Open-access COMPARAÇÃO DE MÉTODOS PARA DETERMINAÇÃO DA CURVA DE RETENÇÃO DE ÁGUA EM SOLOS1

COMPARISON OF METHODS FOR DETERMINATION OF THE SOIL WATER RETENTION CURVE

RESUMO

No presente trabalho, procurou-se avaliar o uso da centrífuga na determinação da curva de retenção de água do solo, tendo como comparação o método tradicional em câmara de pressão de Richards. Nos laboratórios da UNESP, Campus de Jaboticabal e Botucatu, utilizaram-se, em 1994, em amostras indeformadas de latossolos e podzólico, os seguintes métodos: da câmara de pressão de Richards (PR), o clássico da centrífuga (CC) e uma centrífuga adaptada (CA). Para esta última situação, estabeleceu-se que a equação entre rotação da centrífuga (ω em rpm) e o potencial matricial (H em MPa) foi de ω=1.891,3-10H e para CC, ω=2.313,3-10H. Os valores de umidade obtidos nas tensões de 0,001; 0,006; 0,010; 0,033; 0,10; 0,3 e 1,5 MPa, nos diferentes métodos, correlacionaram-se de maneira altamente significativa.

Termos de indexação
curva de retenção de água; amostras de solo centrifugadas

SUMMARY

This study was designed to evaluate the use of the centrifuge method for determining soil water retention curves compared to the traditional method. Undisturbed samples of oxisols and ultisol were studied using the following methods: Richard's pressure plate apparatus (RP), classical centrifuge (CC) and adapted centrifuge (AC) methods. In the latter case, the relation between centrifuge rotation and matrix potential was ω=1,891.3-10H, where ω (rpm) is the centrifuge rotation and H the tension in MPa. For CC, ω=2,313.3-10H was obtained. Moisture values obtained at tensions of 0.001,0.006,0.01,0.033,0.1,0.3 and 1.5 MPa with all three methods were highly correlated.

Index terms
soil water retention curve; centrifuged soil samples

INTRODUÇÃO

A curva de retenção da água no solo é de importância fundamental para, entre outros estudos, aqueles que envolvem interações solo-planta, aeração, irrigação e drenagem. O método clássico sugere o uso da câmara de pressão de Richards para a determinação da curva de retenção de água em solos. Neste caso, é consenso que existem obstáculos, como o processo da histerese (Baver et al., 1973, e Hillel, 1982), a determinação do ponto de equilíbrio entre pressão aplicada e a água retida no solo, contato amostra-placa e o tempo de determinação (Richards, 1965).

O uso da centrífuga, visando correlacionar o teor de água do solo e seu potencial, data do início deste século (Thomas & Harris, 1925). Entretanto, no Brasil, poucas pesquisas têm sido feitas nesse sentido, embora seja comum o uso de centrífugas, para outros fins, em laboratórios que realizam análise de solos.

O objetivo deste trabalho foi comparar determinações da curva de retenção da água nas tensões 0,001; 0,006; 0,010; 0,033; 0,10; 0,3 e 1,5 MPa, utilizando uma câmara de pressão de Richards, uma centrífuga tradicional, ou seja, de acordo com o método já estabelecido para esse fim e uma centrífuga adaptada.

MATERIAL E MÉTODOS

O presente experimento foi realizado em 1994, sendo as determinações na centrífuga adaptada feitas no laboratório de pedologia da FCAV/UNESP/Jaboticabal e as determinações utilizando os métodos clássico da centrífuga e da câmara de pressão de Richards, no laboratório de física de solos da FCA/UNESP/Botucatu. Utilizaram-se as centrífugas clássica modelo H-1400 pF da Kokusan Enshinki Co. Ltda de fabricação japonesa, e a UEB Zentrifugenbau Engeldorf mod. K23, da Alemanha, a qual foi adaptada, diferindo da anterior, pois recebe no seu suporte um depósito de PVC, para recolhimento da água drenada da amostra, conforme esquema na figura 1.

Figura 1
Representação esquemática da posição da amostra na centrífuga adaptada.

