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Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental

On-line version ISSN 1807-1929

Rev. bras. eng. agríc. ambient. vol.11 no.2 Campina Grande Mar./Apr. 2007

http://dx.doi.org/10.1590/S1415-43662007000200003 

MANEJO DE ÁGUA E SOLO

 

Relação entre potássio na solução do solo, umidade e condutividade elétrica aparente do solo1

 

Relationship between potassium in the soil solution, soil water content and bulk electrical conductivity

 

 

Gessionei da S. SantanaI; Eugênio F. CoelhoII; Tibério S. M. da SilvaII; Márcio M. RamosIII

IEscola Agrotécnica Federal de Salinas, Fazenda Varginha, km 02, Rodovia Salinas-Taiobeiras, CP 71, CEP 39560-000, Salinas, MG. Fone: (38) 3841 - 1599. E-mail: gessionei@gmail.com
IIEmbrapa Mandioca e Fruticultura, CP 07, CEP 44380-000, Cruz das Almas, BA. Fone: (75) 3621 - 8021. E-mail: ecoelho@cnpmf.embrapa.br; tibério-s@hotmail.com
IIIDEA/UFV, CEP 36570-000, Viçosa, MG. Fone: (31) 3899 - 1914. E-mail: mmramos@ufv.br

 

 


RESUMO

Através de modelos que relacionam umidade (q), condutividade elétrica aparente do solo (CEa) e condutividade elétrica da solução do solo (CEw), objetivou-se avaliar, para condição de laboratório, a viabilidade de se estimar a concentração de potássio na solução do solo (K), para solos de classe textural franca (CTf) e franco-arenosa (CTfa). Cinco soluções de cloreto de potássio, referentes a cinco condutividades elétricas (1,0, 2,5, 4,0, 5,5 e 7,0 dS m-1), foram aplicadas sobre o solo acondicionado em colunas de PVC, de forma a se obter cinco q do solo (17,0 ± 1,4, 19,0 ± 1,8, 21,4 ± 2,2, 23,4 ± 2,2 e 26,0 ± 3,0%, em volume). Efetuaram-se leituras de q e CEa com um aparelho de reflectometria no domínio do tempo (TDR) e se extraiu solução do solo com extrator de cápsula de cerâmica, para determinar a CEw e o K. Três modelos foram ajustados aos dados, por meio de planilha eletrônica. É viável estimar a concentração de K na solução do solo, a partir de q e CEa, para condição de laboratório, por meio dos modelos de Rhoades et al. (1976), Vogeler et al. (1996) e Mualen & Friedman (1991), adaptados com uma relação entre CEw e K do tipo potência, nas faixas de 0 a 60 e 0 a 120 mg L-1, para solos de CTf e CTfa, respectivamente.

Palavras-chave: concentração iônica, TDR, manejo da fertirrigação


ABSTRACT

The objective of this work was to evaluate the feasibility of estimating the potassium (K) concentration in the soil solution, under laboratory conditions, for loamy (CTf) and sandy loam (CTfa ) soils, through models that relate soil water content (q), bulk electrical conductivity (CEa) and soil solution electrical conductivity (CEw). Five potassium chloride solutions with electrical conductivities of 1.0, 2.5, 4.0, 5.5 and 7.0 dS m-1, were applied in a soil packed in PVC columns in order to obtain five soil water contents (17.0 ± 1.4, 19.0 ± 1.8, 21.4 ± 2.2, 23.4 ± 2.2 and 26.0 ± 3.0%, on volume basis). Readings of q and CEa were obtained by using time domain reflectometry (TDR) equipment and soil solution was extracted by a water sampler to determine CEw and K. Three models were fitted to the data by an electronic sheet. It is possible to estimate potassium concentration in the soil solution from q and CEa under laboratory conditions by the models of Rhoades et al. (1976), Vogeler et al. (1996) and Mualen & Friedman (1991) using a potential relationship between CEw and K in the range of 0 to 60 and 0 to 120 mg L-1, for soils of CTf and CTfa, respectively.

