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Centro ~ Edafolo~la y Blolo~ia Aplicad del Cuarto (C. 5. 1. C.)

SI LIOTECA

Re~. N m. _ 2.1{ ~)

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Cenlro de Edll foloSia y Biolo!)ia Aplicada del Cuarto (C S. 1. C.)

BIBLIOTECA

Re~. Num. < ~ 1.:)

,

CAAACTEAISTICAS HIOAOOINAMICAS DE UN SUELO BAJO CULTIVO.

Por

F. Guerrero y J. Auiz

Sevilla (Julio, 19B1 ).

Trabajo dirigido por el Dr.

F~lix Moreno Lucas colaborador

científico del Centro de Edafo­

logía y Biologfa Aplicada de l

Cuarto, (C.E.B.A.C.), con l a

colaboraci6n del Dr. Jos~ Luis

Muriel Femandez del IoN. L A.,

(CAlDA, 10), Seville.

CARACTERI STICAS HIDRDDINM~ICAS DE UN SUELD BAJD CULTIVD.

Sevilla ( Julio, 19B1 ).

Trabajo realizado en el Centro

de Edefología y Biología Apli­

cada del Cuarto, (C.S.I.C.) y

en el CRIDA, ID (I.N.I.A.) co­

mo parte del XVIII Curso Inter­

nacional de Edafología y Biolo­

gía Vegetal.

INDICE. Pág.

Introducci6n • • • • • . • • • • • . . • . . • . . . • (1 ' )

Consideraciones teoricas • • • • • • • . . . • • •. (3)

Materiales y m~todos • • • • • • • . • • • • • . .• (10 )

Resultados y discusi6n • • • • • • • • • • • . • •. (15)

Conclusiones. • (26)

Bibliograf!a ( 27)

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1

Cenlro de Fdofologi~ y BiolnSia Apli cada del Cuarto (C S. I C)

BIBLIOTECA Reg. Núm • • ____ _

l. lNTRDDUCClDN.

El sistema suelo-agua condiciona de rorma muy ,dmportante la vida

de las plantas que se asientan sobre los direrentes suelos y por ello

el ecosistema de un área determinada.

Desde hace tiempo los fisicos del suelo han dedicado un gran es­

ruerzo a tratar de conocer prorundamente las relaciones de este sis­

tema, que se presenta muy complejo debido a la composición heterog~­

nea que posee el medio s61ido, es decir el suelo.

En regiones, que como la nuestra, presentan marcados caracteres

2

de aridez durante algunas épocas del año, el sistema suelo-agua debe

ser estudiado con más atenciOn para poder esteblecer un empleo más ra­

cional del agua, sobre todo en las prácticas agronOmicas. Si bien es­

te estudio puede ser abordado de muy diversas formas, cualquiara de

ellas debe pasar, en primer lugar, por el conocimiento de les propie­

dades físicas generales del suelo y de aquellas que de una forma más

directa determinardn las ceracterístices hidrodinámicas del suelo. En

este sentido podemos mencionar los trabajos realizados por Martín Aran­

da y col. (1976), Arrue y col. (1980) y Moreno y col. (1981a, 1981b).

El objeto del presente trebajo he sido la determinaciOn de las

características hiarodinámicas de un suelo bajo cultivo, en la pro­

vincia de Sevilla, como base previa para la realizaciOn de balances

hídricos que permitan el conocimiento del consumo de agua por dife­

rentes cultivos.

3

11. CONSIDERACIONES TEORICAS.

, Antes de exponer los mátodos experimentales y resultados obte-

nidos en este trabajo, vamos a presentar las bases te6ricas sobre las

que se funda la experimentación llevada a cabo, (Hillel, 1972).

11. l. Variables consideradas.

Para definir el proceso de transferencia de masa (en nuestro ca­

so el agua) en el suelo, han sido utilizadas dos variables fundemen­

teles: el contenido en volumen del egua y la presión del egua en el

suelo.

El contenido de agua ( éf ) es une variable que se define como el

volumen de agua contenido en un volumen unitario de suelo. El valor

máximo de t1 es igual a la porosidad total del suelo cuando este está

saturado, sin embargo esta situación se alcanza solo en determinades

circunstancias y en la práctica es más ~recuente encontrer valores de

~ siempre por debajo del valor máximo.

