La conductividad eléctrica al servicio de la agricultura y de los céspedes deportivos

1. Introducción
2. Concepto y definición de conductividad eléctrica
3. Conductividad eléctrica molar y equivalente
4. Variaciones de conductividad con la temperatura
5. Variación de la conductividad con la concentración
6. El equipo para medir la actividad eléctrica del suelo

1. Introducción

La medida de la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo, o la medida de la conductividad eléctrica de una disolución nutritiva recirculante (DNR), son dos aspectos bien conocidos por quienes se dedican al estudio y a la caracterización de suelos, o al manejo de la fertirrigación de cultivos hidropónicos. No obstante, resulta mucho menos conocida la medida de la actividad eléctrica del suelo para determinar su estado nutricional, en relación con un cultivo determinado o el aprovechamiento de un césped con fines deportivos. En este artículo se explica el fundamento teórico y la aplicación práctica que, el analizador de HANNA Instruments HI993310 presenta a la hora de determinar lo que algunos autores denominan “actividad eléctrica del suelo” y su relación con el estado nutricional que muestran las especies que crecen en dicho suelo.

2. Concepto y definición de conductividad eléctrica

De forma similar a como la presencia de iones en una disolución de electrolitos le confiere determinadas cualidades específicas -entre otras, la conducción de la corriente eléctrica- la presencia de iones procedentes de las sales que se encuentran en el suelo y de los fertilizantes aportados con motivo del programa de abonado o de la fertirrigación, también contribuyen a facilitar el paso de la corriente eléctrica entre dos puntos del citado suelo. Esta propiedad es la que aprovechan los equipos que se utilizan para medir la actividad eléctrica del suelo.

El suelo, al igual que cualquier material conductor eléctrico, se opone al paso de la corriente eléctrica y ofrece una resistencia que puede ser calculada por la siguiente ecuación:

donde:

R = Resistencia (Ω).
ρ = Resistencia específica (Ω•m).
L = Longitud (m).
A = Superficie (m²).

La resistencia específica (ρ) también se denomina resistividad del conductor o, en nuestro caso, resistividad del suelo. Tratándose de conductores metálicos, la resistividad depende únicamente de las características del conductor. Cuando se trata de una disolución química, además de la naturaleza eléctrica (radio iónico, carga eléctrica, grado de disociación y movilidad iónica) de las sustancias disueltas en el medio (electrolitos), la resistividad depende de las características del disolvente, normalmente agua y de la temperatura. Para el caso de un suelo o sustrato homogéneo, la resistencia específica depende al menos de tres factores: a, La matriz que lo constituye, que a su vez depende de otros factores tales como, la composición química, la textura, la estructura y la porosidad; b, el contenido en electrolitos susceptibles de conducir la corriente eléctrica y c, el contenido en humedad.

En aplicaciones físico-químicas es frecuente utilizar las magnitudes inversas; es decir, utilizar el valor 1/V para referirse a la variable V. De ahí que, a la magnitud inversa (1/R) de la resistencia eléctrica (R) se la denomine conductancia (G = 1/R). La conductancia se expresa en Siemens (S). Un Siemen equivale a un Ω^-1. Hace algunos años, al Ω^-1 se le denominaba “mho”, por su relación inversa con el “ohm”; actualmente, esta expresión, lo mismo que sus múltiplos o submúltiplos (“mmho”), no debe ser utilizada.

Frecuentemente, para la medida de la resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente eléctrica se utiliza la conductividad específica (K), que se define como la conductancia (G) que presenta un prisma de dicho conductor, de 1 m² de sección y 1 m de longitud. De lo anteriormente expuesto se desprende que:

donde:

K = Conductividad específica (S•m^-1)
R = Resistencia (Ω).
L = Longitud (m).
A = Superficie (m²).

