Física do Solo: textura, estrutura e propriedades físicas

Os solos minerais são constituídos por uma mistura de partículas sólidas de natureza mineral e orgânica, ar e água, formando um sistema trifásico (sólido, gasoso e líquido). Duas propriedades físicas, hierarquicamente mais importantes, referem-se à textura do solo — definida pela distribuição de tamanho de partículas — e à estrutura do solo — definida pelo arranjo das partículas em agregados.

Porosidade e relações massa-volume

A porosidade do solo é responsável por fenômenos e mecanismos relevantes na física do solo, tais como retenção e fluxo de água e ar. Analisada conjuntamente com a matriz do solo, ela gera outras propriedades físicas associadas às relações de massa e volume das fases do sistema solo. Não menos importantes são as propriedades associadas à reação mecânica do solo à aplicação de forças externas.

Solo ideal para plantas

Um solo é considerado fisicamente ideal para o crescimento de plantas quando apresenta: boa retenção de água, bom arejamento, bom suprimento de calor e baixa resistência ao crescimento radicular.

Do ponto de vista edafológico

Do ponto de vista edafológico, o solo é o meio natural para o crescimento e desenvolvimento das plantas, possuindo características e propriedades consequentes dos efeitos do relevo, do clima, dos organismos e do tempo que atuam sobre o material de origem.

Característica, propriedade, natureza e comportamento

Característica: refere-se à essência de um objeto, aquilo que lhe é intrínseco, que pode ser quantificado por um método. Exemplo: cor do cabelo e altura são características que diferenciam elementos de um mesmo conjunto.

Propriedade: refere-se ao comportamento ou reação das características a um estímulo externo (ambiente). Essa reação não é parte da essência do objeto, portanto não é intrínseca a ele, e sim inerente. Exemplo: o conjunto de seres humanos caminha e apresenta inteligência.

Natureza é causa e é independente.

Comportamento: é o efeito da interação entre o que é da essência e os fatores do ambiente. Em outras palavras: característica é aquilo que faz parte da essência (natureza) e propriedade é a reação (comportamento) de uma determinada característica a um estímulo externo.

Exemplos

Exemplos de características do solo:

• Distribuição das partículas por tamanho;
• Teor e natureza das partículas coloidais;
• Superfície específica;
• Argila naturalmente dispersa.

Exemplos de propriedades do solo:

• Textura;
• Capacidade de troca de cátions (CTC);
• pH do solo;
• Cor do solo;
• Retenção de água;
• Expansão e contração;
• Plasticidade e pegajosidade.

Definição ampla da física do solo

De uma maneira ampla, a física do solo pode ser definida como o ramo da ciência do solo que trata:

• dos atributos físicos do solo;
• dos processos físicos que ocorrem no solo;
• e da sua influência sobre os fatores físicos de crescimento das plantas.

Termos: processo e fator físico

Processo: ação ou mecanismo condicionado pelas características do solo. Exemplos: adsorção e retenção de água; fluxo de água e de calor; processo de formação do solo.

Fator físico: elementos físicos do solo que definem diretamente o crescimento das plantas. Exemplos:

• Potencial total de água no solo;
• Aeração do solo (espaço aéreo);
• Compactação ou resistência mecânica à penetração das raízes;
• Temperatura.

Textura do solo

Textura do solo: pode ser definida como um sistema disperso, heterogêneo e polifásico, com três fases: sólida, líquida e gasosa.

Fração sólida:

• Substâncias orgânicas em decomposição — produto final: húmus;
• Partículas minerais — resultado do intemperismo das rochas: partículas com diferentes tamanhos, formas e composição.

Minerais primários: quartzo, feldspatos, micas. Minerais secundários: argilas (montmorilonita, vermiculita, ilita, caulinita), óxidos de ferro e alumínio.

Frações texturais

Areia: grãos soltos, simples (não formam agregados), não plástica, não deformável, não pegajosa, pouco higroscópica, não coesa; predominância de poros grandes, pequena superfície específica e capacidade de trocas de íons quase ausente.

