Evaluación de un equipo de reflectometría de dominio temporal (TDR) para registros de humedad en un suelo franco

Evaluation of an equipment of time domain reflectometry (TDR) for moisture registration in a loam soil

J. Murillo, R. Villafañe¹, C. Basso y A. Trujillo

¹Autor de correspondencia e-mail: vr1905@cantv.net Universidad Central de Venezuela, Venezuela

Resumen

La técnica de la reflectometría de dominio temporal (TDR) está siendo usada para registros de humedad en el suelo, pero la calibración del fabricante no necesariamente se ajusta a cada condición específica de suelo. Por eso se hace necesario evaluar el equipo en cada suelo donde se prevea su uso. En este estudio, se realizó una evaluación para un amplio rango de humedad, en un suelo franco fertirrigado, ubicado en el campo experimental de la Facultad de Agronomía de la Universidad Central de Venezuela, comparando el contenido volumétrico de agua obtenida con TDR con el contenido de humedad determinado a partir de muestras de suelo tomadas a dos profundidades: 0-10 cm y 0-20 cm. Los análisis de correlación permitieron comprobar la existencia de una estrecha relación entre las medidas suministradas por el equipo y los valores de humedad obtenidos en las muestras de suelo (r = 0,88 y 0,95 para las profundidades de 0-10 cm y 0-20 cm; respectivamente). Por otra parte, las ecuaciones de predicción de la regresión (R² ajustado = 77,6% y 90,5% para las profundidades consideradas) mostraron que las lecturas del equipo superan los valores obtenidos en las muestras de suelo; para la profundidad de 0-10 cm los porcentajes promedios entre las lecturas del equipo y las determinaciones en muestras variaron entre 140% y 148%, y para la profundidad de 0-20 cm entre 164% y 170%, corroborando la conveniencia de la calibración.

Palabras clave: Reflectometría de dominio temporal (TDR), contenido de humedad del suelo, calibración.

Abstract

The technique of time domain reflectometry (TDR) is being used to monitor soil water content, but manufacturer's calibration does not necessarily agree with each specific soil condition. Therefore, it is important to assess the probe in each soil where its use be planned. In this study, an evaluation was carried out for a wide range of moisture content, in a fertirrigated loam soil located at the experimental field at the School of Agronomy in Maracay, Venezuela, comparing the volumetric water content (VWC) obtained by TDR with the VWC determined in soil samples taken depth 10 cm and 20 cm below the soil surface. It was found a strong lineal correlation between VWC measured in samples and VWC obtained by TDR probe (r = 0.88 for depth 10 cm and 0.95 for depth 20 cm; respectively). Otherwise, regression equations (R² adjusted = 77.6% for depth 10 cm and 90.5% for depth 20 cm) showed that TDR must overestimate soil water content; its lectures were higher (140-148% in top 10 cm and 164-170% in top 20 cm) than those were measured in soil samples, making it clear calibration is necessary.

Key words: Time Domain Reflectometry (TDR), soil water content, calibration.

Recibido el 2-3-2006 Aceptado el 24-3-2008

Introducción

El reflectómetro de dominio temporal (TDR) ha demostrado ser un equipo confiable para medir el contenido volumétrico del agua del suelo (q_V), porque se ha encontrado una buena relación entre q_V y la constante dieléctrica aparente medida por el aparato (Ka), en un amplio rango de textura y porosidad del suelo (Jones et al., 2002; Toop et al., 1980). En las evaluaciones del mismo la relación empírica entre ambas variables resultó ser un polinomio de tercer grado, para valores de q_V £ 0,6:

θ_V = 5,3 x 10^-2 + 2,92 x 10^-2 K_a 5,5 x 10^-4 K_a² + 4,3 x 10^-6 K_a³

También se ha reportado que la relación q_V-Ka antes descrita se cumple para suelos no salinos y de textura media a gruesa (Torres et al., 2006). Otros estudios han señalado la conveniencia de asegurar que las mediciones que suministre el equipo se correspondan con los contenidos de humedad existentes en el suelo, ya que la calibración de manufactura no necesariamente se ajusta a los sitios específicos de utilización del mismo (Akhwale et al., 2006; Chandler et al., 2004; García e Santos 1996; Serrarens et al., 2000; Zegelin et al., 1992).

