EVALUACIÓN DE LA LIXIVIACIÓN DE NITRÓGENO EN SUELOS DE SANTA MARIA AMAJAC, HIDALGO Luis Felipe JUÁREZ SANTILLÁN 1 y Rosa Icela BELTRÁN HERNÁNDEZ 1 1 Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Carr. Pachuca-Tulancingo km 4.5, C.P. 42076. Pachuca, Hidalgo. Correo electrónico: [email protected] Palabras clave: Nitrógeno, lixiviación de nutrientes RESUMEN En el Valle del Mezquital, en el Estado de Hidalgo, se localiza uno de los distritos de riego más importantes del mundo, el Distrito de Riego 03 (DR03) al cual llegan grandes cantidades de aguas residuales provenientes de la ciudad de México. Las aguas que llegan al DR03 tienen una composición variable, los beneficios que otorgan son: aportes de N, P y materia orgánica (MO) importantes para el suelo y los cultivos, no obstante, también contribuyen con ciertas concentraciones de metales tóxicos, sales solubles que incrementan la salinidad y patógenos. Aunado a lo anterior, la forma de riego por inundación que se practica en la región propicia que algunos nutrientes y tóxicos aportados por el agua de riego, al suelo se lixivien y contaminen horizontes inferiores e incluso aguas subterráneas. Dada la importancia de la problemática anterior, en este trabajo se estudió la migración del nitrógeno en sus diferentes formas inorgánicas, en tres profundidades, 0-30cm, 30-60cm y 60-90cm. También se realizó la caracterización de los suelos, los cuales presentaron textura franca, una capacidad de intercambio catiónico (CIC) entre 20.813 a 48.713 considerada como media y muy alta, respectivamente. La conductividad eléctrica (CEs) varió entre 0.633 y 2.330 dS*m-1, los valores de CEs mayores que 2.00 indican ligeros problemas de salinidad. Finalmente, el pH de estos suelos se encontró entre ligeramente alcalino a alcalino. En cuanto al nitrógeno presente en el suelo, se observó que cantidades importantes en forma de NO3- y NH4+ migran hasta una profundidad de 90 cm. Conforme incrementa la profundidad la concentración de NO3- tiende a disminuir, pero las concentraciones encontradas a 90 cm. (3.898 – 26.292 mg*Kg-1) son considerables y pueden representar un riesgo si llegan a aguas subterráneas. También se encontró que altas concentraciones de NH4+ (17.280 – 205.113 mg*Kg-1) lixivian a profundidades mayores de 30 cm, representando igualmente un riego de contaminación. INTRODUCCIÓN La contaminación de los suelos por metales pesados y fertilizantes se ha incrementado considerablemente, como consecuencia del empleo intensivo de agroquímicos y del riego con aguas residuales, entre otras (FAO e IFA, 2002; Méndez et al., 1997; Tamariz, 1996). Esta problemática ocurre generalmente, en las zonas agrícolas cercanas a las grandes urbes, donde los volúmenes de aguas residuales industriales y municipales, que se generan son cada vez mayores. 1 En el estado de Hidalgo, se cuenta con dos distritos de riego el 100 (DR100) y el 03 (DR03). El volumen de agua residual que llega a este último, varía entre 40 y 60 m3/s dependiendo de la época del año. La introducción del riego ha incrementado la productividad de los suelos en la región, pero a la par ha producido efectos adversos como la contaminación de los mismos y la de los productos agrícolas que en ellos se producen. Sin embargo, debido a que el suelo no es un sistema cerrado, su degradación conlleva efectos adversos a los otros compartimientos ambientales, como son la hidrosfera y la atmósfera. Por lo cual, en la presente investigación se plantea estudiar la migración del nitrógeno en sus diferentes formas inorgánicas hasta una profundidad del suelo de 90 cm, para evaluar el peligro potencial que representa para la contaminación de mantos freáticos. MATERIALES Y MÉTODOS Zona de estudio. Para la realización del estudio se seleccionó el poblado de Santa María Amajac, el cual pertenece al DR03, con una antigüedad de riego con aguas residuales de 30 años. Se seleccionaron tres parcelas, de 1 ha cada una, las cuales son trabajadas de manera similar. Los cultivos que comúnmente se obtienen de ellas son maíz, fríjol, calabaza, flor de cempasúchil y cebada. Los suelos fueron denominados de la siguiente forma: Suelo Suelo sembrado con maíz Suelo sembrado con maíz Suelo sembrado con calabaza Etiqueta Suelo 1 Suelo 2 Suelo 3 Muestreo de suelo. Por su homogeneidad, cada parcela fue considerada como una unidad de muestreo tomando 4 muestras simples de cada profundidad por hectárea. Las profundidades de muestreo fueron 0-30, 30-60 y 60-90 cm. Posteriormente, las muestras simples de cada parcela, correspondientes a una profundidad se mezclaron perfectamente para obtener una muestra compuesta. La toma de muestras se realizó con un muestreador manual de níquel y acero al carbono. Caracterización fisicoquímica de suelos. Para conocer las