La conductividad específica se expresa en Siemens por metro (S•m^-1), que equivalen a Ω^-1•m^-1. Para facilitar los cálculos y evitar el uso de decimales, es habitual utilizar otras unidades, tales como el S•cm^-1, que es cien veces menor que el S•m^-1, el dS•m^-1 (decisiemen por metro), el mS•cm^-1 (milisiemen por centímetro) ó los μS•cm^-1 (microsiemen por centímetro).

3. Conductividad eléctrica molar y equivalente

Aunque es frecuente ver expresada la conductividad de una disolución en S•m^-1 o sus derivados (dS•m^-1, mS•cm^-1 ó μS•cm^-1), porque los equipos de medida la muestran como la magnitud que han hallado, en trabajos científicos suelen aparecer dos conceptos nuevos: la conductividad molar y la conductividad equivalente. En las variables anteriormente citadas, la conductividad se relaciona con la concentración molar o equivalente (equivalente gramo) del electrolito que participa en la disolución; en este caso, la conductividad molar se expresa como:

donde:

λ = Conductividad molar (S•m^-2•mol^-1).
K = Conductividad específica (S•m^-1).
C = Concentración (moles•m^-3).

Continuando con el mismo razonamiento, la conductividad equivalente-gramo se expresa como:

donde:

λ_eq = Conductividad equivalente molar (S•cm^-1•eq-g^-1•L^-1).
K = Conductividad específica (S•cm^-1).
C_eq = Concentración (equivalentes-gramo•L^-1).

4. Variaciones de conductividad con la temperatura

La conductividad eléctrica de un conductor y especialmente de una disolución, varía con la temperatura. En general, para disoluciones acuosas, al aumentar la temperatura aumenta la conductividad.

Dada la importancia que tiene la variación de conductividad con la temperatura, convencionalmente, se ha establecido una temperatura de referencia a la que deben estar referidas todas las medidas de conductividad eléctrica. Históricamente se ha aceptado la temperatura estándar de 25 ºC; de ahí que, la conductividad eléctrica de una disolución se suele expresar como CE₂₅; más recientemente se ha adoptado como temperatura estándar la de 20 ºC.

La determinación práctica de la conductividad eléctrica estándar puede realizarse de forma instrumental, compensando electrónicamente la temperatura o de forma algebraica; para el segundo caso se utiliza la siguiente expresión:

donde:

K₂₀ = Conductividad estándar referida a 20 ºC (S•m^-1).
K_t = Conductividad medida a t ºC (S•m^-1).
f = Factor de conversión que relaciona la conductividad con la temperatura.
t = Temperatura (ºC).

A partir de la ecuación [5] podemos deducir el factor de conversión [6]; para ello, tan solo tenemos que llevar a cabo la medida de la conductividad eléctrica a dos temperaturas (20 y 25 ºC):

5. Variación de la conductividad con la concentración

La conductividad molar o equivalente de una disolución de un electrolito (AB = A^- + B⁺) varía con la concentración. Su variación depende en gran medida de las características del soluto, las cuales vienen dadas por su constante de disociación K_a [7]:

Los electrolitos fuertes (K_a grande) presentan conductividades elevadas, incluso cuando su concentración también lo es. Por el contrario, los electrolitos débiles (K_a pequeña) presentan conductividades molares o equivalentes pequeñas, cuando la concentración es alta y grandes, cuando la concentración es muy pequeña. Este comportamiento -aparentemente atípico- se debe al incremento del grado de disociación que experimenta un electrolito débil cuando su concentración es pequeña.

Únicamente para los electrolitos fuertes ha sido posible establecer una relación cuantitativa entre la conductividad molar o equivalente -cualquiera que sea la concentración- con la conductividad a dilución infinita, que representa el valor que alcanza la conductividad cuando la concentración tiende a cero. Esta relación [8] se conoce con el nombre de ecuación de Kohlrausch:

donde:

λ = Conductividad equivalente estándar referida a 20 ºC (S•m^-1).
λ₀ = Conductividad a dilución infinita (S•m^-1).
K_c = Constante empírica.
C_eq = Concentración (equivalentes-gramo•L^-1).