Key words: ionic concentration, TDR, fertirrigation management


 

 

INTRODUÇÃO

A técnica de fertirrigação vem sendo utilizada, em todo o País, especialmente na Região Nordeste, em pólos agrícolas de produção de frutas e hortaliças. O uso desta técnica é crescente, sobretudo em condições de irrigação localizada. Com a expansão do uso desta tecnologia, a demanda por informações voltadas para o seu correto manejo tem aumentado sensivelmente; não obstante, tais informações ainda são escassas (Folegatti, 1999).

Os estudos a respeito de fertirrigação têm-se direcionado para a definição de freqüências de aplicação de fertilizantes e de doses e fontes de nutrientes, para condição de fertirrigação; aliado a isto, a preocupação com possíveis impactos do uso intensivo dessa técnica sobre o solo e a água, face à possibilidade de contaminação de lençóis freáticos devido à lixiviação de sais e de ocorrência de desbalanço químico e de alterações no pH do solo, é cada vez maior (Pinto, 2001).

O monitoramento de íons no solo constitui-se em um ponto chave no manejo da fertirrigação. Dessa forma, a implementação de um sistema automatizado capaz de monitorar, de forma contínua, a distribuição de água e de íons em áreas agrícolas, faz-se necessária para o correto manejo da fertirrigação nos solos cultivados. Uma alternativa viável para tal fim, é a técnica da Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) que, além de possibilitar, com o uso de uma única sonda, a determinação simultânea da umidade (q) e da condutividade elétrica aparente do solo (CEa), em tempo real e de forma automatizada, rápida e com o mínimo distúrbio da estrutura do solo viabiliza, de forma indireta, o conhecimento da condutividade elétrica da solução do solo (CEw) e da concentração de nutrientes nesta solução (Dalton et al., 1984; Wraith & Das, 1998; Mmolawa & Or, 2000; Muñoz-Carpena et al. 2001; Noborio, 2001).

A técnica da TDR foi aplicada, inicialmente, ao solo, por Topp & Davis (1980) objetivando medir a sua umidade, com base no tempo de deslocamento de pulsos eletromagnéticos, através de uma linha de transmissão (sonda), composta de hastes de aço de comprimento conhecido, introduzidas no solo (Tommaselli & Bacchi, 2001). Posteriormente, esta técnica foi utilizada com sucesso em várias pesquisas, objetivando-se a determinação da q e CEa (Rhoades et al., 1976; Rhoades et al., 1989; Vogeler et al. (1996); Heimovaara et al., 1995; Persson & Uvo, 2003), a modelagem da dinâmica de água e solutos iônicos na zona radicular (Mmolawa & Or, 2000), a identificação do perfil de extração de água pelo sistema radicular das culturas (Coelho & Or, 1996) e a estimativa da evapotranspiração das culturas (Ward & Dunin, 2001).

Wraith & Das (1998) e Persson & Uvo (2003) relatam que, devido à relação existente entre a CEa e a CEw e entre CEw e concentração iônica (Ci), é possível usar a TDR para monitorar a distribuição de água e solutos iônicos no solo; contudo, a TDR não determina, de forma direta, CEw e Ci, mas diversos modelos propostos na literatura relacionam q, CEa e CEw (Rhoades et al., 1976; Rhoades et al., 1989; Mualen & Friedman, 1991; Heimovaara et al., 1995; Vogeler et al., 1996). Pesquisas recentes revelaram que é possível relacionar, satisfatoriamente, a CEw com a Ci (Wraith & Das, 1998; Mmolawa & Or, 2000; Muñoz-Carpena et al. 2001). Heimovaara et al. (1995) e Vogeler et al. (1996) relatam que a maioria dos autores concorda que é possível relacionar a CEw estimada com a Ci de um íon predominante na solução do solo, obtendo-se bons ajustes para modelos lineares; mas, estudos revelaram a necessidade de calibração de modelos para tal fim (Wraith & Das, 1998; Persson & Uvo, 2003).

Desenvolveu-se este trabalho objetivando-se avaliar, para condições de laboratório, a viabilidade de se estimar a concentração de potássio na solução do solo (K), para solos aluviais de textura franca (CTf) e franco-arenosa (CTfa), a partir de dados de q e CEa, determinados por meio da técnica da TDR.