La presión del agua en el suelo (h) la definimos como la dife­

rencia entre la presiOn del agua en el suelo y la presiOn del aire

en contacto con la fase líquida. Se expresa en equivalente de una

columna de agua medida en cent!metros. Su valor es negativo y fre­

cuentemente se conoce como "succiOn capilar". Su medida se efect~a

con referencia a la presiOn atmosf~rica (para lo cual se supone que

el aire del suelo forma una fase continua con la atmósfera) con ayu­

da de los tensiómetros.

11. 2. Ecuaciones.

4

Las ecuaciones que describen las transferencias h!dricas en una

zona no saturada del suelo son:

II. 2.1. EcuaciOn de continuidad.

En su forma más general esta ecuaciOn se escribe:

donde:

tw q

t

r

j (tw f))

Jt Lv (fw f)- r

es la masa vo16mica del agua.

densidad de flujo vo16mico.

tiempo.

término que corresponde a la extracciOn radicular.

Si consideramos que el agua y el medio son incompresibles, ob-

tendremos para el suelo dasnudo:

J(} J¡V t jt

que podemos aplicar a una zona del suelo cuyo espesor sea ¿le· (Ae =

l¿ - r~ J siendo Zi y Z.2- las profundidades superior e inferior dentro

del perfil).

LJ 9 .L1r I1t ti - ~2

Esta ecuaciOn expresa la conservaciOn de la masa de agua en un

volumen del suelo y muestra fundamentalmente que:

5

a} en un ~gimen transitorio el flujo saliente de una zona de sue­

lo es necesariamente diferente del flujo entrante.

b} en rSgimen permanente con un flujo sin variaciones medibles

del contenido de agua (~=o), el flujo entrante será el mis­

mo que el flujo saliente.

11. 2.2 . EcuaciOn dinámice.

Si suponemos que el medio es homog~·neo e isrStropo, la fase aire

a presiOn atmosf~rica y la fase agua no Isometida a gradientes t~rmi-

cos o quimicos, la ecuación de movimiento se escribe en la forma:

t - k (e) 1 r-a d H

donde K(el es l a conductividad hidráulica correspondiente al conteni­

do de agua e. Esta ecuación se llama generalmente ecuación de Darcy

generalizada.

Estas ecuaciones fundamentales son la base de un determinado rnJ-mero de soluciones que pueden caracterizar las entradas y salidas de

un balance hidrico, especialmente la infiltración y el drenaje.

II. 3. DescripciOn de l a infiltraciOn.

La infiltraciOn se define como el proceso de entrada de agua en

el suelo procedente de la lluvia o el riego. El conocimiento de este

proceso y de su velocidad de ocurrencia es de gran importancia ptác­

tica en la agricultura, pues puede determinar entre otros factores

la disponibilidad hi drica en la zona radicular y que se produzca o

no erosiOn por escorrentia si la pendiente es a preciable y la velo­

cidad de infiltraciOn lo suficientemente baja.

Badman y Goleman (1944) y Goleman y Bodman (1945), describie­

ron la distribuciOn de humedad en un perfil homog~neo durante la

infiltraciOn. Segdn estos autores cabe distinguir las siguientes zo-

nas:

Zona de saturaciOn •

Zona de transmisiOn, con un grado de humedad cercano a la satu­

raciOno

Zona de humadecimiento, en la que se esteblece un gradiente de

humedad patente, y

Frente de mojadura, que representa el limite entre la zona humeda

y la seca.

El esquema de esta distribuciOn y le gréfice del contenido de

humedad en profundidad son respectivamente las siguientes;

6

7

I:NCHRIlCF/Ofl HilH€ORj) /M/CIf1L SR TU¡:<.II CION

~ .+* f +*'3"'\ rOMA / cotvíFNIOO R~VR /' s v PI: RF¡C/€

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~fRfNTI: Olf HOlFlDVRR. 7

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Existen serias dudas sobr e si l a zona de saturaci6n es real o

un artefacto experimental como resultado de la inestabilidad estruc­

tural de la superficie del suelo. Las gotas de lluvia y la turbulen-

cia del agua producen desmenuzamientos, roturas de agregados y dis-

persión coloidal, formándose, de este modo, costras que afectan al

perfil de humedad. La zon~de saturación tambi~n puede ser debida al a

taponamiento de los poros por burbu j as de aire al ser IÍste evacuado

por el agua.