As determinações foram realizadas em amostras indeformadas retiradas no horizonte A (camada arável) e no B (100−110 cm) do latossolo vermelho-escuro textura argilosa, latossolo vermelho-escuro textura média, latossolo roxo textura argilosa e podzólico ver-melho-amarelo textura arenosa/média, classificados pelos autores deste artigo. As composições granulométricas dos solos analisados, obtidas pelo método da pipeta, encontram-se no quadro 1.

Quadro 1
Análise granulométrica dos solos estudados

Para extração das amostras, utilizaram-se anéis de alumínio, inox e PVC, respectivamente, para uso na câmara de pressão de Richards, centrífuga clássica e centrífuga adaptada, designados no presente trabalho como PR, CC e CA respectivamente. Os referidos anéis apresentavam uma das bordas cortantes e as seguintes dimensões em cm: 3,0×4,4;5,0×5,0;5,0× 4,0 , de altura e diâmetro para o cilindro de alumínio, inox e PVC respectivamente.

Considerou-se que a centrifugação de uma amostra de solo, previamente saturada, gera um potencial matricial crescente ao longo do seu comprimento (Freitas Junior & Silva, 1984), tendo como base a fórmula da centrífuga:

Fc = mv2/R e v = 2 π Rn, onde Fc é a força centrífuga (Newton); m, a massa da amostra (kg); v, a velocidade linear (m s−1) e Rn , o raio da centrífuga (cm).

A relação entre a variação do potencial matricial, gerado na amostra saturada após a velocidade angular estabelecida e a distância R, é dada por:

(1) R = ( ω 2 R / g ) dR

onde:

ψR = potencial matricial da amostra (cm de H2O);

ω = velocidade angular (rad s−1);

g = aceleração da gravidade (cm s−2);

R = distância do eixo da centrífuga até o ponto considerado na amostra (cm).

Integrando-se a equação (1) no intervalo (R1, R), obtém-se:

(2) ψ R = ( ω 2 / 2 g ) ( R 2 R 1 2 ) + ψ R 1

O potencial médio, ψ (cm de H2O) no intervalo (R1, R2) onde está localizada a amostra de solo de comprimento L = R2 − R1, em cm, é definido por:

(3) ψ = ( R 1 R 2 ψ R dR ) / ( R 2 R 1 )

R2 considerado é o raio correspondente da amostra onde a água é liberada durante a centrifugação.

Temos, assim:

(4) ψ R 2 = 0
(5) ψ R 1 = ( ω 2 / 2 g ) ( R 2 2 R 1 2 )

Substituindo-se a equação (2) em (3), considerando-se as equações (4) e (5), obtém-se, para a equação (3):

(6) ψ = ( ω 2 L / 6 g ) ( L 3 R 2 )

O cálculo da velocidade angular ω, em rpm, para um dado valor de potencial médio, H, em MPa, pode ser obtido reescrevendo a equação 6:

(7) ω = 23540 10 H / [ L ( L 3 R 2 ) ]

De acordo com a equação 7, determinou-se a expressão utilizada para a determinação da velocidade angular necessária para a obtenção de um dado potencial matricial para a centrífuga adaptada (CA), que apresenta:

L = 5,0 cm (comprimento da amostra);

R1 = 7,0 cm (centro do rotor ao início da amostra);

R2 = 12,0 cm (centro do rotor ao final da amostra);

(1)=1891,310H.

Para o método clássico da centrífuga ( CC ):

L = 5 , 0 cm R 1 = 3 , 57 cm R 2 = 8 , 57 cm

Obteve-se, a partir da equação 7, a seguinte expressão:

ω = 2313 , 3 10 H

Para submeter as amostras ao processo de centrifugação, procedeu-se a um balanceamento do conjunto (suporte + anel) visando manter os pares opostos com a mesma massa. Para isso, quando necessário, adicionou-se água no depósito localizado na extremidade do conjunto (Figura 1). Para evitar o contato da água do depósito com a amostra, para cada tensão aplicada, procedia-se a novo equilíbrio.

