LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA -CE- Y LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA A GRANEL -CEG- DEL SUELO COMO BASE PARA LA MEDICION DE LA HUMEDAD DEL SUELO.

Por: Felipe Calderón Sáenz
Dr. Calderón Asistencia Técnica Agrícola Ltda.,
Octubre 29 de 2002
Rev. 10 de Mayo de 2005
www.drcalderonlabs.com

Avda. 13 No. 87-81
Bogotá D.C., Colombia S.A.

acaldero@cable.net.co

DEFINICIONES

La conductividad eléctrica de un medio, se define como la capacidad que tienen el medio (que por lo general contiene las sales inorgánicas en solución o electrolitos) para conducir la corriente electrica. El agua pura, practicamente no conduce la corriente, sin embargo el agua con sales disueltas conduce la corriente eléctrica. Los iones cargados positiva y negativamente son los que conducen la corriente, y la cantidad conducida dependerá del número de iones presentes y de su movilidad. En la mayoría de las soluciones acuosas, entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayor será la conductividad.

Valores de conductividad de algunas muestras típicas  
Conductividad a 25°C
Agua Ultra-pura
0.05 µS/cm
Agua de alimentación a calderas
1 a 5 µS/cm
Agua potable
50 a 100 µS/cm
Solución de Suelo
0.5 - 2.5 mS/cm
Agua de mar
53.0 mS/cm
5 % NaOH
223.0 mS/cm

PRINCIPIOS

La conductividad eléctrica es el recíproco de la resistencia a-c en ohms, medida entre las caras opuestas de un cubo de 1.0 cm de una solución acuosa a una temperatura especificada. Esta solución se comporta como un conductor eléctrico donde se pueden aplicar las leyes físicas de la resistencia eléctrica. Las unidades de la conductividad eléctrica son el Siemens/cm (las unidades antiguas, erán los mhos/cm que son numéricamente equivalentes al S/cm ). En la práctica no se mide la conductividad entre electrodos de 1 cm3 sino con electrodos de diferente tamaño, rectangulares, cilíndricos o de diversa forma, por lo cual, al hacer la medición, en lugar de la conductividad, se mide la conductancia, (It/Vt), la cual al ser multiplicada por una constante (k) de cada celda en particular, se transforma en la conductividad en S/cm.

DEDUCCCION DE LAS FORMULAS

Sean:

dA = Diferencial de Área.
Lx = Camino o ruta de cada filamento de Corriente Eléctrica.
Rx = Resistencia Eléctrica de cada ruta.
Rt = Resistencia global de todas las rutas.
r = Resistividad del Material
C.E. = Conductividad del material
It = Conducción; Intensidad total de corriente que pasa de una placa a la otra.
Vt = Diferencia de Potencial entre las placas.
It/Vt = Conductancia, la cual es el inverso de la Resistencia o sea 1/Rt

(1)

(2)

De donde:

(3)

(4)

Por definición

(5)

entonces:

(6)

En esta ultima ecuación, It es la Conducción electrica, It/Vt es la Concductancia y la ecuación completa es la Conductividad. El ultimo término de la ecuación se denomina Constante de Celda y depende únicamente de la geometría de la celda y del espacio circundante. Cuando hay alguna pared o barrera que interrumpa el paso de la corriente por el espacio circundante, esta afectará también la Constante de Celda. Las unidades de la Constante de Celda son usualmente cm-1. En general, mientras mas separados se encuentren los electrodos, menor será el guarismo de la constante de celda.

DE LA TEORIA A LA PRACTICA

En la práctica, la conductividad eléctrica de una solución se mide mediante el uso de una coriente alterna (AC) con el fin de evitar los efectos de la polarización. Cuando se usa una corriente continua (DC) los iones vecinos al electrodo emigran hacia este, produciendo un empobrecimiento de electrolitos en el medio. Esto hace que la conductividad se altere como consecuencia de la variación en la concentración. Este fenómeno se llama polarización de los electrodos y hace imposible medir la conductividad por medio de corriente DC. Por tal motivo los conductivímetros utilizan una corriente AC, cuya frecuencia varía desde 60 Hz hasta 3000 Hz. En la práctica se recomienda utilizar una corriente alterna con una frecuencia alrededor de 1000 Hz. La forma de señal mas utilizada es la onda cuadrada aunque la eficiencia de esta es mas baja que la onda sinusoidal y mas suceptible a interferencias y/o ruido.