La infiltración vertical descendente, en un suelo inicialmen-

te seco, se debe a la combinación de las influencias de los gradien­

tes de succión matricial y de gravedad.

Al principio del proceso, el gradiente de succi~n es mayor que

el de graveded y la infiltración lateral es muy parecida a la verti-

cal. Al ir avanzando la zona de transmisión, en la perte superior el

promedio del gradiente de succión disminuye, por lo que s610 actua

la gravedad.

El siguiente esquema representa el frente de infiltración en

tiempos sucesivos, a partir de un sureo de riego, en un suelo ini­

cialmente seco.

!!

/1

ti

Desde al punto de vista físico tiene gran i mportancia el cono­

ci~ianto de la capacidad de infiltraci6n en un suelo que se denomi­

na "Infiltrabilidad". Esta propiedad caracteriza el flujo de agua

que el suelo puede absorber a trav¿s de su superficie, cuando es man­

tenida en contacto con agua a la presi6n ,atmosférica. Manteniendo un

suministre constante de agua al suelo la variación de las velocidades

de infiltraci6n con el tiempo obedece a una función como la represen­

tada en la siguiente gráfica:

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8

Centro de F ela [ olo~ia y Biologia Aplicada del Cuarl o (c. S.\. C.)

BIBLIOTE.CA

Reg. Num.

En general, la infiltrebilidad de un suelo es alta en los pri-

meros momentos del proceso, particularmente cuando el suelo está

inicialmente seco, pero tie nde a decrecer de forma monótona y se a­

proxima esint6ticamente a una velocidad constante determinada, lla­

mada "Infiltrabilidad permanente" (steady-stete infiltrability). Si

el drenaje del suelo es apropiado, esta velocidad constante tiende

a mantenerse ilimitadamente.

El decrecimiento de la velocidad de infiltraci6n se debe prin­

cipalmente a : 1) la disminuci6n del gradiente de succi6n mátrica;

9

2) en parte al deterioro de le estructura y posible ~ormación de una

costra superficial; 3) al bloqueo de los poros por partfculas mi­

gran te s o por burbujas de aire, y 4) al hinchamiento de las arcillas .

La velocidad de infiltraci6n de un suelo determinado depende de

los siguientes factores:

tiempo.

contenido inicial de ~gua.

conductividad hidráulica.

características de le superficie del suelo.

capas del perfil.

'SOOOBW A S3l'o'I~3!'tI11 "UI

III. MATERIALES Y METOOOS.

Las .medidas de campo as! como las muestras tomadas para deter­

minaciones en el laboratorio corresponden a un a parcela situada en

la finca experimental Haza del Monte del I.N.I.A., en San Jos~ de

la Rinconada, (SeVilla). La superficie de la parcela es aproxima­

damente de una hectárea. El terreno no presenta pendiente alguna.

III. l. Descripci~n del suelo.

, El suelo en cuesti6n es más o menos profundo, de color par-

do-rojizo, escaso contenido en materia orgánica y estructura suel-

ta en super ficie y algo más compacta en profundidad. En las pri­

meras capas el contenido en carbonato cálcico es pequeño, aumen­

tando en profundidad. El espesor de la c apa arable (horiz. Ap) es

de unos 30 cm.

A este horizonte sigue , normalmente, otro B, de color ro­

jo intenso, de cortes lustrosos, textura generelmente limosa y

estructura poliádrica subangular, con fracture en gránulos media-

namente blandos y desmoronables. El horizonte B se caracteriza,

además, por la ausencia de carbonato cálcico y por la acumula­

ci6n de sustancias coloidales (hid~xidos de hierro y aluminio

y ácido silíCico) y un espesor de 20 a 100 cm.

Le sigue otro horizonte de transición B/Ca hacia un hori­

zonte iluvial de acumulaci6n de carbonatos, con abundantes con­

erecciones calizas, y de color más claro.