 

MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi desenvolvido com um solo aluvial, coletado no Município de Nova Porteirinha, MG, situado nas seguintes coordenadas geográficas: altitude 533 m, latitude 15º 48- 09" e longitude 43º 18- 32". A coleta do solo foi efetuada por camada de 0,20 m de espessura, a partir da superfície do solo até 0,80 m de profundidade, o que resultou em duas classes texturais para serem estudadas (Tabela 1). O solo coletado na camada superficial (0-0,20 m), resultou na classe textural franco-arenosa (CTfa), ao passo que o solo coletado na profundidade de 0,20-0,80 m resultou na classe textural franca (CTf). O solo foi secado ao ar, destorroado e peneirado em peneira com malha de 2 mm. Segmentos de tubo de PVC com 0,19 m de altura e 0,10 m de diâmetro foram preenchidos com 1,90 kg de terra fina secada ao ar (TFSA), até a altura de 0,17 m, perfazendo um volume de solo no tubo de PVC de 0,00133518 m3.

O experimento consistiu de cinco soluções de cloreto de potássio, referentes a cinco condutividades elétricas (CE) (1,0; 2,5, 4,0, 5,5 e 7,0 dS m-1), que foram aplicadas sobre o solo, de forma a se obter cinco umidades do solo (q) (17,0 ± 1,4, 19,0 ± 1,8, 21,4 ± 2,2, 23,4 ± 2,2 e 26,0 ± 3,0%, em base de volume), resultando em 25 tratamentos (Figura 1), que foram repetidos duas vezes, para a CTf, obtendo-se 50 observações enquanto para a CTfa, os tratamentos não foram repetidos e, portanto, obtiveram-se apenas 25 observações.

 

 

A umidade do solo referente à umidade residual (qr), foi obtida pelo método padrão de estufa (Bernardo, 1995), possibilitando a correta complementação do nível de água do solo para os níveis desejados.

A fim de se conhecer a relação entre concentrações de cloreto de potássio (KCl) e condutividades elétricas (CE) de soluções de KCl, realizou-se um ensaio preliminar que consistiu na preparação de soluções de KCl, mediante a solubilização de quantidades crescentes de KCl em água destilada; em seguida, determinaram-se as CE por meio de condutivímetro de mesa. Submetendo-se os valores de concentrações de KCl e CE das soluções de KCl à análise de regressão, chegou-se à Eq. 1:

(1)

em que:
KCl e CE correspondem, respectivamente, a concentrações de cloreto de potássio nas soluções de cloreto de potássio, em g L-1, e condutividades elétricas das soluções de cloreto de potássio, em dS m-1.

A umidade do solo foi determinada por meio da equação de Ledieu et al. (1986) e a CEa por meio da equação proposta por Giese & Tiemann (1975), cujos valores foram corrigidos para a temperatura de 25 oC, conforme a Eq. 2 (Richards, 1954):

(2)

para 20 < T < 47 ºC

em que:
fT - fator de correção da CE quanto aos efeitos da temperatura, adimensional
T - corresponde à temperatura da solução do solo, em ºC.

Logo após as leituras de q e CEa pela TDR, retirou-se a sonda do solo e se introduziu um segmento de tubo PVC de 12 mm até a profundidade correspondente ao comprimento da haste da sonda. No orifício feito pelo tubo de PVC, introduziu-se um extrator de solução do solo, provido de cápsula de cerâmica, devidamente limpo, e se lhe aplicou uma sucção equivalente a -70 kPa (Rhoades et al., 1976; Heimovaara et al., 1995; Wraith & Das, 1998; Vogeler et al., 1996; Muñoz-Carpena et al. 2001); após a sucção de cerca de 15 mL de solução do solo, retirou-se o extrator, homogeneizou-se a solução armazenando-a em frascos de vidro previamente lavados para posterior determinação da sua condutividade elétrica (CEw), por meio de condutivímetro de mesa.