As amostras saturadas foram submetidas à centrifugação até o equilíbrio, 60 e 50 minutos para CC e CA respectivamente. Após esse período, as amostras foram retiradas da centrífuga, pesadas e devolvidas à centrífuga. Após a aplicação da última centrifugação, que correspondeu, respectivamente, aos potenciais matriciais de 1,5 e 0,3 MPa para CC e CA , as mesmas foram levadas à estufa a 105C até massa constante. As centrifugações permitiram o emprego de quatro amostras por determinação, possibilitando a obtenção dos dados para massa úmida para construção de quatro curvas de retenção de água diária. No método da câmara de pressão de Richards, após o equilíbrio, as amostras foram retiradas do equipamento, determinando-se as massas por pesagem. Depois disso, elas sofreram novo umedecimento para melhor contato solo/placa, e o processo teve continuidade.

Devido à limitação, quanto à rotação, apresentada pela CA, a última rotação foi de 3.275 rpm , que correspondeu a 0,3 MPa; portanto, para esse equipamento, os valores referentes a 1,5 MPa foram obtidos a partir do ajuste da equação de Van Genuchten (1980).

As centrífugas trabalharam a uma temperatura constante de 20C, enquanto, na câmara de pressão de Richards, foi variável em função da temperatura ambiente.

Utilizou-se o delineamento inteiramente casualizado e o teste de Tukey, para comparação de médias (Pimentel-Gomes, 1977).

Para o ajuste das curvas de retenção de água, empregou-se o modelo sugerido por Van Genuchten (1980), mediante programa computacional elaborado por Dourado Neto et al. (1990).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os valores de umidade volumétrica ― Quadro 2 ― indicam maior retenção de água para solos com predomínio de textura mais fina, independentemente do tipo de equipamento utilizado, confirmando a importância da participação da fração argila no processo. Assim, solos argilosos como latossolo vermelho-escuro textura argilosa e, principalmente, latossolo roxo textura argilosa, retêm mais água que os demais, principalmente a altas tensões, ou seja, próximo ao ponto de murcha permanente, no qual a retenção está na dependência de forças de adsorção (Hillel, 1970).

Quadro 2
Comparação de médias, de valores de umidade volumétrica e densidade do solo, para as diversas tensões e solos estudados, obtidos pelos equipamentos: câmara de pressão de Richards (PR); centrífuga clássica (CC) e centrífuga adaptada (CA)

Os valores de coeficientes de variação (Quadro 2) indicam, de modo geral, pouca variabilidade dos dados, sugerindo sua precisão. Somente em algumas tensões do latossolo roxo textura argilosa - horizonte B, e latossolo vermelho-escuro textura média - horizonte A, os valores podem ser considerados médios de acordo com critérios de Pimentel-Gomes (1977). Tais resultados decorrem de variação nos valores obtidos para as determinações com a câmara de pressão, pois, conforme mostra o quadro 3, os maiores desvios ocorreram com a utilização desse equipamento. As determinações nas amostras dos mesmos solos foram realizadas com seis e sete repetições respectivamente. Neste sentido, Moraes et al. (1993) encontraram, para terra roxa estruturada latossólica, usando a câmara de pressão, que o número necessário de amostras para estimar a média a um dado nível de probabilidade, é de 3 a 4. Portanto, fazendo uma análise comparativa da variabilidade dos dados em função dos equipamentos estudados, verifica-se vantagem no emprego das centrífugas (CC e CA) em relação à câmara de pressão (PR).

A figura 2 apresenta os resultados obtidos para todos os solos em conjunto, sendo que os coeficientes de correlação entre equipamentos PR vs. CC, PR vs. CA e CC vs. CA foram significativos ao nível de 1% pelo teste t.

Figura 2
Relação entre umidades volumétricas obtidas nos diferentes equipamentos testados. PR vs. CC (a); PR vs. CA (b); CC vs. CA. (c)

Nota-se que existe uma concordância entre os valores encontrados pelos diferentes métodos testados, a exemplo do que observaram Freitas Junior &

Quadro 3
Valores de desvio-padrão obtidos a partir das umidades volumétricas, nas tensões e nos solos estudados utilizando os equipamentos: câmara de pressão de Richards (PR), centrífuga clássica (CC) e centrífuga adaptada (CA)

Silva (1984), utilizando o método da centrifugação e fatiamento de amostras, e Medeiros (1987), trabalhando com fatiamento de amostras centrifugadas. Nesses trabalhos foram obtidas correlações significativas entre o método clássico de determinação da curva de retenção, mediante emprego da câmara de pressão e da centrífuga.

