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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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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.
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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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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.
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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
?5 39.0 15.5 3?5
4.5 32.5 16.5 46.5
5.0 16.5 21.0 55.0
da
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1.33
1.64
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Ks
("'''' k1
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0 . 4
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-
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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.
'l 980~ \
\ 1 \
770il \
\ 560
350
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Fig . 2 . Velocidades de infiltruci6n .
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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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70
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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)
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, 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.
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