Preliminarmente, seis modelos matemáticos foram avaliados quanto à sua capacidade de relacionar q, CEa e CEw; a partir desta avaliação, selecionaram-se os três modelos que melhor se ajustaram aos dados observados de q, CEa e CEw, para fins de estimativa da concentração de K na solução do solo (Tabela 2).

A umidade de saturação (qs) foi obtida conforme a Eq. 3:

(3)

em que:
Ds e Dp - correspondem, respectivamente, à densidade do solo e de partículas e são expressas em kg dm-3

Os ajustes dos modelos utilizados para se estimar a concentração de K na solução do solo (Tabela 2), foram otimizados explicitando-se a variável CEw (Tabela 3); em seguida, relacionaram-se os valores medidos de CEw e de K, obtendo-se equações do tipo potência (Mmolawa & Or, 2000) e linear (Muñoz-Carpena et al., 2001; Heimovaara et al., 1995; Vogeler et al, 1996; Vogeler et al., 1997 e Wraith & Das, 1998):

CEw = aKr

(4)


CEw = a + rK

(5)

em que:
a e r - parâmetros adimensionais das equações

Substituindo-se as Eqs. 4 e 5 nas Eqs. 9, 10 e 11, obtiveram-se as Eqs. 12, 13, 14, 15, 16 e 17 (Tabela 4) que, em seguida, tiveram seus ajustes otimizados, explicitando K.

A avaliação dos modelos quanto à sua capacidade de relacionar q, CEa e K, com vistas à estimativa de K a partir de dados de q e CEa obtidos por meio da técnica da TDR, foi feita com base no coeficiente de concordância (D), proposto por Willmontt (1981) (Eq. 18), no coeficiente de determinação (R2) e no grau de ajuste da variável dependente (Y) com a variável independente (X), mediante o estabelecimento de uma equação do tipo Y = aX, após otimização de seus ajustes aos dados medidos, por meio de planilha eletrônica.

(18)

em que:
Mi - valor medido de ordem i
Ei - valor estimado de ordem i
- média dos valores medidos
n - número de valores medidos

O coeficiente de concordância (D) expressa a exatidão dos valores estimados em relação aos valores medidos, variando de zero, que indica nulidade, a um que indica perfeita exatidão.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os valores dos parâmetros dos três modelos que melhor se ajustaram aos dados observados e seus respectivos coeficientes de determinação (R2), assim como, os valores do coeficiente de concordância (D), para os solos de classes texturais franca (CTf) e franco-arenosa (CTfa), são apresentados na Tabela 5. De modo geral, nota-se que os modelos estimaram melhor a CEw a partir dos dados do solo de CTf (R2 = 0,80 e D = 0,94) que a partir dos dados do solo de CTfa (R2 = 0,77 e D = 0,93). Percebe-se, ainda, equivalência entre os três modelos para o solo de CTf (R2 = 0,80 e D = 0,94), ao passo que, para o solo de CTfa, o modelo de Vogeler et al. (1996) se sobressaiu frente aos demais, com R2 = 0,80, contra 0,77 e 0,75 e D = 0,94, contra 0,93 e 0,92, dos modelos de Rhoades et al. (1976) e de Mualen & Friedman (1991) respectivamente.

Confeccionada com os valores de CEw estimados a partir dos valores dos parâmetros contidos na Tabela 5, a Figura 2, referente ao solo de classe textural franca (CTf) (A) e ao solo de classe textural franco-arenosa (CTfa) (B), esboça a mesma tendência observada nos resultados apresentados na Tabela 5.

Relações do tipo potência e linear entre as variáveis CEw e K medidas na solução do solo, são mostradas na Figura 3, referente ao solo de classe textural franca (CTf) (A) e ao solo de classe textural franco-arenosa (CTfa) (B). Para o solo de CTf, o modelo que melhor explicou essa relação foi o do tipo potência, com R2 = 0,81; já para o solo de CTfa, os modelos linear e potência foram equivalentes na explicação desta relação, apesar do modelo tipo potência ser ligeiramente superior (R2 = 0,98) ao modelo tipo linear (R2 = 0,97). O ajuste entre CEw e K, para o solo de CTf, está de acordo com Mmolawa & Or (2000) mas difere daqueles obtidos por Heimovaara et al. (1995), Vogeler et al. (1996), Vogeler et al. (1997) e Wraith & Das (1998), Muñoz-Carpena et al. (2001), que foram do tipo linear; porém para o solo de CTfa o ajuste entre CEw e K está de acordo com todos esses autores, visto que tanto o modelo potência quanto o linear, explicaram bem esta relação. Vogeler et al. (1997) relatam que, para baixas concentrações iônicas, a CEw se relaciona, de forma linear, com a concentração de determinado sal presente na solução do solo.