Os valores médios - Figura 3 - referentes às variações de umidade volumétrica nas tensões estudadas mostram certa similaridade entre as curvas obtidas em PR e CC, isso para baixas tensões. Em tensões mais elevadas, a partir de 0,01 MPa, observa-se maior conteúdo de água retida com o uso das centrífugas, indicando que estas estão provocando maior retenção de água, para um mesmo potencial, em relação à PR. Alguns fatores podem ter contribuído para essa diferença, como a temperatura de trabalho dos equipamentos, o tamanho da amostra, a variação da estrutura e a histerese.

Figura 3
Curvas de retenção de água obtidas para os equipamentos: PR (câmara de pressão de Richards), CC (centrífuga clássica) e CA (centrífuga adaptada).

A tensão superficial diminui com a temperatura, provocando alterações no processo de retenção de água. Assim, Klute (1986) relata que parece que um aumento na temperatura leva a uma redução no teor de água a um dado potencial. Procurando evitar essa interferência, Moraes & Libardi (1993) sugerem o controle da temperatura da sala de operação da câmara de pressão. Ressalta-se que essa limitação não existiu quando se empregaram as centrífugas no presente trabalho.

O tamanho da amostra também pode ter influenciado nas diferenças observadas, a exemplo do que constataram Thomas & Harris (1925). Dada a peculiaridade de cada equipamento, foi necessário, no presente trabalho, usar amostras com tamanho variável.

Para as centrífugas, o tamanho da amostra depende do seu suporte (Figura 1), consistindo em uma das desvantagens do equipamento, pois somente anéis previamente preparados para a dimensão do espaço existente no suporte é que podem ser utilizados.

A água disponível, considerando os valores médios para todos os solos estudados e calculada em função da diferença de umidade volumétrica obtida a 0,010 e 1,5 MPa, foi de 0,102; 0,085 e 0,087 m3 m−3, respectivamente, para PR, CC e CA. Esses valores indicam que, no tocante à água disponível, as centrífugas apresentaram comportamento semelhante, embora a curva de retenção de água, como se pode ver na figura 3, indica maior proximidade de CC com PR.

Os valores médios de densidade, considerando os solos estudados, conforme consta do quadro 2, foram 1,34; 1,40 e 1,30 kg dm−3, respectivamente, para os equipamentos PR, CC e CA.

Os maiores valores de umidade encontrados para as amostras da CA nas tensões baixas podem estar relacionados aos valores inferiores de densidade do solo nelas. A alteração na estrutura afeta a capilaridade e a distribuição de tamanho dos poros do solo, conforme relatam Scardua (1972) e Jaccoud & Castro (1976). Esses autores verificaram que a estrutura desempenha um papel muito importante na capacidade de retenção de água, atuando principalmente na retenção a baixa tensão, devido à presença de macroporos ou poros entre os agregados. Os valores superiores de umidade, obtidos para as centrífugas nas tensões mais elevadas, podem estar relacionados à compactação durante as determinações. Com a aplicação de rotações elevadas, houve rearranjamento das partículas e mudança nas relações dos macro- e dos microporos. Jaccoud & Castro (1976) também verificaram valores superiores de umidade obtidos a altas tensões em amostras de solo de textura média e argilosa, as quais foram deformadas, em relação às amostras indeformadas.

As limitações encontradas no uso de centrífuga, relativas ao tamanho da amostra e a compactação, quando se aplicam elevadas rotações, são menores do que aquelas encontradas no uso do método tradicional (câmara de pressão de Richards), o qual, de acordo com Moraes & Libardi (1993), não pode ser considerado padrão, uma vez que a variabilidade do método é bastante grande. Shouse et al. (1995), estudando a variabilidade espacial do solo na retenção de água, verificaram também que o emprego desse equipamento provocou elevado erro experimental, sugerindo o desenvolvimento de pesquisas para melhorar a precisão do método.

CONCLUSÕES

  1. A adaptação da centrífuga para a determinação da curva de retenção de água foi viável, pois o método é preciso e mais rápido, quando comparado com o tradicional (câmara de pressão).

