

poate fi de două feluri: legata si libera.Apa legata chimic. Se gaseste, in sol, sub doua forme: apa de constitutie si apa de

cristalizare.Apa de constitutie - intra in reteaua cristalina a mineralelor sub forma ionica, fiind

cedata la temperaturi de peste 400°C, prin descompunerea mineralului.Apa de cristalizare - este legata de reteaua cristalina a mineralelor sub forma

moleculara si se elimina la temperaturi mult mai joase (200°C) fara descompunerea substantei.

Apa legata fizic. Este retinuta la suprafata particulelor de sol datorita energiei libere de care dispun acestea si structurii dipolare a moleculelor de apa. Dupa intensitatea retinerii, se disting doua forme de apa legata fizic: apa higroscopica si apa peliculara.

Apa higroscopica - se formeaza prin condensarea vaporilor din atmosfera solului in jurul particulelor de sol pana la satisfacerea energiei libere de la suprafata acestora (Fig. 1). Din cauza presiunii mari cu care este retinuta, apa higroscopica are anumite proprietati specifice: ingheata la -78°C, are densitatea 1,7, nu are capacitate de dizolvare pentru sarurile solubile din sol si circula numai sub forma de vapori. Cantitatea maxima de apa higroscopica higroscopica formeaza coeficientul maxim de higroscopicitate. Apa higroscopica nu este folosita de plante, deoarece acestea au puterea de suctiune mult mai mica; de aceea, se mai numeste apa fiziologic inactiva.

Fig.1. Particula de sol inconjurata de apa higroscopica

Apa peliculara se realizeaza la suprafata particulelor de sol peste apa higroscopica, sub forma unei pelicule de diferite grosimi, pana la satisfacerea totala a capacitatii de adsorbtie a solului (Fig. 2). Fiind retinuta cu forte mai mici decat apa higroscopica, prezinta capacitatea de a dizolva in mica masura sarurile solubile, circula lent de la pelicule mai groase spre cele mai subtiri pe baza diferentelor de tensiune superficiala si poate fi folosita, intr-o oarecare masura, de plantele care au o forta de suctiune mai mare de 15 atmosfere.

Fig. 2. Apa de adsorbtie higroscopica si peliculara

Apa libera (sau apa nelegata). Este reprezentata de apa capilara si apa gravitationala.Apa capilara - reprezinta apa pe care solul o retine in spatiile capilare si care se misca

in toate directiile sub actiunea fortelor capilare. Apa capilara poate apare sub mai multe forme: apa capilara imobila – picaturi izolate la contactul dintre particulele de sol; apa capilara mobila – unirea picaturilor de apa capilara imobila, formandu-se coloane de apa in spatiile capilare. In functie de sursa de umezire a solului, se disting: apa capilara sprijinita – se formeaza deasupra panze freatice, prin ridicarea apei in spatiile capilarelor pana la o anumita inaltime; apa capilara suspendata – se realizeaza in partea superioara a profilului, prin alimentarea capilarelor cu apa provenita din precipitatii, din irigatii, inundatii etc. (Fig. 3)

Fig. 3. Forme ale apei capilare din sol.

Apa gravitationala se intalneste in spatiile necapilare ale solului, unde se mentine o perioada scurta de timp, dupa o ploaie abundenta (Fig. 4). Sub actiunea gravitatiei ajunge repede in panza freatica.

Fig. 4. Patrunderea in profilul de sol a apei gravitationale in functie de structura solului.

Apa freatica . Daca apa gravitationala intalneste in calea ei un strat impermeabil, se inmagazineaza deasupra acestuia formand apa freatica. In functie de adancimea apei freatice, se pot intalni 3 cazuri: adancimea critica – cand apa din panza freatica se ridica, prin capilaritate, pana la suprafata solului, creand conditii de anaerobioza; adancimea subcritica – atunci cand apa capilara influenteaza numai partea inferioara a profilului; adancimea acritica – atunci cand apa capilara nu atinge profilul de sol.

Apa sub forma de vapori. Se intalneste in aerul din porii solului, unde provine prin evaporarea altor forme de apa sau prin patrunderea aerului atmosferic incarcat cu vapori de apa.

4. Indicii hidrofizici ai soluluiCoeficientul de higroscopicitate (CH). Reprezinta cantitatea maxima de apa pe care

o proba de sol, uscata la aer, o poate retine la suprafata pariculelor atunci cand este asezata intr-o atmosfera saturata in vapori. Valorile CH-ului sunt cuprinse intre 1% si 14% (1% la solurile nisipoase, 8% la cele lutoase, 14% la cele argiloase).

Coeficientul de ofilire (CO). Reprezinta limita minima de apa din sol la care plantele se ofilesc ireversibil. Este de 2% la solurile nispoase, pana la 12% la cele lutoase si pana la 24% la cele argiloase.

CO = 1,5 · CHCapacitatea pentru apa in camp (CC). Reprezinta cantitatea maxima de apa pe care

solul (saturat cu apa) o poate retine in spatiile capilare o perioada mai lunga de timp si pe care o poate pune in mod treptat la dispozitia plantelor.

Capacitatea de apă utilă (CU) este intervalul dintre coeficientul de ofilire şi capacitatea pentru apă în câmp:

CU = CC - COEchivalentul umiditatii (EU). Reprezinta cantitatea maxima de apa pe care o proba

de sol saturata cu apa o poate retine atunci cand este supusa unei forte de centrifugare de 1000 de ori forta gravitationala.