III. 2. rlll!ltodos de laboratorio.

10

11

Las muestras para el laboratorio fueron tomadas en cilindros

de acero de 200 y 100 centimetros c~bicos (4 y 2 cm. de altura res­

pectivamente, por 8 cm. de diametro).

Los métodos de labora torio fueron los siguientes:

Determinaci6n de la conductividad hidráulica ks en suelo satu­

rado siguiendo la técnica de Flannery y Kirkham (1964) en un

permeémetro de carga constante diseñado por Martín Aran da (1973).

Las curvas características de ratenci6n de humedad se obtuvieron

con la técnica de succi6n para el margen de pF O a 1.5 (Vomocil

1965) y por la de presi6n para el rango de pF 2 a 4.2 en cáma­

ras de Richards. (1948).

El análisis granulom6trico de las muestras se realiz6 siguiendo

el M~todo Internacional de Análisis Mecánico y utilizando para

las fracciones limo y arcilla ( 20 m) un hidr6metro de cade­

na similar al descrito por De Leenheer y col. (1965).

III. 3. Medidas de la infiltraci6n.

Para las medidas de l a infiltraci6n "in situ" se utilizó la téc­

nica del infiltr6metro de doble anillo descrito en la bibliografía.(*)

Las características de ambos cilindros son las siguientes:

Altura ~ oiametro interior ~

Cilindro int. 40 27.7

" ext. 43 43

(~). Ver fotografías 1 y 2.

Centro de Edorolos;ia y Biología Aplicada de l Cuarto (c. S. 1. C)

BIOLIOTECA Rell. Núm. _________ .• ___ _

Fotografí a 1 .- Detalle del infiltr6metro de doble anillo .

Fotografía 2 . - Infiltr6metro preparado para realizar las medidas y sonda.

12

La disminución de la altura del agua en el cilindro interior

se registró con un tornillo microm~trico manteniendo la misma al­

tura de agua en ambos cilindros para favorecer sólo la infiltra­

ción vertical. Para evitar las p~rdidas de egua por evaporación

se mentuvieron durante le medición ambos cilindros cubiertos con

material aislante excepto en e l momento de las medidas.

Se tomaron muestras de humedad del suelo antes y despu~s de

cada registro de infiltración.

El procedimiento seguido, incluía, de acuerdo con la biblio­

grafía consulta da, el llenado simult~neo de ambos cilindros hasta

una altura h y postarior reaistro de la disminución de ~sta a in­

tervalos de tiempo predeterminados, enrasando a h entre cada dos

lecturas.

Los intervalos de tiempo considerados se concretaron modifi­

cando algo los recomendados en la bibliografía.

La medida de la permeabilidad se obtuvo previa saturación del

suelo. Se procurO al máximo no afectar la superficie del terreno

en el intarior del cilindro, aunque por el m~todo de llanada con

cubos, lógicamente tuvo que verse afectado en alguna medida .

Se muestrearon tres puntos dentro de la parcela experimental

a los que nos referiremos como suelos 1, 2 Y 3 Y cuyas caracterís­

ticas se describen en cada caso.

111. 4. Perfiles hídricos.

13

El seguimiento del estado de humedad del perfil, a lo largo

del periodo comprendido entre la siembra y la recolecci6n, se rea­

lizó mediante la toma de muestras con una barrena a l as profundi­

dades que más adelante se indican y procedi¿ndose posteriormente

a l a determinaci6n gravimátrica del contenido de agua en el lebo­

r atorio.

Paralelamente se sigui6 la evoluci6n del potencial del agua

en el suelo con ayuda de tensi6metros instalados a las profundi­

dades de 30, 45 Y 60 cm.

14

"fIlJlSI"lOSIO).. SOO\/.llns31:J 'lil

IV. RESULTADOS Y DISCUSION.

IV. l. Conside r aciones generales.

Los datos de granulometr!a que se muestren en la tebla-l, po-

nen de manifiesto que se trata de un suelo bastante arcilloso en

particular en la zona más profunda del perfil, pues en la capa su­

perficial es notable el contenido ~n arena fina.

