Nuevos métodos experimentales para la obtención de los parámetros hidráulicos del suelo utilizados en modelos de simulación del movimiento de agua y la lixiviación de nitratos Fontanet, M1, G. Rodrigo1, G. Arbat2, J. Marsal3, F. Ferrer1 1

LabFerrer. c/Ferran Catòlic, 3. 25200 CERVERA (Lleida). [email protected] Departament d’Enginyeria Química, Agrària i Tecnologia Agroalimentària, Universitat de Girona. C/ de Maria Aurèlia Capmany, 61. 17071 Girona. 3 Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA), Area de Tecnologi , Centre IRTA Lleida, Avda Rovira Roure, 177. 25198 Lleida 2

Palabras clave: caracterización hidráulica, sistema HYPROP, sistema WP4C, funciones edafo-transferencia, método evaporimétrico, método presión de vapor Resumen En este trabajo se han caracterizado hidráulicamente un total de 16 muestras de suelo con dos metodologías diferentes. Por un lado se han empleado los sistemas de laboratorio HYPROP y WP4C que caracterizan la muestra a partir de datos experimentales; y por otro lado se han ensayado funciones de edafo-transferencia basadas en la granulometría de la muestra y el contenido en materia orgánica. Los valores de Capacidad de Campo (cc), Punto de Marchitez Permanente (pmp), Capacidad Retención de Agua Disponible (CRAD), Densidad Aparente (ap) y Porosidad () obtenidos con ambas metodologías se compararon, comprobando que existen diferencias significativas en los valores obtenidos. La obtención de datos lo más representativos posible de la muestra a caracterizar permitirá realizar simulaciones más ajustadas a la realidad. INTRODUCCIÓN En los sistemas agrícolas de regadío, la lixiviación de nitratos (LN) está estrechamente ligada al manejo del riego y la fertilización (Quemada et al., 2013). Los Modelos de Simulación (MS), como por ejemplo EU-Rotate_N, Hydrus-2D, CropSyst, o LEACHM, son una herramienta muy potente para complementar los ensayos de campo, validar las regulaciones establecidas en zonas vulnerables y analizar diferentes escenarios u estrategias de suelo-clima-cultivo-manejo (Lidón et al., 2011). En general, muchos de estos MS incluyen una sub-rutina que modeliza los procesos relacionados con el movimiento de agua en el perfil del suelo, como: infiltración, redistribución y drenaje, evaporación y absorción radicular, entre otros. Los principales parámetros utilizados son: Densidad aparente (γa), Contenido volumétrico de Humedad a Capacidad de Campo (θcc) y a Punto de Marchitez permanente (θpmp). Los resultados de las simulaciones (ej.: volumen de drenaje) acostumbran a ser muy sensibles a los valores de estos parámetros hidráulicos que caracterizan el suelo. Los parámetros anteriores sirven para generar la Curva de Retención de Humedad (CHR) y la de Conductividad Hidráulica (CCH). La CHR es la relación entre el contenido volumétrico de humedad (θ) y el potencial mátrico (ψ) y la CCH es la relación entre la conductividad hidráulica (k) y el ψ. Hay diversos procedimientos que permiten medir o estimar los parámetros hidráulicos de un suelo, están las funciones de edafo-transferencia, previa medida directa de

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θ, ψ y k; y los métodos de laboratorio, para obtener θcc y θpmp, como habituales las placas de presión. En los últimos años, han empezado a comercializarse un conjunto de equipos y programas que combinan el método evaporimétrico (HYPROP) y el de presión de vapor (WP4C) para obtener ambas curvas, CRH y CCH, con una alta resolución y partiendo de muestras no alteradas. Con HYPROP, se puede obtener además la porosidad, la densidad aparente seca y el contenido volumétrico saturado de la muestra. Cada sistema tiene un intervalo de actuación distinto, HYPROP tiene un intervalo de succión de 0 a -85 KPa (muestra húmeda e inalterada), mientras que el WP4C tiene un intervalo de actuación de 0,1MPa a -300 MPa (muestra seca y alterada). El programa HYPROP FIT (Peters y Durner, 2006) permite ajustar los datos experimentales obtenidos con HYPROP y WP4C a diversos modelos matemáticos. En el presente trabajo se compara los parámetros obtenidos mediante la ayuda de una función de edafo-transferencia y mediante el método HYPROP-WP4C en distintas muestras de suelo. MATERIAL Y MÉTODOS Se procesaron un total de 16 muestras de suelo no alteradas, correspondientes a distintas localidades y horizontes, hasta una profundidad máxima de 1,6m. Sistema HYPROP, WP4C y Ajuste de Modelos (HYPROP Fit) Cada una de las muestras se recogió con la ayuda de un anillo de acero inoxidable que tenía un volumen de 250 cm3, como describen Sheppard et al., 1993, y a continuación, en laboratorio las muestras se llevaron a saturación por capilaridad. Tras saturación, la muestra se procesaron en el sistema HYPROP (UMS, Munich, Alemania) Para los ensayos con el sistema WP4C (Decagon Devices, Pullman, WA, USA) las muestras se tamizaron y humectaron en distinto grado (Campbell et al., 2007). WP4C proporcionó medidas puntuales de la suma del potencial mátrico y osmótico. Los datos fueron procesados con el programa HYPROP FIT (versión 2.0). Función de edafo-transferencia Las muestras se procesaron para obtener los datos texturales USDA y el contenido en materia orgánica (Walkley y Black, 1934). Para caracterizar las muestras a partir de funciones de edafo-transferencia, se empleó el modelo de Saxton et al. (2006). También se utilizó el programa Soil Water Characteristics (versión 6.02.74) basado en el modelo de Saxton et al. (2006) para obtener los datos hidráulicos. Los datos obtenidos fueron cc pmp,, , ap. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Tabla 1 se muestran los valores de cc, pmp, CRAD, , ap de cada una de las muestras caracterizadas. Los valores se han obtenido con funciones de edafo-transferencia con el modelo Saxton et al., 2006. Por último en la Tabla 2 se recogen los valores de cc, pmp, CRAD, , ap de cada una de las muestras obtenidos con los sistemas HYPROP y WP4C. Los datos experimentales fueron ajustados con van Genuchten bimodal (Durner, 1994). Todos los datos experimentales correspondientes a la CRH y a CCH mostraron el mejor ajuste con los modelos de van Genuchten bimodal (Durner, 2004) y Peters-Durner II (Peters and Durner, 2008), respectivamente. En la Figura 1 aparecen las CRH y CCH de una de las muestras procesadas de textura franca.