características físicas y químicas de los suelos, así como su estado de fertilidad, se realizaron las determinaciones de pH, conductividad eléctrica (CE), materia orgánica (MO), capacidad de intercambio catiónico (CIC), sulfatos, cloruros, fósforo y textura, los métodos empleados se describen en la NOM-SEMARNAT-021-2000 (Diario oficial de la federación, 2000). Los contenidos de NO2- y NO3- se determinaron usando los métodos colorimétricos de la α-naftilamina y el ácido fenildisulfónico, respectivamente; para la determinación del NH4+ se utilizó el método de valoración del H3BO3 el (Yúfera y Carrasco, 1973). Análisis de agua de riego. Se tomaron muestras de agua de riego en cada muestreo. La caracterización del agua se realizó en base a los métodos reportados para análisis de aguas residuales en APHA et al., (1999). 2 RESULTADOS Y DISCUSIÓN La adición de agua residual, sin tratamiento previo, por períodos prolongados, puede afectar la calidad de los suelos; por lo que en los siguientes párrafos se comentan las características evaluadas en los suelos. pH El valor de pH para cada suelo, fue obtenido en un extracto acuoso 1:2, obteniéndose valores para todos los suelos entre 7.14 a 8.85 unidades. Boulding, (1994) y la NOM-SEMARNAT-021-2000 consideran a estos valores como neutros, ligeramente alcalinos a fuertemente alcalinos, es importante señalar que estos valores son muy cercanos a los que Flores et al., (1997), reportaron para suelos del DR03 (valores entre 7.86 a 8.70) lo cual indica que el pH se ha mantenido prácticamente constante durante estos años, aunque el suelo es un compartimiento ambiental dinámico en el que pueden presentarse variaciones espaciales y temporales como se comenta a continuación El comportamiento que presentó el pH a lo largo de los cuatro muestreos fue un tanto variable, pero nunca salió del intervalo de alcalinidad. Es importante señalar que durante el segundo muestreo todos los suelos presentaron una disminución de pH (entre 7.14- 7.93), esto se pudo deber al agua residual que se empleó para regar durante este período, ya que ésta presentó un pH de 6.81 unidades, el cual es ligeramente ácido. Seoánez et al., (1999), mencionan que la acidez de un suelo puede deberse al arrastre o lavado de bases y como consecuencia, entre otros, factores de vertidos de aguas residuales industriales o en cualquier otro tipo de vertido, así como por la siembra de un solo cultivo. En el suelo 1, el pH aumentó con la profundidad, por lo que es muy probable que haya existido una lixiviación de bases a profundidades mayores de 30 cm. En el suelo 2, en el primer y tercer muestreo el pH disminuyó con la profundidad, y en el segundo y cuarto muestreo el pH tendió a aumentar, si bien el lavado de bases no fue tan marcado, sí pudo haber existido lixiviación de éstas. En cuanto al suelo 3, durante los primeros tres muestreos el pH tiende a disminuir a mayor profundidad y en el cuarto muestreo tiende a incrementarse con ésta. Es importante señalar que los valores de pH encontrados en estos suelos están fuera del óptimo tanto para la calabaza (5.5 a 6.5), como para el maíz (5.5 a 7.0), que fueron los cultivos sembrados en ellos. No obstante, ambos cultivos presentaron un buen desarrollo. Conductividad Eléctrica (CEs), Sulfatos y Cloruros. La CEs presente en estos suelos varía a lo largo de las profundidades entre 0.633 y 2.330 dS*m-1. Los valores encontrados se clasifican como no salinos y ligeramente salinos. Es importante señalar que los valores mas altos de CEs los presenta la capa arable, es decir de 0-30 cm. de profundidad, con base en la clasificación de la NOM-021-SEMARNAT-2000 Boulding, (1994), se pueden considerar como suelos con problemas de salinidad. Aunque estos valores no son lo suficientemente altos como para categorizarlos como suelos salinos (CEs > 4 dS*cm-1); sí pueden afectar el crecimiento de cultivos sensibles a la salinidad. El maíz y la cebada son cultivos medianamente tolerantes a la salinidad, sin 3 embargo, el fríjol está considerado como un cultivo sensible. De acuerdo con las ecuaciones propuestas por Aceves (1979) en Porta (1994), se esperaría un rendimiento del 75.43 en el fríjol, debido al valor de la CEs (0.633 y 2.330 dS*m-1). Los valores de cloruros (21.695 a 236.522 mg*kg-1) y sulfatos (0.119 a 10.858 mg*kg-1), a lo largo de las profundidades nos indican que estos suelos presentan problemas de salinidad. Una de las características que presentan los sulfatos y cloruros es que propician la salinidad de los suelos y estrés hídrico sobre las plantas. Esto puede relacionarse con lo reportado por Velásquez et al., (2002). En el suelo 1, en el primer y cuarto muestreo la CEs tiende a incrementarse conforme aumenta la profundidad, y en el segundo y tercer muestreo tiende a