Tensiunea matricei

Mecanismul de retenție a apei în sol
Legenda :
S: particulă necoloidală
A: coloid mineral
H: coloid organic
I: apă higroscopică
C: apă capilară
m: macropor

Prin tensiunea matricei se înțelege presiunea negativă pe care solul o exercită asupra apei în virtutea forțelor de coeziune generate de matricea solidă. Tensiunea matricei este, de asemenea, identificată cu aspirația pe care plantele trebuie să o exercite pentru a elimina apa.

Starea apei din sol

Apa face parte din compoziția celor trei faze ale solului: în faza solidă este prezentă ca o componentă structurală a substanței organice și ca o componentă structurală a mineralelor , sub formă de apă de cristalizare; în faza gazoasă este prezentă sub formă de vapori ; în faza lichidă este solventul soluției circulante.

În scopul nutriției apei, prin apă din sol se înțelege soluția care circulă, care ocupă o parte din spațiile goale ale solului ( porozitate ). Porozitatea solului este împărțită în mod convențional în două clase de pori, macroporii , cu un diametru mai mare de 8 μm și microporii , cu un diametru mai mic.

Într-un sol cu ​​condiții optime de umiditate, complexul de micropori este ocupat de apă, în timp ce macroporii sunt ocupați de aer. Această condiție este de fapt cel mai bun rezultat între necesitățile de apă ale plantelor și cele respiratorii: un conținut mai mare de apă generează o lipsă de disponibilitate a aerului, un conținut mai mic generează o tensiune a matricei mai mare (în valoare absolută ^[1] ) și, prin urmare, , un efort mai mare din partea plantelor în absorbție.

Forța exercitată asupra apei este rezultatul a patru sisteme:

1. Forțe de coeziune internă. Sunt interacțiunile de atracție reciprocă dintre moleculele de apă, reprezentate de legături de hidrogen și legături electrostatice de tip dipol-dipol.
2. Forțe interfață lichid-solid. Acestea sunt interacțiunile atractive pe care particulele solide hidrofile le exercită asupra moleculelor de apă în virtutea prezenței sarcinilor electrice pe suprafața particulelor. Deoarece acestea sunt interacțiuni de interfață, aceste forțe sunt deosebit de intense în particulele cu proprietăți coloidale , deoarece oferă o suprafață de dezvoltare ridicată în raport cu densitatea electrică.
3. Forțele interfeței lichid-gaz. Acestea sunt interacțiunile atractive pe care particulele de aer telurice le exercită asupra moleculelor de apă din interfața de separare.
4. Forța gravitației . Este forța exercitată asupra tuturor moleculelor în virtutea atracției gravitaționale.

Compoziția acestor sisteme de forțe duce la doi rezultanți diferiți în micropori și macropori, prin urmare se face distincția între două stări diferite de apă. La aceste două se adaugă o a treia în care forțele în joc sunt reprezentate aproape exclusiv de interacțiunile interfeței solid-lichid.

Apa gravitațională

Numită și apă de percolație , este fracția posibilă prezentă în macropori. Diametrul macroporilor este astfel încât interacțiunile matricei solide asupra moleculelor de apă sunt slabe, prin urmare acțiunea gravitațională prevalează. Este practic apă liberă , deoarece scapă de tensiunea matricei. Mișcarea de-a lungul conturului solului urmează legi complexe; în cel mai simplu caz, care este identificat într-un sol saturat și fără sudură al complexului macroporilor, percolarea apei urmează legea lui Darcy ^[2] . În acest caz, viteza cu care apa gravitațională percolează în profunzime depinde fundamental de coeficientul de conductivitate a apei sau, cu alte cuvinte, de permeabilitate.

În practică, prezența apei gravitaționale se găsește în solul saturat sau, în orice caz, cu umiditate mai mare decât capacitatea câmpului . Timpii de uscare depind în esență de textura solului : în solurile nisipoase , care sunt foarte permeabile, apa gravitațională se pierde în câteva ore, în timp ce în solurile argiloase poate dura până la 2-3 zile. Dacă solul este foarte impermeabil și slab structurat, timpii se prelungesc considerabil, până la cazurile extreme de stagnare permanentă.

Apă capilară

Apa capilară este fracția conținută în micropori sau adsorbită la suprafața particulelor solide. În acest caz, distanța față de matricea solidă este astfel încât forțele de atracție exercitate de particulele solide și tensiunea superficială prevalează asupra forței de greutate. Este practic apă legată , deoarece este reținută de efectul tensiunii matricei.

Strict vorbind, apa capilară este compusă din cea reținută în micropori datorită capilarității . Acest volum este în continuitate cu apa care înconjoară particulele solide datorită efectului de adsorbție . În ambele cazuri, cauza reținerii este forța de atracție pe care particulele solide ale solului o exercită asupra apei.

Din punct de vedere fiziologic, este recomandabil să se distingă apa capilară în două fracții, respectiv numite disponibile (sau asimilabile ) și indisponibile (sau nu asimilabile ). Prima fracție este în general conținută în cei mai mari micropori, cu un diametru cuprins între 0,2 și 8 µm, a doua în microporii mai fini, unde tensiunea matricei devine mai intensă. Această distincție este de o importanță fundamentală din punct de vedere practic, deoarece majoritatea plantelor nu sunt capabile să absoarbă apa indisponibilă. Tensiunea medie cu care este reținută apa indisponibilă este mai mare decât o valoare limită de -3 ÷ -5 MPa ^[3] , cu toate acestea această valoare critică variază de la specie la specie.