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La Tabla 3 recoge las diferencias observadas, en valor absoluto, entre los parámetros hidráulicos experimentales y los valores obtenidos a partir de la función de edafotransferencia de Saxton et al. (2006) texturales. En algunos casos las diferencias en los valores de cc es de 10 cm3/cm3 mientras que en pmp es de 8,3 cm3/cm3. Las diferencias mayores aparecen en los valores de , siendo la diferencia máxima de hasta un 18,1%. En la parte inferior se recogen los valores de cc, pmp, CRAD,  en los que la diferencia entre los parámetros hidráulicos experimentales y de edafo-transferencia, superan los 2 cm3/cm3 de contenido en agua. Esta proporción corresponde al 43,75% en cc, 68,75% en pmp, 56,25% en la CRAD y 87,5% en la . En el caso de los valores de ap en el 56,25% de las muestras se han observado diferencias superiores a 0,1 gr/cm3 entre los parámetros hidráulicos experimentales y de edafo-transferencia. En este estudio se han determinado los parámetros hidráulicos de 16 muestras con el sistema HYPROP y WP4C y con funciones de edafo-transferencia. Se ha comprobado que los parámetros de ambos sistemas difieren. Las funciones de edafo-transferencia no tienen en cuenta la estructura ni la mineralogía del suelo. Los valores experimentales de los sistemas HYPROP y WP4C, tienen en cuenta la estructura de la muestra, que está inalterada durante el ensayo, su mineralogía Los resultados muestran la necesidad de realizar estudios de sensibilidad/validación en cada caracterización. Ya que si los parámetros hidráulicos de la caracterización no son precisos, las posibles simulaciones que podamos generar no se ajustarán a los procesos reales. Agradecimientos A JM Villar de la Universitat de Lleida, Pere Muñoz del IRTA, Francisco Fonseca de AKIS International, Antoni Baltiérrez y Jordi Doltra del CIFAL Referencias Campbell, G.S., Smith, D.M. and Teare, B.L. 2007. Application of a dew point method to obtain the soil water characteristic. Experimental Unsaturated Soil Mechanics. Durner, W. 1994. Hydraulic conductivity estimation for soils with heterogeneous pore structure. Water Resour Res 30:211-223. Durner 2004: Prozesserfassung, Parameterbestimmung und Modellierung des Wasser- und Stofftransports in der ungesättigten Bodenzone., Statusseminar der DFG-Forschergruppe "Gefährdungspotential von Abwasser aus undichten Kanälen für Boden und Grundwasser", 2./3. Lidón, A., Lado, L., Berbegall, F. y Ramos, C. 2011. Influencia de la calibración de los parámetros hidráulicos del modelo EU-ROTATE_N en el balance de N en un cultivo de col china. Acta de Horticultura 61: 45-51. Quemada, M., Baranski, M., Nobel-de-Lange, M.N.J., Vallejo, A. and Cooper, J.M. 2013. Meta-analysis of strategies to control nitrate leaching in irrigated agricultural systems and their effects on crop yield. Agriculture, Ecosystems and Environment 174: 1-10. Peters, A. and Durner, W. 2006. Improved estimation of soil water retention characteristics from hydrostatic column experiments. Water Resour Res: 42, DOI:10.1029/2006WR004952 Peters, A. and Durner, W. 2008. Simplified evaporation method for determining soil hydraulic properties. J Hydrol, 356 (2008), pp. 147–162

 

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Saxton, K. E and Rawls, W. J. 2006. Soil Water Characteristic Estimates by Texture and Organic Matter for Hydrologic Solutions. Sheppard, S.C., Evenden, W.G. and Amiro, B.D. 1993. Investigation of the soil-to-plant pathway for I, Br, Cl and F. J. Environ. Radioact. 21, 9–32 Walkley, A. and Black, I.A. 1934. An examination of the Degtjareff method for determining organic carbon in soils: Effect of variations in digestion conditions and of inorganic soil constituents. Soil Sci. 63:251-263 Tabla 1. Valores de cc, pmp, CRAD, , ap, estimados a partir de la función de edafotransferencia de Saxton et al. (2006).