15

En esta misma tabla se han recogido los valores de densidad

aparente los cuales llaman la atenci6n pues, a partir de los 20 cm.

de profundidad, son bastante elevados, lo que sin duda puede deber­

se a una compactaci6n originada por la influencia simultánea de las

l abores y del riego al que ha estado sometida anterormente la par-1

cela experimental.

Prof.

(cm. )

0-20

20-40

40-60

Granulometr!~ (~~)

> 200 200-20 20-2 < 2

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4.5 32.5 16.5 46.5

5.0 16.5 21.0 55.0

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1.33

1.64

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Ks

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0.8

COLE (!)

x 102

2 .6

4.5

5.1

Tabla-l. Propiedades físicas generales de la parcela experimental.

Las conductividades hidráulicas en suelo saturado san las que ~ cab1a esperar teniendo en cuenta la texture y densidad aparente,

aunque en los primeros 20 cm. sea más elevada de acuerdo con una

estructura más sualta de esta capa arabla.

Los valores del coeficiente de extensibilided lineal (COLE)

indican que se trata de un suelo donde los fenomenos de expansi6n­

contracci6n no son muy importantes, de acuerdo con los resultedos

encontradps por Arrue (197?) para suelos de este tipo dentro de la

misme zona.

IV. 2. Retenci6n de humedad.

Las curvas características de retenci6n de humedad representa­

das en la figura 1 muestran que el contenido en agua dal suelo a

diferentes velares de pF es muy similar en todo el perfil, si bien

es algo superior en la profundidad de 20-40 cms., y que está de

acuerdo con la textura del mismo. Un hecho significativo es que la

capacidad de almacenamiento de agua utilizable es la misma haste

los 60 cm. de profundidad, lo cual indica que el sistema de poros

responsables da dicho almecenamiento es el mismo en las tres pro­

fundidades estudiadas. La cantidad ce ague útil que puede almecenar

este suelo cae dentro de los margenas encontrados por Moreno y col.

(1981) al estudiar las características hidro físicas de los suelos

más representativos de Andalucía Occidental.

Por otre perte es l6gico pensar que le mayor compactaci6n que

muestran las zonas de 20-40 y 40-60 cm. (ver densidadas aparentes,

tabla 1) haya afectado solo a la porosidad da aireaci6n y drenaja

lo cual estaría de acuerdo con los valores de conductividad hidrá-

16

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18

ulica.

IV. 3. InfiltraciÓn.

Las medidas de infiltraciÓn "in situ" se realizaron sobre sue­

lo desnudo, bajo cultivo y en barbecho con objeto de determinar la

influencia que estas dos ultimas situaciones ejercen sobre las cerac­

terísticas hidrodinámicas del suelo. Los resultados de velocided de

infiltraciÓn se encuentran representados en la figure 2. En el ceso

de suelo desnudo la curva de infiltraciÓn muestra inicialmente va­

lores bastante más bajos que las correspondientes e las curves del

suelo bajo cultivo y en barbecho respectivamente lo cual pudiere ser

debido a una mayor compactaciÓn de la capa arable, en esta parcela

sin cubierta >vegetal, como consecuencia del deterioro de la estruc­

tura en le superficie del suelo ya que desde que se dieron las le­

bares al suelo en el año anterior, hesta la realizaciÓn de las me-

dides transcurrieron verios meses. En las otras situaciones el si s-

teme radicular de les plantas ha debido contribuir al mentenimiento

de una estructura del suelo más .~orose y por ello que las infiltra-

ciones sean más elevadas.

Las infiltrabilidades permanentas siguen l e misme secuencie y

en el c~so de suelo desnudo, el valor obtenido (63<Mm.h~ coincide

bestante bien con el de la conductividad hidráulica en suelo setu­

rado (75 mm.h1, determinada en el laboratorio sobre muestras no al­

teredas correspondientes a los primeros centimetros de perfil. "

En la figura tres se hallan representadas las infiltraciones

acumulatives correspondientes a cade una de las situaciones del

suelo.

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Fig . 2 . Velocidades de infiltruci6n .