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA DE UN SUELO

Cuando se habla de Conductividad Eléctrica de un suelo, usualmente se hace referencia a la Conductividad Eléctrica de su extracto de saturación. Y la Conductividad Eléctrica, como tal, es determinada en un medio líquido. Se supone, aunque esto aun no ha sido demostrado, que dicha conductividad corresponde a la Conductividad Eléctrica del líquido intersticial del suelo. Esta ultima aseveración adolece de una falla. Para determinar la Conductividad Eléctrica de un Suelo es necesario agregarle mas agua y esta ultima contribuye a diluir el contenido de sales de la solución intersticial, rebajando su conductividad original.

Los principales tipos de extractos o sistemas que se utilizan para medir la conductividad son los siguientes:

Extracto de Saturación, E.Sat : El que se le extrae a la Pasta Saturada: Este es el extracto de referencia.
Extracto 1:1 (1 de Suelo: 1 de Agua)
Extracto 1:2 (1 de Suelo: 2 de Agua)
Extracto 1:5 (1 de Suelo: 5 de Agua)
Extracto de Equilibrio a Capacidad de Campo, EECC : Tal como se describe en http://www.drcalderonlabs.com/Aparatos/Lixiviometro/Lixiviometro.htm
Extracto obtenido mediante el uso de Sonda de Succión.
Extracto obtenido en Lisímetros o drenajesde Camas Hidropónicas.
Solución Intersticial (Medida directamente mediante el sistema "Sigma Probe" sin obtención de Extracto). Este sistema puede verse en: http://www.sowacs.com/feature/deltat/sigmaprobe.html

En cada uno de estos extractos se obtiene un valor diferente. Algunos de estos valores son parecidos entre sí y otros son diferentes. La interpretación de estos guarismos debe realizarse cuidadosamente, teniendo en cuenta el significado de cada uno de ellos.

Independientemente del método de extracción, la Conductividad Eléctrica hasta aquí mencionada se lee siempre en un medio líquido, por medio de un electrodo apropiado. El valor obtenido suele ser menor a medida que se incrementa el nivel de dilución.

El valor de la Conductividad Eléctrica en el Extracto de Equilibrio a Capacidad de Campo puede ser mayor o menor que el del extracto de saturación, dependiendo de que tan saturado de sales está el ineriror de los terrones del suelo. Este tipo de extracto al igual que el obtenido mediante el uso de sondas de succión tiende a reflejar mas el contenido de sales externo a los terrones del suelo mientras que el extracto de saturación incorpora, promedia y homogeniza la totalidad del suelo. Algunas veces a mayor valor y otras veces a menor valor. Cuando un suelo es "nuevo" y se empieza a fertilizar, el interior de los terrones, siempre es mas pobre en nutrientes y por ende mas baja su conductividad que la de la solución nutritiva que se esta aplicando. Con el paso del tiempo, el suelo se va saturando de nutrientes y el interior de los terrones empieza a ser mas rico que el exterior. Estas diferencias hacen que la interpretación de un extracto de Saturación a Capacidad de campo deba ser realizada cuidadosamente teniendo en cuenta estos factores.

CONCEPTO DE SOLUCION INTERSTICIAL

Cuando hablamos de la solución Intersticial del suelo, nos referimos a cualquier solución presente en el suelo, es decir, agua mas solutos disueltos en el espacio intersticial del suelo. En términos generales, esta solución se comporta de la misma manera que el agua en el suelo y por tal motivo, debemos tener en cuenta las diferentes clases de agua retenida en el suelo.