Al_0378

cc a -33 KPa (cm3/cm3) 33,2

Rm_0383

30,9

Nombre suelo

pmp a -1500 Kpa CRAD (cm3/cm3 (cm3/cm3) 14,7 18,5 14,2

 (%)

ap (gr/cm3

53,1

1,35

16,7

51,9

1,42

Al_0377

33

14

19

52,7

1,37

Rm_0381

30,3

13,6

16,7

51,4

1,42

Rm_0388

31,2

13,1

18,1

51,5

1,41

Al_0385

29,1

13

16,1

50,5

1,42

Al_0386

30,8

12,8

18

51,1

1,42

Mb_0015

30,9

12,5

18,4

50,9

1,41

Rm_0382

29,6

12,3

17,3

50,2

1,42

Mb_0030

30,9

12

18,9

50,3

1,4

Al_0380

28,7

12,1

16,6

49,6

1,39

Al_0379

28,5

12,1

16,4

49,6

1,39

Al_0387

28,1

13,1

15

50,2

1,45

Mb_0045

31,3

11,2

20,1

48,9

1,41

Mb_0060

29,8

11,1

18,7

48,5

1,41

Rm_0384

25,9

10

15,9

45,9

1,42

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Tabla 2. Valores de cc, pmp, CRAD, , ap, estimados a partir del modelo van Genuchten bimodal (Durner, 1994).

Al_0378

cc a -33 Kpa (cm3/cm3) 33,3

Rm_0383

30,5

21

9,5

46

1,43

Al_0377

38,4

11,8

26,6

42

1,54

Rm_0381

27,7

5,3

22,4

43

1,52

Rm_0388

30,2

5,2

25

53

1,25

Al_0385

29,7

14,5

15,2

40

1,58

Nombre suelo

pmp a -1500 Kpa CRAD (cm3/cm3  (%) (cm3/cm3) 18,6 14,7 35

ap (gr/cm3) 1,73

Al_0386

32

17,1

14,9

42

1,55

Mb_0015

20,9

9,1

11,8

48

1,37

Rm_0382

26,8

4,8

22

45

1,46

Mb_0030

28,9

11,5

17,4

48

1,39

Al_0380

26

8,3

17,7

39

1,61

Al_0379

29,2

11,2

18

36

1,69

Al_0387

24,5

10,7

13,8

40

1,58

Mb_0045

32,2

11,8

20,4

44

1,48

Mb_0060

35,2

9,5

25,7

48

1,38

Rm_0384

27,1

12,9

14,2

43

1,5

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Tabla 3. Diferencias (en valor absoluto) entre los parámetros hidráulicos obtenidos con datos experimentales y con datos estimados a partir de Saxton et al. (2006). Nombre suelo

cc exp. –  text. (cm3/cm3)

pmp exp. – CRAD exp – CRAD  exp -  text ap exp – ap text. pmp text. text. (cm3/cm3) (%) (gr/cm3) 3 3 (cm /cm )

Al_0385

10

3,4

6,6

2,9

0,04

Rm_0384

5,4

2,2

7,6

10,7

0,17

Al_0387

5,4

1,6

7

0,5

0,03

Rm_0382

3,6

2,4

1,2

10,2

0,13

Mb_0060

2,8

7,5

4,7

5,2

0,04

Rm_0383

2,7

3,8

1,1

10,6

0,22

Rm_0381

2,6

8,3

5,7

8,4

0,1

Al_0386

2

0,5

1,5

2,3

0,01

Al_0380

1,2

4,3

3,1

9,1

0,13

Al_0378

1,2

2,9

1,7

2,9

0,08

Mb_0015

1

7,9

6,9

1,5

0,16

Mb_0030

0,9

0,6

0,3

4,9

0,07

Al_0379

0,7

0,9

1,6

13,6

0,3

Mb_0045

0,6

1,5

0,9

10,5

0,16

Al_0377

0,4

6,8

7,2

5,9

0,01

Rm_0388

0,1

3,9

3,8

18,1

0,38

Máx.

10

8,3

7,6

18,1

0,38

% (1)

43,75

68,75

56,25

87,5

56,25

(1) Estos valores corresponden al porcentaje de muestras que superan la diferencia de 2 cm3/cm3 de agua en los parámetros hidráulicos de cc, pmp, CRAD, . Mientras que en la ap se ha indicado el porcentaje de muestras que superan la diferencia de 0,1 gr/cm3.

A

B

Fig 1. Representación de las CRH (A) y CCH (B) de la muestra Rm_0383 (clasificación textural USDA= Franca) generadas con el sistema HYPROP y ajustadas con el programa HYPROP Fit.

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