Vê-se, na Tabela 6, os valores dos parâmetros e dos coeficientes de determinação (R2) dos modelos adaptados e avaliados para os solos de CTf e CTfa. Evidencia-se notável supremacia do ajuste dos dados do solo de textura franco-arenosa (CTfa) e com menor percentual de partículas finas e, portanto, com menor superfície específica, por todos os modelos (R2 = 0,79 e D = 0,94), comparativamente àquele obtido para o solo de textura franca (CTf) e com maior percentual de partículas finas (R2 = 0,60 e D = 0,85). Tais constatações podem ser devidas às características físicas e/ou físico-químicas do solo, tal como a capacidade de troca de cátions (CTC), que pode atuar com maior ou menor intensidade na adsorção e/ou dessorção de cátions.

Observa-se, para o solo de CTfa, que uma estimativa melhor da concentração de K na solução do solo a partir de dados de umidade (q) e condutividade elétrica aparente (CEa), é obtida quando se introduz, nos modelos adaptados, uma relação do tipo potência entre CEw e K (R2 = 0,81 e D = 0,94); mas, para o solo de CTf, percebe-se que as estimativas de K foram equivalentes quando se introduziu, nos modelos adaptados, qualquer uma das relações entre CEw e K (tipo linear ou potência), exceto para o modelo de Rhoades et al. (1976), adaptado com uma relação entre CEw e K do tipo potência, que foi superior aos demais, em cerca de 7%, quanto ao R2, porém, quanto ao coeficiente de concordância (D), com valor médio igual a 0,85, não se observa diferença considerável.

Em relação aos modelos adaptados, verifica-se que os de Rhoades et al. (1976) e de Vogeler et al. (1996) proporcionaram as melhores estimativas de concentração de K na solução do solo, a partir de dados de q e CEa, para o solo de CTf e CTfa, respectivamente, com valores de R2 iguais a 0,66 e 0,82 e de D iguais a 0,85 e 0,95.

Tendo em vista o baixo desempenho apresentado pelos modelos adaptados na estimativa do K da solução do solo para o solo de CTf (Tabela 6), plotou-se o K estimado como função do K medido, por meio de uma função do tipo Y = aX, apenas para o modelo de Rhoades et al. (1976), adaptado com uma relação entre CEw e K do tipo potência, que foi o que melhor estimou o K da solução do solo. Esta relação pode ser observada na Figura 4, na qual se percebe, também, considerável dispersão dos dados medidos e estimados a partir de uma concentração de K na solução do solo superior a 60 mg L-1. A referida dispersão, além de reforçar os baixos ajustes apresentados na Tabela 6, revela a fragilidade desses modelos na estimativa daquele K, quando a concentração desse íon na solução do solo é superior a 60 mg L-1 para solos com características físico-químicas similares às do solo de CTf.

 

 

No trabalho de Nadler (1997), também se constatou aumento da dispersão dos dados com o incremento do teor de partículas menores; desta forma, o baixo ajuste dos modelos adaptados aos dados do solo de CTf e, conseqüentemente, com maior teor de silte e argila, comparativamente ao do solo de CTfa, pode ser devido às características físico-químicas desse solo sugerindo, portanto, que tais características influenciam na estimativa da concentração de K na solução do solo, com esses modelos.