Cent ro de Edarolo~ia y Biologia Apli cada del Cuarto (c. S. 1. C )

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A partir de estos resultados es fácil deducir que para obtener un

mismo volumen de agua infiltrada en cada una de las situaciones,

se necesitan tiempos muy diferentes, del orden de varias veces ma­

yor en el suelo desnudo respecto del suelo en berbecho. Este hecho

puede tener gran importancia, ya que la recarga hídrica del perfil,

a igualdad de características del subsuelo se realizar~ en tiempos

muy diferentes y por ello en el oaso más lento, despues de un pe­

riodo de precipitaciones pueden perderse cantidades considerables

de agua.

IV. 4. EvoluciOn del perfil hídrico.

21

Después de presentar las características anteriores es muy

interesante conocer cÓmo puede evolucionar el estado hídrico del

perfil con el tiempo y que por supuesto esta evoluci6n estará conHi­

cionada por las características mencionadas.

Debido a las peculiares condiciones de sequedad del periodo

en el cual se ha llevado a cabo el trabajo experimental, presen­

tamos en primer lugar los aportes de agua recibidos por el suelo,

figura 4, procedentes de la lluvia y suplementarios dados por

riego. Los resultados muestran que el total recibido por lluvias

en el periodo de Noviembre a Mayo, solo alcanza unos 220mm. y que

con el suplemento de riego esta cantidad se eleva a unos 295 mm.

Ello debe traducirse en una evoluci6n del estado hídrico del sue­

lo bastante diferente a la que tendrÍa cuando la aridez no es tan

marcada.

Los perfiles h!dricos determinados durante el periodo menciona­

do se hallan representados en la figura 5. Estos resultados ponen

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Fig. 4 . Precipitaciones y riegos recibidos por l a parcela experimental. (Los resultados están representados por cada decena de mes)

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Fig . 5 . Evoluci6n del perfil h1drico durante el periodo experimental. (P . M.: punto marchitez permanente; C. C.: capacidad de campo)

N W

~j ' .. ~\

, de manifiesto que s610 por debejo de los 40 cm. el suelo mantie-

ne su humedad a la capacided de campo y solo al final del periodo

considerado empieza a variar con rapidez acerc~dose al estado de

punto de marchitez permanente.

Por encima de los 40 cm. las veriaciones son mucho más inte-

24

resan te s , as! vemos que despues de las lluvias de Noviembre el

perfil se mantiene con más humeded que la que corresponde a capaci­

dad de campo y que continua en esta situaciOn a consecuencia del

riego dedo en la segunda decena de Enero. Desde este momento, y a

pesar de les pequeñes precipitaciones, el suelo comienza a perder

humedad rapidamente, hecho que debe interpretarse como consecuen­

cia de la incidencie de dos factores. Uno de ellos, el aumento de

las tasas de evaporeciOn y el otro una mayor demanda de agua por

el cultivo. Despues de las lluvias y el riego de la segunde decene

de Marzo, el perfil h!drico, por encima de los 40 cm., se modifi­

ca ampliamente alcanzando un nivel muy superior e la cepacidad de

campo y aunqua las precipitaciones continuan hasta la segunda de­

cena de Mayo el suelo va perdiendo humedad hasta rebasar el pun-

to de marchitez.

Como complemento a las medidas>realizades se ha llevado a ce­

bo el seguimiento de la evoluciOn del potencial del agua del sue­

lo durante los meses .de Abril y Mayo. Los resultados se hallan re­

presentados en la figura 6 y como hemos apuntado con los perfiles

hídricos, es por encima de los 40 cm. donde las variaciones son

más ostensibles, mientras que a 60 cm. se mantiene el nivel de hu­

medad similer a la capacidad de campo.

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V. CONCLUSIONES.

El conocimiento de las características hidrodinámicas de un

suelo es necesario si ~e quiere fijar con exactitud las condicio­

nes de almacenamiento de agua en el mismo y sobre todo tener en

cuenta que en los suelos bajo cultivo estas características se mo­

difican ampliamente.

En los casos en los que la aridez se hace más marcada, como

en el periodo experimental de este trabajo, cobra eun más inte~s

el conocimiento de dichas característices, ya que los eportes su­

plementarios de agua podran hacerse más racionalmente, lo que sin

duda repercutirá en una mejor economía del agua.

26

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