Apă higroscopică

Apa higroscopică este fracția reprezentată de un voal lichid subțire care învelește particulele solide ale solului și este o expresie a interacțiunilor de suprafață care apar între apă și particulele hidrofile. Natura acestor interacțiuni este electrostatică, astfel încât intensitatea lor este legată de distanța dintre moleculele de apă și densitatea electrică a particulei de suprafață. Din punct de vedere fizico-chimic este deci apă adsorbită și legile care reglementează dinamica acesteia sunt cele referitoare la sistemele coloidale.

Ca toate procesele de suprafață, retenția apei prin adsorbție este semnificativă atunci când particulele solide au dimensiuni coloidale (mai puțin de 1 µm). În general, apa higroscopică formează un voal lichid cu o grosime de ordinul a 15-20 molecule; straturile exterioare sunt cele supuse unei tensiuni mai mici. În medie, tensiunea exercitată asupra apei higroscopice variază de la -5 ÷ -10 MPa până la valori maxime de ordinul -100 ÷ -1000 MPa.

Conținutul în apă higroscopică depinde nu numai de caracteristicile intrinseci ale matricei solide a solului, ci și de umiditatea relativă a aerului. Deoarece acest lucru crește de-a lungul profilului solului, având tendința de până la 100% adâncime, rezultă că într-o stare de echilibru straturile de suprafață ale solului au un conținut de apă higroscopic mai mic decât cel al straturilor profunde.

Geometria interfeței apă-aer

Interfața de separare între apa capilară și aerul de la sol este reprezentată de un menisc cu concavitate orientată spre aer, o conformație care, în fenomenele de capilaritate , este tipică lichidelor umede. Curbura este legată de tensiunea matricei: cu cât tensiunea este mai intensă, cu atât curbura meniscului este mai mare.

Îndepărtarea apei de către plante determină o creștere a tensiunii matricei care se manifestă cu o creștere a curburii. Dinamica de așezare a meniscurilor pe măsură ce tensiunea matricei variază este imediată și continuă.

Când raza de curbură a meniscului este egală cu raza microporului, se stabilește o situație instabilă de echilibru : îndepărtarea ulterioară a apei determină o golire bruscă a microporului, iar apa reziduală se va așeza în microporii cu diametru mai mic cu una nouă situație de echilibru; cu alte cuvinte, o cantitate mai mică de apă va rămâne în porțiunea de teren considerată, reținută de microporii mai mici, cu o curbură mai puțin intensă a interfeței apă-aer.

Luând în considerare porțiuni mici de sol și intervale de timp relativ lungi, procesul de absorbție a rădăcinilor se manifestă într-un mod discontinuu: cu alte cuvinte, pe măsură ce absorbția are loc, scăderea apei este intercalată cu momente în care o parte a microporilor sunt golite. brusc și apa reziduală se instalează cu o nouă luxație spațială. Deoarece solul nu este un sistem omogen, macroscopic (adică luând în considerare porțiuni foarte mari de sol) fenomenul absorbției radiculare se manifestă ca un proces continuu cu o creștere progresivă a intensității tensiunii medii a matricei.

Potențial matricial

Același subiect în detaliu: potențialul apei .

Potențialul matricial este definit ca lucrarea care se face pentru a aduce un volum infinitesimal de apă dintr-un rezervor de apă liberă în punctul considerat al solului. Pentru ca acest parametru să nu fie condiționat de alți factori, definiția se aplică în condiții standard:

1. sistemul de referință este izolat termodinamic (proces reversibil);
2. transportul are loc în condiții standard de temperatură și presiune ;
3. apa din rezervorul de referință și cea din sol au aceeași concentrație salină ;
4. apa rezervorului de referință și cea a solului sunt situate la aceeași altitudine.

Cu alte cuvinte, potențialul matricei exprimă energia potențială acumulată în apă în virtutea tensiunii matricei. Deoarece tensiunea matricei are o valoare negativă, rezultă că potențialul matricei este negativ, deci pentru a scădea apa este necesar să faceți o cheltuială de energie.

Potențialul matricial se referă la unitatea de volum a apei; sub aspectul dimensional , potențialul matricei este echivalent cu o presiune, prin urmare este măsurat în bare , atmosfere sau, în sistemul internațional , în megapascali (MPa).

Potențialul matricei este doar o componentă aditivă a potențialului apei , deoarece alte forțe pot fi exercitate asupra apei din sol. În condiții obișnuite, celelalte forțe implicate pot fi considerate neglijabile, iar potențialul de apă este aproximativ identificat în potențialul matricei. În solurile saline sau cu apă sălbatică , tensiunea osmotică joacă un rol considerabil, dacă nu predominant. În aceste cazuri, potențialul de apă este identificat în suma potențialului osmotic și a potențialului matricei. Deoarece ambele sunt întotdeauna negative, se poate deduce că potențialul de apă, în condiții de salinitate și nu complet saturat, are întotdeauna valori negative, mai mici decât potențialul de apă găsit în condiții similare, dar în absența salinității. Din punct de vedere practic, alte lucruri fiind egale, plantele depun un efort mai mare pentru a absorbi apa dintr-o soluție salmatică circulantă.

Notă

Bibliografie

• Luigi Giardini, General Agronomy , ed. A III-a, Bologna, Pàtron, 1986.
• Alda Belsito, și colab., Apa în sol , în chimia agricolă , Bologna, Zanichelli, 1988, pp. 313-331, ISBN 88-08-00790-1 .

Elemente conexe

• Constantele hidrologice ale solului
• Curba de retenție a apei
• Potențial de apă
• Puterea absorbantă a solului
• Proprietățile fizice ale solului
• Textura solului

Alte proiecte

• Wikiversitatea conține resurse privind lucrările agricole

Portalul agriculturii

Portalul de pedologie