Silte: sedoso ao tato, ligeira coesão quando seco, baixa higroscopicidade, poros de tamanhos intermediários, superfície específica intermediária e baixa CTC.

Argila: pegajosa quando úmida, dura e muito coesa quando seca, alta higroscopicidade, elevada superfície específica, poros muito pequenos, sofre contração e expansão, forma agregados com outras partículas de argila e matéria orgânica, alta CTC.

A textura do solo está relacionada com as partículas primárias e com a sensação ao tato: atrito, sedosidade, pegajosidade. A partir dessas sensações pode-se inferir comportamentos distintos da massa do solo.

Análise granulométrica

Análise granulométrica: quantificação das partículas do solo quanto ao tamanho.

Método de campo: manual. Método de laboratório: mais preciso, utilizando métodos analíticos. Engloba basicamente três fases:

1. Pré-tratamento;
2. Dispersão e obtenção de suspensões estáveis;
3. Separação das frações do solo.

Fase de pré-tratamento:

• Eliminar agentes cimentantes: matéria orgânica (H2O2 30%); óxidos de Fe e Al (HCl 1N + dispersante — ditionito de sódio e/ou oxalato de sódio).
• Eliminar íons floculantes e sais solúveis.
• Reidratação das partículas de argila — partículas com filmes de água apresentam menor coesão.

Fase de dispersão: tem por finalidade individualizar as partículas e mantê-las dispersas até o término da análise. É feita utilizando:

• Métodos físicos ou mecânicos: agitadores — Bouyoucos (rápida: 5, 10, 15 minutos); vai-e-vem (lenta: 20–24 horas);
• Métodos químicos;
• Métodos mistos (físicos e químicos).

Fase de separação das frações do solo:

• Peneiramento para partículas maiores que 0,05 mm;
• Sedimentação para partículas menores que 0,05 mm.

Estrutura do solo

Estrutura do solo está associada às mais importantes relações solo-planta, tais como:

1. Fertilidade do solo;
2. Retenção de umidade;
3. Retenção de nutrientes;
4. Disponibilidade de água e nutrientes;
5. Aeração do solo;
6. Temperatura do solo;
7. Atividade microbiana.

A estrutura do solo pode ser definida do ponto de vista morfológico (genético) ou do ponto de vista físico (agronômico).

Sob o ponto de vista morfológico, a estrutura refere-se à maneira como a massa de terra se rompe pela aplicação de força ao longo de planos de clivagem (linhas de fraqueza), obtendo diferentes unidades estruturais. Em função da forma, do tamanho e do grau de desenvolvimento dessas unidades, a estrutura é classificada por:

• Forma;
• Tamanho;
• Grau de desenvolvimento.

Sob o ponto de vista físico, a estrutura do solo é definida como:

• Arranjo e disposição das partículas sólidas formando um sistema poroso (Bradfield, 1939);
• Resultado da agregação das partículas primárias (areia, silte, argila) em unidades estruturais ou partículas secundárias (Baver, 1972);
• Arranjo das partículas primárias em agregados, nos quais as forças que ligam tais partículas entre si são mais intensas do que as que ligam agregados adjacentes (Nikiforoff);
• Agregação das partículas primárias, separadas de agregados adjacentes por superfícies de fraca resistência (Soil Survey Manual).

Agregação e estruturação

Agregação: estado de ligação entre partículas primárias do solo, resultante da ação de agentes cimentantes e de forças coesivas.

Estruturação: refere-se a algo mais que agregação, incluindo:

• Tamanho e forma dos agregados;
• Orientação e estado de compactação das partículas individuais e agregadas;
• Estabilidade dos agregados;
• Natureza e grau de coesão entre partículas;
• Tamanho, forma e continuidade dos poros.