Con el propósito de corroborar la necesidad de calibración reportada por varios investigadores, el Field Scout TDR 300, marca Spectrum Technologies, adquirido para registros de humedad en un ensayo de fertirrigación en lechosa fue evaluado para asegurar la confiabilidad de sus lecturas en el área del ensayo.

Materiales y métodos

La evaluación consistió en la comparación de las lecturas del equipo con los valores de humedad volumétrica calculados a partir de la humedad gravimétrica y la densidad aparente, en un ensayo de fertirrigación localizado en el campo experimental de la Facultad de Agronomía de la Universidad Central de Venezuela, sobre un suelo Fluventic Haplustolls, francosa gruesa, mixta, Isohipertérmica (Torres et al., 2006), coordenadas geográficas 10º 17' 03" de Latitud Norte y 67º 36' 16" de Longitud Oeste, a una altitud de 454 msnm.

Los sitios de muestreo se ubicaron en el campo a partir de diez registros previos obtenidos con el TDR en 144 puntos regularmente distribuidos en toda el área del ensayo (2.264 m²). Dichos registros se obtuvieron después de una lluvia y antes y después de un fertirriego. A cada uno de los registros se le calculó la media y la desviación estándar. Con estos estadísticos se clasificaron los datos en tres categorías: los superiores a la media más la desviación (más húmedos), los inferiores a la media menos la desviación (menos húmedos) y los comprendidos entre la media más la desviación y la media menos la desviación (intermedios). De cada categoría se seleccionaron diez puntos de muestreo, obteniendo así tres grupos de 10 puntos cada uno, asegurando un rango prudente de humedad que permitiera una comparación confiable.

En cada uno de los 30 puntos seleccionados se realizaron lecturas con el TDR, utilizando primero varillas de 12 cm y luego de 20 cm. Simultáneamente, se tomaron muestras de suelo con un toma muestra tipo Hoffer a las profundidades de 0-10 cm (estrato 1) y 10-20 cm (estrato 2), así como muestras no alteradas de suelo para la determinación de la densidad aparente, utilizando para ello un toma muestras tipo Uhland. Estas últimas se tomaron a las profundidades 2,5-7,5 cm y 12,5-17,5 cm; es decir un cilindro de 5 cm de largo en el estrato 1 y otro de igual longitud en el estrato 2. En las muestras alteradas se determinó la humedad gravimétrica y en las muestras no alteradas densidad aparente. La humedad volumétrica se obtuvo a partir de la humedad gravimétrica y la densidad aparente, utilizando la ecuación que relaciona el contenido gravimétrico del agua con la densidad específica aparente del suelo (Hillel, 1980):

θv = θg Da/Dw

donde:

θv = contenido volumétrico de agua (adimensional)

Da = densidad aparente del suelo (Mg m^-3)

Dw = densidad del agua (se asume igual a 1 Mg m^-3)

Da/Dw = densidad específica aparente (adimensional)

En los 30 puntos de muestreo se tomaron muestras adicionales para textura y chequeo de la salinidad, a ambas profundidades con un barreno tipo holandés, para precisar el grado de interferencia de las variaciones texturales en la humedad del suelo bajo estudio. Con los porcentajes de arena, limo y arcilla, obtenidos por sedimentación (Bouyoucos, 1962), se determinó el índice textural (Sillanpää, 1982):

IT = % A + 0,3 (% L) + 0,1 (% a)

donde:

IT= índice textural (adimen-sional)

% A = porcentaje de la fracción arcilla

% L = porcentaje de la fracción limo

% a = porcentaje de la fracción arena

Este índice, como expresión cuantitativa de la textura, permite considerar esta propiedad física en la estadística paramétrica.

Los valores de humedad volumétrica obtenidos con el TDR para los primeros 12 cm de suelo se compararon con los valores de humedad volumétrica calculados para los primeros 10 cm, y los obtenidos con el TDR para los 20 cm se compararon con los valores promedios de humedad calculados para ambos estratos. La humedad volumétrica no se determinó directamente en los cilindros tomados con el Uhland porque el espesor muestreado con él sólo cubría 5 cm. Por ello, el cilindro de suelo tomado para la profundidad 0-10 se capturó en la profundidad 2,5-7,5 cm y el tomado para profundidad 10-20cm se capturó en la profundidad 12,5-17,5 cm, mientras con el muestreador Hoffer se tomaron 10 cm completos en cada estrato.