Capacitatea pentru apa capilara (Ccap). Reprezinta cantitatea maxima de apa pe care o are solul atunci cand toti porii capilari sunt plini cu apa.

Capacitatea totala pentru apa (CT). Reprezinta cantitatea maxima de apa pe care o contine solul atunci cand toti porii sunt plini cu apa.

Permeabilitatea solului pentru apaInsusirea solului de a lasa sa patrunda si sa treaca prin el apa, poarta denumirea de

permeabilitate. In timpul patrunderii apei in sol se intalnesc doua situatii distincte: de sol saturat cu

apa si sol nesaturat cu apa.Permeabilitatea solului saturat cu apa. Patrunderea si trecerea apei prin solurile

saturate cu apa poarta denumirea de filtratie si aceasta se petrece conform legii lui Darcy, care se exprima prin relatia:

V = KI I = H/L = ψ1 – ψ2 /L

in care: V – viteza medie de curgere apei, numita „viteza de filtratie” K – conductivitatea hidraulica, coeficientul de filtratie sau coeficientul de

permeabilitate I – gradientul hidraulic, care este dat de raportul dintre diferenta de nivel (H) a apei

in cele doua vase sau diferenta de potential hidraulic (ψ1 – ψ2) si lungimea L a coloanei de sol prin care trece apa.

Permeabilitatea solului nesaturat cu apa. Patrunderea apei prin solurile nesaturate cu apa se numeste infiltratie. Majoritatea solurilor in natura nu sunt saturate, miscarea apei facandu-se la acestea, sub actiunea fortei de suctiune. Pe baza legii lui Darcy, pentru miscarea apei in solurile nesturate, Richards a stabilit urmatoarea relatie:

V = Ku . Δψ/L sau V = Ku . I,

in care: Δψ – diferenta de suctiune Ku – conductivitatea hidraulica in functie de umiditate (u) V – viteza de curgere, in acest caz fluxul de infiltratieCantitatea de apa ce o poate primi un sol pana cand ajunge la saturatie se numeste

capacitate de infiltratie. Aceasta se exprima prin grosimea stratului de apa aspirata de sol in unitatea de timp, deci sub forma de viteza de infiltratie si se poate masura in mm/h sau cm/s.

5. Pierderea apei din solEvaporatia (E). Reprezinta pierderea apei din sol, prin trecerea ei in stare de vapori

sub actiunea temperaturii.Transpiratia (T). Reprezinta pierderea apei datorita consumului plantelor prin

fenomenul de transpiratie. Drenajul. Reprezinta pierderea de apa din sol prin scurgeri si poate fi: drenaj extern –

scurgerea apei la suprafata terenurilor inclinate; drenaj intern – scurgerea apei prin sol in profunzime acesta depinzand de permeabilitatea solului si drenaj global – totalul pierderilor prin scurgerea la suprafata solurilor si in profunzime.

6. Regimul hidric al soluluiReprezinta ansamblul fenomenelor legate de patrunderea, miscarea si pierderea apei din

sol, exprimate prin modificarea umiditatii solului. Depinde deci de bilanţul apei din sol. Se pot distinge cinci tipuri de regim hidric.

1. Regimul hidric pergelic – reprezinta ingheţul solului in cea mai mare grosime a sa, situatie intalnita in regiunile cu climat subpolar si polar. In cele cateva luni de vara, solul se dezgheata doar la partea superioara, producandu-se procese de pseudogleizare datorita apei stagnante.

2. Regimul hidric percolativ – este caracteristic climatelor umede, în care infiltratia este mai mare decat evapotranspiratia. Se formeaza un curent de apa descendent care ajunge la panza freatica.

3. Regimul hidric periodic percolativ – caracterizeaza climatele umede cu regim pluviometric contrastant: prezenta unor perioade ale anului ploioase, in care regimul este percolativ, alternand cu perioade secetoase în care evapotranspiratia depaseste net aportul de apa din precipitatii.

4. Regimul hidric nepercolativ – este specific climatelor aride si semiaride cand apa din precipitatii nu poate percola solul pana la panza freatica situata la mari adancimi.

5. Regimul hidric exudativ – este specific climatelor aride sau secetoase în conditiile unei panze freatice aproape de suprafata (3-5 m adancime). In perioadele calde si uscate se realizeaza un curent ascendent de apa care, prin evaporatie, tinde să îmbogateasca orizonturile superioare ale profilului solului în saruri solubile.

Apa poate sa provina in sol din precipitatii (P), aportul freatic (Af), scurgeri de pe terenurile vecine la suprafata (Ss) si in interiorul solului (Si), prin condensarea vaporilor de apa (C) si din irigatii (I). Pierderile de apa din sol se fac prin evaporatie (E), transpiratie (T), scurgeri in panza freatica (AIf), scurgeri spre alte terenuri la suprafata (SIs) sau in interior (SIi).

Bilantul general al apei din sol se poate exprima prin ecuatia:

Rf – Ri = (P + Af + Ss + Si + C + I) – (T + E + AIf + SIs + SIi)

in care: Rf – rezerva de apa din sol de la sfarsitul perioadei considerate Ri – rezerva apei din sol de la inceputul perioadei considerate.