Gênese da estrutura

Primeira condição: que haja uma força que aproxime as partículas individuais do solo (força mecânica ou eletrocinética). Essa aproximação pode ser causada por:

1. Crescimento das raízes no solo;
2. Animais de hábitos terrestres;
3. Expansão e contração da massa de solo devido a períodos de secamento e umedecimento;
4. Fenômeno de floculação das argilas provocado pela presença de íons floculantes (fenômeno eletrocinético).

Segunda condição: que haja a ação de um agente cimentante para consolidar a união das partículas individualizadas. Exemplos:

• Efeito da matéria orgânica;
• Óxidos de Fe e Al;
• Minerais de argila.

Avaliação da estrutura do solo

Critérios de avaliação:

• Porosidade do solo: porosidade total, macroporosidade e microporosidade;
• Densidade do solo: maior densidade aparente (Ds) indica maior compactação, menor permeabilidade, menor infiltração e menor crescimento radicular;
• Condutividade hidráulica: maior em solos arenosos, menor em solos argilosos e reduzida em solos compactados;
• Distribuição de tamanho de poros: % de agregação, diâmetro médio ponderado, diâmetro médio geométrico;
• Estabilidade dos agregados.

Fatores que afetam a estrutura

• Uso excessivo do solo (pulverizações);
• Uso excessivo de máquinas agrícolas — compactação e redução da aeração;
• Preparo do solo em níveis inadequados de umidade:
  • níveis altos — compactação;
  • níveis baixos — formação de torrões;
  • nível ótimo — ponto de sazão.
• Solo descoberto — impacto direto da gota de chuva, desagregação, encrostamento superficial, aumento da temperatura e menor atividade microbiana;
• Sistemas de preparo do solo (convencional, mínimo e direto).

Estabilidade dos agregados

A estabilidade dos agregados representa a resistência à ação de forças externas (impacto da gota da chuva, ação de implementos agrícolas) ou forças internas (compressão de ar, expansão/contração) que tendem a rompê-los.

Densidade e porosidade do solo

Densidade do solo tem relação com textura, profundidade e manejo do solo.

Textura: Solos arenosos: Ds ≈ 1,2 a 1,8 g·cm⁻³. Solos argilosos: Ds ≈ 1,0 a 1,6 g·cm⁻³.

Profundidade: Ds tende a aumentar com a profundidade (menor teor de matéria orgânica, menor porosidade total, maior compactação natural, diferentes formas de agregados, maiores pressões, argila iluvial que ocupa espaços).

Porosidade do solo: espaço poroso ocupado pelo ar e pela água. O tamanho desses espaços é determinado principalmente pela distribuição das partículas sólidas. A porosidade é fundamental para o crescimento das plantas. A textura e a estrutura explicam em grande parte o tipo, tamanho, quantidade e continuidade dos poros.

Poros biológicos: arredondados, originados pela morte e decomposição das raízes, atividade de animais etc. Outros tipos de poros apresentam forma irregular e de fenda, formados por processos como umedecimento e secagem, pressão etc.

Os microporos são responsáveis pelo armazenamento de água no solo, limitando seu movimento às forças capilares, enquanto os macroporos são responsáveis pela aeração e pela infiltração.

Consistência do solo

Consistência do solo pode ser definida como a manifestação das forças físicas de adesão e coesão que atuam no solo conforme o teor de água. Exemplos de manifestações:

• Comportamento do solo frente a uma pressão ou tração;
• Tendência da massa de solo a aderir a corpos estranhos;
• Sensações ao tato do observador.

Coesão: força de atração entre partículas ou substâncias de mesma natureza (água com água). Contribuintes:

• Forças de Van der Waals (inversamente proporcionais ao cubo da distância entre partículas);
• Atração eletrostática entre superfícies de argila;
• Pontes formadas por cátions;
• Efeito cimentante de substâncias (matéria orgânica, óxidos de Fe e Al, carbonato de cálcio);
• Tensão superficial decorrente da presença de meniscos na interface ar-água.