Desde el punto de vista práctico, resulta interesante estimar la concentración de un determinado electrolito fuerte, en una disolución acuosa, a partir de su conductividad eléctrica; para ello, se pueden utilizar ecuaciones previamente determinadas. La Tabla 1 muestra los parámetros que hemos encontrado para los fertilizantes inorgánicos y orgánicos más comúnmente utilizados en fertirrigación.

Tabla 1. Parámetros (a, b) y coeficiente de determinación (r²) de la ecuación lineal (y = a + b•x) que relaciona la concentración (y, mM) de una disolución acuosa de fertilizantes comúnmente utilizados en fertirrigación, con su conductividad eléctrica (x, mS•cm^-1). A modo de ejemplo, en la última columna aparece la conductividad eléctrica que debería alcanzar una disolución acuosa de un fertilizante para conseguir una concentración de 5 meq•L^-1.

Aplicación informática: Puede descargarse la aplicación informática que le permite convertir los valores de CE₂₅ (mS·cm^-1), medidos con el conductivímetro, en valores de concentración del fertilizante, expresados en distintas unidades (meq·L^-1, mM, g·L^-1 o ppm).

Para ello mediante un cursor se selecciona la lectura de CE₂₅ y obtenemos automáticamente la concentración del fertilizante en disolución.

Descargar aplicación

6. El equipo para medir la actividad eléctrica del suelo

HANNA Instruments (HI) ha desarrollado un equipo (HI993310) que, a partir de un circuito electrónico común, permite medir tanto la conductividad eléctrica (CE₂₅) de una disolución, como la actividad eléctrica del suelo (A). La Fig. 1 muestra el aspecto que adopta el equipo cuando tiene conectada la sonda para medir la actividad eléctrica del suelo.


A, Sonda con forma de punzón para clavarla en el suelo y
B, dispositivo electrónico con la carátula para medir la conductividad eléctrica de una disolución (W) ó la actividad del suelo (S).

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De acuerdo con las instrucciones del fabricante, para medir la CE₂₅ de una disolución se conecta la sonda de conductividad eléctrica que se entrega con el equipo, se calibra con una disolución de referencia que, para facilitar su uso, viene preparada en sobres de aluminio plastificados, herméticamente cerrados y se procede de forma similar a como trabajaríamos con un conductivímetro normal.

Para medir la actividad del suelo (A), sustituimos la sonda de conductividad por la sonda de actividad, la conectamos al equipo de medida y tras introducir cuidadosamente la sonda en el suelo -ayudándonos si fuera necesario con el punzón de plástico que trae el equipo- pulsamos la tecla “A” y automáticamente aparecerá en la pantalla el valor de actividad del suelo, expresado en unidades arbitrarias, de 0 a 2.0, aproximadamente.

Para un suelo determinado y un punto de muestreo, la medida es rápida y estable. No obstante, para determinar correctamente la actividad del suelo, cuyo potencial nutritivo queremos caracterizar, es necesario tomar una serie de precauciones, cuyo fundamento analizamos seguidamente:

• El suelo debe contener un nivel mínimo de humedad. Conviene recordar que, para poder conducir la corriente eléctrica, los electrolitos deben poderse mover libremente en el suelo; por ello, es necesario que exista un nivel mínimo de humedad; de ahí también, la recomendación de tomar la medida a las dos horas de haber realizado un riego.
• La actividad eléctrica del suelo varía ampliamente en función de la distribución de las sales disueltas; es decir, de los elementos nutritivos aportados con: los fertilizantes, la mineralización de la materia orgánica, las sales presentes en el suelo, los iones aportados con el agua de riego, la lluvia u otras aportaciones (purines, por ejemplo). Por ello, es necesario realizar varias medidas antes de tomar como referencia la más representativa.
• La distribución de los electrolitos que existen en el suelo varía ampliamente en función de la presencia y actividad de las raíces. De ahí la importancia que tiene realizar la medida de la actividad del suelo en la zona donde las raíces absorben los nutrientes (Fig. 2). La experiencia de cada usuario debe conducir a elegir la zona más adecuada en función del tipo de cultivo, la edad, la época del año o el estado de desarrollo.
• A partir de una lectura correctamente realizada, existen Tablas que pueden ayudarnos a tomar la decisión de aplicar fertilizantes en el cultivo o en el césped (Tabla 3). No obstante, suele ser la experiencia del usuario o la calibración del equipo, para una determinada propiedad del suelo, la que determina el estado nutricional del cultivo o césped.
• La medida de la actividad del suelo depende en gran medida de su porosidad. De ahí que la sonda debe estar íntimamente en contacto con el suelo circundante, para que la medida sea correcta y pueda ser utilizada con fines de diagnóstico.

Este equipo resulta muy práctico para medidas rápidas en suelos y sustratos y así tener una idea rápida del nivel de sales que tiene nuestro cultivo. Se hace indispensable para aquellos que cultivan en recipientes individuales, macetas, bandejas, sacos, jardineras, etc. en los que tomar una muestra de cada recipiente para medir la CE del modo tradicional sería muy costoso en tiempo.


Tabla 2. Reproducibilidad de los datos obtenidos trabajando con diferentes sustratos y suelos.


En la Fig. 3 se observa la relación que existe entre la actividad del suelo, expresada en las unidades arbitrarias que indica el equipo HI993310 y el contenido total de sales, expresado en mg•kg^-1 o partes por millón (ppm), que contiene el suelo, en función de la clase textural a la que pertenece. Así por ejemplo (Fig. 3), un suelo cuyo contenido en sales disueltas fuera de 630 mg•kg^-1 daría lugar a una actividad diferente dependiendo de su textura, siendo más alta en los suelos arenosos que en los arcillosos. Para entender este fenómeno es conveniente recordar algunos conceptos relacionados con la interacción del agua con las partículas del suelo.

En una disolución acuosa, cuando una molécula o una sal se disocian, alrededor de cada partícula de soluto se forma una capa de moléculas de agua que tiende a retener al soluto. Cuando una masa de agua entra en contacto con una superficie sólida aparecen unas fuerzas de superficie –denominadas fuerzas de adsorción- cuyo efecto tiende a disminuir la movilidad del agua, lo cual trae como consecuencia una reducción en la movilidad de los solutos que se encuentran retenidos entre las moléculas del agua.

A medida que la relación superficie/volumen de las partículas del suelo aumenta, las fuerzas de adsorción que aparecen son cada vez más importantes. A mayor fuerza de adsorción menor movilidad del agua y de los solutos. Por lo tanto, los solutos que se encuentran en la matriz del suelo pueden no ser detectados por el activímetro, debido a que su movilidad se encuentra muy limitada. Volviendo de nuevo a la Fig. 3, la textura de un suelo tiene mucho que ver con la relación superficie/volumen de sus partículas; por ejemplo, frente a un suelo arenoso, un suelo arcilloso presenta un mayor número de partículas más pequeñas, las cuales presentan una mayor relación superficie/volumen. Por ello, los solutos de un suelo arcilloso permanecen más fuertemente retenidos en la matriz del suelo (de naturaleza eléctrica negativa) y es posible que el activímetro muestre una lectura inferior a la que mostraría en un suelo arenoso.

Tabla 3. Valores óptimos de actividad de suelo (AS), medida con un actinímetro HANNA Instruments (HI 993310) para diferentes cultivos y césped.

Autores:
José M. Durán Altisent
Norma Retamal Parra
Rubén Moratiel Yugueros
Departamento de Producción Vegetal: Fitotecnia
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos
Universidad Politécnica de Madrid