Agua gravitacional. No está retenida en el suelo. Se habla de agua gravitacional de flujo lento y agua gravitacional de flujo rápido en función de su velocidad de circulación.
De flujo rápido. La que circula por poros mayores de 30 micras. Es un agua que no queda retenida en el suelo y es eliminada al subsuelo, pudiendo alcanzar el nivel freático. Es un agua inútil, ya que cuando está presente en el suelo los poros se encuentran totalmente saturados de agua, el medio es asfixiante y las raíces de las plantas no la pueden tomar.
De flujo lento
. La que circula por poros comprendidos entre 8 y 30 micras de diámetro, se admite que está retenida a un pF que varia desde 3 a un valor que varia entre 1,8 y 2,5. Tarda de 10 a 30 días en atravesar el suelo y en esos días es utilizable por las plantas.
Agua capilar. Contenida en los tubos capilares del suelo. Dentro de ella distinguimos el agua capilar absorbible y la no absorbible.
i) Agua capilar absorbible. Es la que se encuentra en tubos capilares de 0.2-8 micras. Es un agua absorbible por las plantas. Es un agua útil para la vegetación, constituye la reserva durante los períodos secos. Está fuertemente absorbida; la fuerza de retención varia de 1 a 15 atmósferas.
ii) Agua capilar no absorbible. Se introduce en los tubos capilares más pequeños <0.2 micras. Está muy fuertemente retenida y no es absorbible por las plantas; la fuerza de succión es de 15 a 31 atmósferas.
Estas dos ultimas categorías corresponden aparentemente a las que algunos autores denominan como:
Agua Funicular: Agua presente en los mayores poros que rodea las partículas del suelo formando, en los puntos de contacto con dichas partículas, anillos que se fusionan entre ellos.
Agua Pendular: Película de agua que rodea las partículas sólidas en sus puntos de contacto, formando anillos aislados.
Agua higroscópica. Absorbida directamente de la humedad atmosférica, forma una fina película que recubre a las partículas del suelo. No está sometida a movimiento, no es asimilable por las plantas (no absorbible). Está fuertemente retenida a fuerzas superiores a 31 atmósferas.

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA A GRANEL DEL SUELO (CEG)

Hasta aquí hemos hablado de la Conductividad Eléctrica del suelo medida en algun tipo de extracto líquido. Ahora vamos a hablar de la Conductividad Eléctrica medida directamente en el suelo, considerado este, como un medio poroso parcialmente saturado con agua y con algun contenido de sales disueltas. Esta, es la Conductividad que se denomina Conductividad Electrica a Granel (Bulk Conductivity), en lo sucesivo C.E.G.

La ecuación que define la CEG, es exactamentela misma que define la CE general de cualquier medio. En este caso el medio es directamente el suelo. Como la conducción electrica de un suelo se realiza a traves de la fase líquida ya que los poros llenos de aire no conducen la corriente electrica, entonces la conducción dependerá del volumen de los poros llenos de fase líquida. A medida que se agota la fase líquida se hacen menores los caminos por donde puede ser conducida la corriente eléctrica, entonces la conducción dependerá del contenido de humedad del suelo. La siguiente grafica ilustra esta relación.

Por otro lado, mientras mas conductiva sea la fase líquida, mayor sera la Conductividad Granel del suelo. Para un cierto contenido de humedad, la conductividad granel dependerá delcontenido de sales en la solución intersticial.