Adesão: força de atração entre partículas ou substâncias de natureza diferente (partícula de solo — molécula de água).

Para que ocorra plasticidade deve existir água em quantidade suficiente para formar filmes de água fortemente adsorvidos ao redor das partículas e água suplementar que funcione como lubrificante entre esses filmes quando o sistema (argila-água) é submetido a pequeno esforço de deformação.

Limites de Atterberg

Limites de Atterberg: Atterberg (1911, 1912) foi um dos primeiros pesquisadores a atribuir importância à consistência do solo. Ele investigou a faixa de umidade na qual se manifesta a plasticidade e, a partir daí, classificou os solos.

Consistência x preparo do solo

Solos com baixos teores de água apresentam-se muito coesos e duros, levando à formação de torrões. Com o aumento do teor de água diminui a coesão, conferindo friabilidade à massa de solo — representando a faixa de consistência ótima para as operações de preparo. Aumentando ainda mais o teor de água, o solo passa a manifestar plasticidade, condição inadequada para as operações.

Fatores que afetam a consistência

• Textura: solos arenosos não são plásticos; solos argilosos são plásticos.
• Natureza dos minerais de argila: apenas minerais com forma de placas ou lâminas manifestam plasticidade ao serem moldados (caulinita, talco, muscovita, biotita, esmectitas). Quartzo e feldspatos não manifestam plasticidade, mesmo que tenham tamanho semelhante ao das argilas.
• Natureza dos cátions trocáveis: quanto maior o grau de hidratação, maior o índice de plasticidade. Solos saturados com Na apresentam limite de plasticidade mais baixo (o solo começa a manifestar plasticidade com níveis menores de umidade). Solos saturados com K apresentam menor índice de plasticidade.
• Teor de matéria orgânica: a MO não altera o índice de plasticidade, entretanto faz com que tanto o limite plástico (LP) quanto o limite líquido (LL) sejam atingidos em maiores teores de umidade.

Retenção de água e aeração

Retenção de água no solo: propriedades da água (polaridade, pontes de hidrogênio e tensão superficial) fazem com que ela apresente menor energia livre e fique retida contra a gravidade por capilaridade ou adsorção. A textura e a estrutura do solo, que definem a área superficial e a arquitetura do sistema poroso, são os principais fatores associados ao armazenamento e disponibilidade de água. Portanto, textura, matéria orgânica e agregação afetam a disponibilidade de água para as plantas.

Aeração do solo: definida como a renovação da composição do ar do solo, tendendo a igualar-se à do ar atmosférico. Devido à respiração de plantas e microrganismos e à decomposição de matéria orgânica, a atmosfera livre e a do solo tendem a diferir quantitativamente na sua composição.

Mecanismos de troca de ar: mudanças de temperatura do ar do solo, flutuações na pressão barométrica, movimento do vento, chuva e irrigação.

É no espaço poroso que ocorrem os principais processos físico-químicos e edáficos do solo: retenção e armazenamento de água; retenção e armazenamento de nutrientes; movimento de água e nutrientes; crescimento do sistema radicular; trocas gasosas; atividade microbiana.

Temperatura e condutividade térmica

Temperatura do solo: fator de grande importância para o desenvolvimento das plantas. Além de armazenar e permitir processos de transferência de água, solutos e gases, o solo também armazena e transfere calor.

Importância da temperatura:

• Processos físicos;
• Processos químicos;
• Processos biológicos;
• Classificação dos solos.

Fatores que afetam a distribuição da radiação solar: aspectos climáticos, topoclimáticos e microclimáticos.

Condutividade térmica: transferência de calor entre camadas do solo, ocorrendo principalmente por condução. Existem três tipos de transferência de energia:

• Radiação — transferência de energia através do espaço por ondas eletromagnéticas curtas (a maior parte da radiação solar é em ondas curtas);
• Convecção — transferência de energia por fluxo de massa;
• Condução — transferência de energia de regiões mais quentes para as mais frias (principal processo no solo).