Na Figura 5, o K estimado para o solo de CTfa, por meio dos modelos adaptados com uma relação entre CEw e K do tipo potência (A) e linear (B), é plotado como função da concentração de K medida na solução do solo. Nota-se que os modelos adaptados com uma relação entre CEw e K do tipo potência (Figura 5A) proporcionaram melhor estimativa da concentração de K na solução do solo (R2 = 0,78), que quando adaptados com uma relação do tipo linear (R2 = 0,72) (Figura 5B). Para este solo, o modelo adaptado de Vogeler et al. (1996) foi o que melhor se ajustou aos dados observados na estimativa da concentração de K da solução do solo.

No que tange ao coeficiente angular, os ajustes dos modelos adaptados foram equâmines (em torno de 0,92), independentemente da relação entre CEw e K neles introduzida.

Com base no que se constatou na Tabela 6 e na Figura 4, para o solo de CTf, procedeu-se a uma nova otimização dos ajustes dos modelos adaptados, considerando-se apenas os valores de q, CEa e CEw, associados a concentrações de K na solução do solo, inferiores a 60 mg L-1. Os valores de D, dos parâmetros e de R2 dessa nova otimização, explicitando CEw e K, são apresentados nas Tabelas 7 e 8, respectivamente.

Apesar dos modelos continuarem estimando bem a CEw, comparativamente aos ajustes obtidos e apresentados na Tabela 5 (solo de CTf), verifica-se ligeira redução dos valores de R2 e de D, quando se explicita CEw (Tabela 7); contudo, quando se explicita o K, substancial melhoria nos ajustes (R2 passando de 0,60 para 0,80 e D de 0,85 para 0,94) dos modelos adaptados aos dados de concentração de K na solução do solo é evidenciada (Tabela 8), comparativamente aos obtidos e apresentados na Tabela 6 (solo de CTf); observa-se, com isso, o quanto esses modelos são frágeis para estimar a concentração de K na solução do solo, quando esta concentração se situa acima de 60 mg L-1. Nota-se, também, que, para concentrações de K na solução do solo inferiores a 60 mg L-1, não há diferença expressiva dos ajustes dos modelos aos dados observados, independentemente do tipo de relação entre CEw e K, neles introduzida (Tabela 8).

Na Figura 6, o K estimado por meio dos modelos adaptados com uma relação entre CEw e K do tipo potência (A) e linear (B), para concentrações de K na solução do solo inferiores a 60 mg L-1, é plotado como função do K medido por meio de uma equação do tipo Y = aX. Não se observa superioridade expressiva de nenhum dos modelos avaliados nem mesmo efeito do tipo de relação entre CEw e K, neles inserida, significando que qualquer um dos modelos avaliados pode ser utilizado para se estimar a concentração de K na solução do solo, a partir de dados de q e CEa obtidos pela técnica da TDR, independentemente do tipo de relação entre CEw e K (potência ou linear) neles introduzida. Observa-se satisfatório ajuste da relação entre o K estimado e medido (R2 = 0,75 e coeficiente angular superior a 0,95) (Figura 6 A e B). Ressalta-se que o fato de se considerar os modelos adaptados capazes de estimar a concentração de K na solução do solo, apenas na faixa de 0 a 60 mg L-1, para o solo de CTf, além de conferir maior confiabilidade em suas estimativas conferiu, também, melhor ajuste entre dados estimados e medidos. Essas constatações reforçam a afirmação de que a textura do solo tem influência na estimativa da concentração de K na solução do solo, por esses modelos, tornando esses capazes de estimá-la para solos com características texturais iguais às do solo de CTf, apenas quando esta concentração se situa abaixo de 60 mg L-1.

 

CONCLUSÃO

É viável estimar a concentração de K na solução do solo, a partir de dados de q e CEa, obtidos por meio da técnica da TDR, para condições de laboratório, por meio dos modelos de Rhoades et al. (1976), Vogeler et al. (1996) e Mualen & Friedman (1991) adaptados com uma relação entre CEw e K do tipo potência, para as faixas de 0 a 60 e 0 a 120 mg L-1, para solos de textura franca e franco-arenosa, respectivamente.

 

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Protocolo 190.04 - 29/12/2004 - Aprovado em 15/12/2006

 

 

1 Extraído da Tese de Doutorado do primeiro autor