Adicionalmente a lo anteiror, es sabido que la Conductividad Eláctrica de cualquier medio aumenta con la temperatura. Esto es debido a la mayor movilidad iónica. Este efecto puede verse en la gráfica siguiente:

Este efecto sin embargo es menor que el efecto de la humedad. Como puede verse en las anteriores gráficas, la variación de la Conductividad entre 10 y 20 % de Humedad, es casi del 300 %, mientras que la variación de la Conductividad cuando la temperatura del suelo varía entre 10 °C y 20 °C es tan solo del 40 %. Usualmente la diferencia entre la T. máxima y la T. mínima a 10 cm de profundidad es inferior a 10 °C. http://www.sws.uiuc.edu/warm , http://climate.umn.edu/

De lo anterior se desprende que la CEG es una medida que depende fundamentalmente del contenido de humedad del suelo y del contenido de sales disueltas en dicha humedad. También depende secundariamente de otros factores tales como Temperatura, tipo de suelo, cantidad y clase de arcillas, porcentaje de saturación de bases del complejo de cambio etc.

De los anteriores factores, los únicos que varian en el corto plazo son la Humedad y la Conductividad de la Solución Intersticial, permaneciendo los demás relativamente constantes.

En la mayoría de los cultivos intensivos, el proceso de disminución de humedad del suelo o sustrato, se debe a la absorción activa de agua por las raices de las plantas y concomitantemente de iones disueltos, así que la conductividad de la solución intersticial no varía demasiado durante este proceso.

Cuando la Conductividad de la solución intersticial se hace permanecer lo mas constante posible, como es el caso de los cultivos tecnificados, en los cuales se controla dicha conductividad mediante el uso de sondas de succión, la CEG se convierte en un parámetro que en el corto plazo solamente depende de la Humedad, así que:

CEG = Ks x f (% volumétrico de Humedad) x f (C.E. Intersticial) x Kc

en donde:

Kc = Constante de celda.
Ks = Constante que depende del tipo de suelo o sustrato.
C.E. Intersticial = Aproximadamente Constante.

En la anterior ecuación, el término Ks x f (% volumétrico de Humedad) x f (C.E. Intersticial) es la Conductancia del Suelo comprendido entre los electrodos de medida y es igual a It/Vt.

Esta es la ecuación base de algunos trabajos que se vienen realizando para la medición de la humedad en cultivos Hidropónicos así como en cultivos en suelo.

APLICACION PRACTICA

La aplicación práctica de este principio radica en que de una manera económica, sensible, práctica y efectiva podemos medir la humedad del sustrato y tomar decisiones de riego. Esto permite obtener grandes economías de agua y nutrientes a la vez que permite lograr un óptimo ambiente radicular desde el punto de vista de humedad y aireación.Así se viene haciendo en algunas fincas dedicadas al cultivo de Flores de corte en la Sabana de Bogotá, de las cuales hemos tomado como ejemplo el seguimiento a la humedad realizado mediante un sensor de CEG, instalado en la Finca Elite Flowers, el mes de Diciembre de 2002. La línea Roja indica el Umbral Inferior de Riego y la línea Verde el Umbral superior de Humedad.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece la colaboración prestada por los Ingenieros Francisco Osorio y Gustavo Sánchez.

REFERENCIAS

1. Why measure Soil Resistivity...? AEMC Instruments. Chauvin Arnoux Inc. d.b.a. AEMC Instruments; www.aemec.com ; 08/02.

2. Medición de la Humedad en Cultivos Hidropónicos de Maíz; F. Calderón; Abril, 2000.

3. Seguimiento a sensores de Humedad Finca Ipanema; F. Calderón; Dr. Calderón Laboratorios Ltda. Avda. 13 No. 87-81 Bogotá D.C., Colombia S.A.; Septiembre, 2000.

4. Control de humedad en cultivos de clavel mediante el uso de Sensores Eléctricos; F. Calderón; Dr. Calderón Laboratorios Ltda. Avda. 13 No. 87-81 Bogotá D.C., Colombia S.A. Reporte a Julio 31 de 2001.

5. Evaluación de diferentes métodos para determinar la Humedad del sustrato en un cultivo Hidropónico de Clavel en la sabana de Bogotá (Finca Guacarí) mediante la utilización de tres sistemas de medicion y cinco susbsitemas de riego. F. Calderón y col. Dpto. Técnico Dr. Calderon Laboratorios Ltda. Octubre 10, 2002.

FIN Dr. Calderon Labs.