Posteriormente se realizaron análisis de correlación y regresión entre los valores de humedad volumétrica calculados y los valores de humedad volumétrica obtenidos con el TDR para evaluar el grado y tipo de asociación entre estas dos variables.

Complementariamente se realizaron análisis de varianza y pruebas de media de rango múltiple de Tukey a las variables humedad gravimétrica, índice textural y densidad aparente en ambos estratos, y análisis de correlación y regresión entre las variables humedad gravimétrica e índice textural, y entre las variables densidad aparente y humedad gravimétrica, para obtener alguna explicación sobre las diferencias de humedad entre los tres grupos de muestras.

Resultados y discusión

Relación humedad volumétrica calculada-humedad volumétrica TDR

Los valores de salinidad obtenidos en los extractos de la pasta saturada resultaron inferiores 0,2 dS m^-1 en ambos estratos, lo que descarta la interferencia de la salinidad en las lecturas del aparato. En las figuras 1 y 2 se ilustra la relación entre la humedad volumétrica calculada y la humedad volumétrica arrojada por el TDR. La relación entre ambas mediciones resultó lineal, pero los valores obtenidos con el TDR resultaron superiores a los valores de humedad calculados con el producto humedad gravimétrica por densidad específica aparente. El análisis de correlación mostró asociación entre estas variables, de acuerdo con los valores de r de Pearson obtenidos: r_{(0-10 cm)} = 0,88 y r_{(0-20 cm)} = 0,95 (P<0,0001 en ambos casos). Las ecuaciones de predicción arrojadas por el análisis de regresión resultaron con valores de R² ajustado altos para ambas profundidades. La mayor dispersión observada en la profundidad 0-10 cm pudo obedecer a que las varillas cortas del TDR registraron la humedad de 12 cm de espesor de suelo mientras el muestreo con el Hoffer cubrió los primeros 10 cm.

En las ecuaciones de regresión, el intercepto (término independiente de las ecuaciones de predicción) no tendió a cero y la pendiente de las rectas no tendió a uno, a pesar que ambas variables estaban expresadas de igual manera (contenido volumétrico, en porcentaje) y el rango de medición fue lo suficientemente amplio como se desprende de los valores ilustrados en las figuras 1 y 2. Si los resultados están indicando la necesidad de calibración, es posible que ésta tenga que ser implementada con frecuencia para evaluar la funcionalidad en el tiempo del equipo, aunque las mediciones se realicen siempre en el mismo suelo. Por otra parte, cuando se adquieran nuevas varillas porque las mismas se deterioran con el uso, será necesaria también una calibración ya que se desconoce la variabilidad originaria de fabricación. Todas estas interrogantes tendrán que ser evaluadas ya que la experiencia en el uso de estos equipos es escasa, particularmente en el país. Resultados similares han sido reportados por otros investigadores con otros equipos (Akhwale et al., 2006, Chandler et al., 2004).

Es oportuno señalar que aún cuando el equipo teóricamente puede medir hasta 0% de humedad volumétrica, en condiciones de baja humedad del suelo las varillas no podrían ser penetradas por la alta resistencia que el suelo ofrecería a la penetración de las mismas. Particularmente en el suelo del ensayo las varillas no pudieron ser penetradas en el suelo cuando éste tenía una humedad volumétrica inferior a 8%.

Humedad gravimétrica, índice textural y densidad aparente

En el cuadro 1 se muestran los valores medios de las variables físicas determinadas. Los grupos de muestras resultaron diferentes en cuanto a los resultados de humedad gravimétrica en ambos estratos, pero no en el caso del índice textural. Esto último está indicando que el suelo bajo estudio es significativamente uniforme en cuanto a textura se refiere, aun cuando las muestras cayeron en las clases texturales FL, F y Fa, pero esto es comprensible porque las diferencias entre las clases texturales es abrupta.

Cuadro 1. Resultados de los análisis de varianza y pruebas de medias de la humedad gravimétrica (qg), índice textural (IT) y densidad aparente (Da).