  2. Além das vantagens operacionais, o uso da centrífuga independe do contato entre a amostra e a placa porosa, e minimiza os efeitos da histerese, pois não exige a adição de água, após atingido o equilíbrio a uma dada pressão, envolvendo uma única saturação.

  • 1
    Trabalho apresentado no XXV Congresso Brasileiro de Ciência do Solo, Viçosa, julho de 1995.

LITERATURA CITADA

  • BAVER, L.D.; GARDNER, W.H. & GARDNER, W.R. Física de suelos. México. Unión Tipográfica Editorial Hispano-Americana, 1973. 529p.
  • DOURADO NETO, D.; JONG VAN LIER, Q.; BOTREL, T.A. & LIBARDI, P.L. Programa para confecção da curva de retenção de água no solo utilizando o modelo de Genuchten. Eng. Rur., Piracicaba, 1(2):92-102, 1990.
  • FREITAS JUNIOR, E. & SILVA, E.M. Uso da centrífuga para determinação da curva de retenção de água do solo, em uma única operação. Pesq. Agropec. bras., Brasília, 19(11):1423-1428, 1984.
  • HILLEL, D. Solo e água, fenômenos e princípios físicos. Porto Alegre, UFRGS, 1970. 231p.
  • HILLEL, D. Introduction of soil physics. New York, Academic Press, 1982. 364p.
  • JACCOUD, A. & CASTRO, A.F. Curvas de caracterização de umidade de solos da área da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, município de Itaguaí. Pesq. Agropec. bras., Brasília, 11:1-9, 1976.
  • KLUTE, A. Water retention: laboratory methods. In: BLACK, C.A., ed. Methods of Soil Analysis. I. Physical and mineralogical methods. Madison, American Society of Agronomy, Soil Science Society of America, 1986. p.635-662.
  • MEDEIROS, S.D. Determinação da curva de retenção da água no solo através do fatiamento de amostras centrifugadas. Piracicaba, ESALQ, USP, 1987. 66p. (Dissertação de Mestrado)
  • MORAES, S.O. & LIBARDI, P.L. Problemas metodológicos na obtenção da curva de retenção da água pelo solo. Sci. Agric., Piracicaba, 50(3):383-392, 1993.
  • MORAES, S.O.; LIBARDI, P.L. & REICHARDT, K. Heterogeneidade dos pontos experimentais de curvas de retenção da água no solo. Sci. Agric., Piracicaba, 50(3):393-403, 1993.
  • PIMENTEL GOMES, F. Curso de estatística experimental. 7.ed. São Paulo, Livraria Nobel, 1977. 430p.
  • RICHARDS, L.A. Physical condition of water in soil. In: BLACK, C.A., ed. Methods of soil analysis. Madison, American Society of Agronomy, 1965. v.1, p.128-152.
  • SCARDUA, R. Porosidade de água de dois solos do município de Piracicaba-SP. Piracicaba, ESALQ, USP, 1972. 83p. (Dissertação de Mestrado)
  • SHOUSE, P.J.; RUSSELL, W.B.; BURDEN, D.S.; SELIM, H.M.; SISSON, J.B. & VAN GENUCHTEN, M.T.A. Spatial variability of soil water retention functions in a silt loam soil. Soil Sci., Baltimore, 159(1):1-12, 1995.
  • THOMAS, M.D. & HARRIS, K. The moisture equivalent of soils. Soil Sci., New Brunswick, 26(6):411-424, 1925.
  • VAN GENUCHTEN, M.T.A. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsatured soils. Soil Sci. Soc. Am. J., Madison, 44(5):892-898, 1980.

Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    17 Jul 2026
  • Data do Fascículo
    1997

Histórico

  • Recebido
    Mar 1996
  • Aceito
    Jan 1997
location_on
Sociedade Brasileira de Ciência do Solo Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, Departamento de Solos - Edifício Silvio Brandão, s/n, Caixa Postal 231 - Campus da UFV, CEP 36570-900 - Viçosa-MG, Tel.: (31) 3612-4542 - Viçosa - MG - Brazil
E-mail: sbcs@sbcs.org.br
rss_feed Acompanhe os números deste periódico no seu leitor de RSS
Ir para o topo Reportar erro