Letras distintas indican diferencias significativas entre medias (Tukey, P≤0,05)

La densidad aparente por su parte mostró una ligera diferencia en el primer estrato, posiblemente por el laboreo. En general todos los valores se correspondieron con la textura del suelo.

En el cuadro 2 se muestran las relaciones entre la humedad gravimétrica y el índice textural y entre la densidad aparente y la humedad gravimétrica. Los resultados de los análisis indican que no existe relación entre los de humedad y los cambios texturales. Con relación a la densidad aparente, se encontró en el estrato de 0-10 cm una ligera relación entre ésta y la humedad. Esto era de esperar ya que se pudo observar en campo que el suelo se expandía o contraía con los cambios de humedad.

Cuadro 2. Resultados de los análisis de correlación y regresión entre las variables contenido gravimétrico de humedad (qg) - índice textural (IT) y densidad aparente (Da) - contenido gravimétrico de humedad (qg).

Conclusiones

En la evaluación del equipo TDR 300 marca SpectrumTechnologies se pudo comprobar que existe un alto grado de asociación entre las lecturas de la sonda y el contenido volumétrico de humedad del suelo, comprobando que esta técnica constituye un procedimiento práctico y rápido para registros de humedad en el suelo.

Particularmente el TDR evaluado sobreestimó los valores de humedad respecto de los medidos en muestras de suelo, resultando necesaria su calibración para las dos profundidades de registros del equipo.

El suelo resultó estadísticamente uniforme en su comportamiento textural, no influyendo sus variaciones en las lecturas del equipo.

El equipo puede presentar limitaciones para su uso en suelos con bajo contenido de humedad por la resistencia que ofrece el suelo seco a la penetración de las varillas.

Agradecimientos

Los autores agradece al Fondo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (Fonacit) por el cofinanciamiento a este proyecto No. S1-2002000339.

Literatura citada

1. Akhwale, M., T. Pfeiffer, O. Wendroth, and R. Walton. 2006. Comparison of two techniques of measuring soil water content in the field. [On line] http://www.uky.edu/WaterResources/akhwale.pdf. (Consulta 9 de Febrero)         [ Links ]

2. Bouyoucos, G. 1962. Hydrometer method improved for making particle size analysis of soil. Agron. J. 54:464-465.         [ Links ]

3. Chandler, D., M. Seyfried, M. Murdock and J. McNamara. 2004. Field calibration of water content reflectometers. Soil Sci. Soc. Am. J. 68: 1501-1507.         [ Links ]

4. Garcia, J. e O. Santos. 1996. Calibraçao de um TDR utilizando modelos empíricos para cinco solos paulistas. En: Memorias XIII Congreso Latinoamericano de la Ciencia del Suelo. Aguas de Lindòia, Brasil. 4 p.         [ Links ]

5. Hillel, D. 1980. Applications of soils physics. Academic Press. New York, USA.385 p.         [ Links ]

6. Jones, S., J. Wraith and D. Or. 2002. Time domain reflectometry measurement principles and applications. Hydrol. Proc. 16: 141-153         [ Links ]

7. Serrarens, D., J. MacIntyre, J. Hopmans and L. Bassoi. 2000. Soil moisture calibration of TDR multilevel probes. Scientia Agricola 57:349-354.         [ Links ]

8. Sillanpää, M. 1982. Micronutrients and nutrient status of soil: a global study. FAO Soils Bulletin 48. Rome, Italy. 444 p.         [ Links ]

9. Toop, G., J. Davis and A. Annan. 1980. Electromagnetic determination of soil-water content: Measurement in coaxial transmission lines. Water Resour. Res. 16: 574-582.         [ Links ]

10. Torres,S., L. Madero y C. Perdomo. 2006. Colección de suelos de Referencia del Centro de información y Referencia de Suelos del Instituto de Edafología. Facultad de Agronomía. Universidad Central de Venezuela. Maracay, Venezuela.120 p.         [ Links ]

11. Zegelin, S., I. White and G. Russell. 1992. A critique of the time domain reflectometry technique for determining field soil-water content. In: Advances in Measurement of Soil Physical Properties: Bringing Theory in Practice. SSSA Special Publication 30. 187-208.         [ Links ]