disminuir. Los cloruros y sulfatos a mayor profundidad tienden a disminuir durante los tres primeros muestreos y aumentan sólo en el cuarto. Por otro lado, en el suelo 2 tanto la CEs como los cloruros y sulfatos tienden a disminuir conforme incrementa la profundidad. Y en el suelo 3 durante los tres primeros muestreos la CEs, cloruros y sulfatos disminuyen conforme aumenta la profundidad. En el cuarto muestreo ocurre lo contrario respecto del los tres muestreos anteriores con la CEs y cloruros; mientras que sulfatos tiende a disminuir, pero estos sólo se encontraron a 30 y 90 cm. de profundidad. El comportamiento observado en los suelos es explicable, ya que cuando se riega, aun cuando el agua contenga sales, es capaz de hacer un lavado de éstas depositándolas en horizontes inferiores, sin embargo, una vez que el suelo se seca hay reascenso de sales por capilaridad y éstas se acumulan nuevamente en la superficie del suelo. Fósforo (P) Las concentraciones de P en los suelos varía entre 21.525 hasta 270.319 mg*kg-1, estos valores se clasifican como altos, lo cual es benéfico para la nutrición de las plantas, ya que el P es de los macronutrientes primarios. Es muy probable que los contenidos de Al, Ca y Fe sean bajos o en todo caso no estén disponibles en estos suelos ya que tanto el pH como el contenido de P son altos Seoánez et al., (1999). El contenido de P encontrado (27.191-164.112 mg*kg-1) a la profundidad de 60-90 cm. es considerable en los tres suelos, por lo que es muy probable que este nutriente llegue a manto freático. Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC). La CIC a lo largo de todas las profundidades presentó valores de 20.813 a 48.713 (cmol (+)*kg-1), estos valores se clasifican como una CIC de media a muy alta con base en la NOM-SEMARNAT-021. Estos valores concuerdan con los reportados por García, 2004; Juárez, 2005 y Lucho et al., 2004. La CIC es una característica importante desde el punto de vista de fertilidad, ya que gracias a ella los suelos pueden almacenar cationes necesarios para la nutrición de las plantas. Al mismo tiempo, los suelos con altas CIC, pueden retener cationes tóxicos e intercambiarlos con la solución del suelo, de donde pueden ser absorbidos por las plantas. 4 Materia Orgánica (MO) Los porcentajes de MO (0.381-4.841 %) se clasifican todos como bajos en base a la NOM-SEMARNAT-021, además el contenido de MO en todos los suelos tiende a disminuir conforme incrementa la profundidad, por lo que el agua de riego representa una buena fuente de MO. Autores como Lucho et al., (2004) y García, (2004) reportaron contenidos mayores. Textura De acuerdo a los porcentajes de arena, limo y arcilla estos suelos son clasificados como francos en base a la clasificación de. Boulding, (1994) y la NOMSEMARNAT-021-2000, esto mismo concuerda con lo reportado por García, (2004) y Lucho et al., (2004) para estos suelos. En los tres suelos estudiados se observó una tendencia a incrementar el contenido de arcilla conforme incrementa la profundidad del suelo, lo que indica que no sólo se están lixiviando nutrientes sino también translocando arcillas, la cual representa un pérdida de estructura adecuada para un suelo agrícola en la capa arable, ya que las arcillas son las partículas de importancia para la retención de nutrientes y humedad. Evaluación del contenido de nitrógeno inorgánico en los suelos Los valores de NO3- y NH4+ encontrados en el suelo son superiores a los reportados por Juárez, (2005) y García, (2004) para suelos del DR03. El comportamiento del N en los cuatro muestreos se describe a continuación: Durante el segundo muestreo se ve un incremento considerable en el contenido de NH4+ en las tres profundidades (Figura 2), respecto del primer muestreo, para el tercer muestreo se observó una disminución en el contenido tanto de NH4+ como de NO3- (Figura 1 y 2) y finalmente, en cuarto muestreo aumentó nuevamente. Los incrementos observados pueden atribuirse al proceso de amonificación que sufren los compuestos orgánicos nitrogenados. 250 Primer muestreo Segundo muestreo Tercer muestreo Cuarto muestreo 150 + -1 mg NH4 *Kg ss 200 100 50 0 Suelo1-30 Suelo1-60 Suelo1-90 Suelo2-30 Suelo2-60 Suelo2-90 Suelo3-30 Suelo3-60 Suelo3-90 5 Figura 1. Concentración de NH4+ en los tres suelos muestreados a lo largo de las tres profundidades de estudio. 60 mg NO 3-*kg-1 ss 50 Primer muestreo Segundo muestreo Tercer muestreo Cuarto muestreo 40 30 20 10 0 Suelo1-30 Suelo1-60 Suelo1-90 Suelo2-30 Suelo2-60 Suelo2-90 Suelo3-30 Suelo3-60 Suelo3-90 Figura 2. Concentración de NO3- en los tres suelos muestreados a lo largo de las tres profundidades de estudio. Conforme incrementa la profundidad la concentración de NO3- tiende a disminuir, pero las concentraciones encontradas en la profundidad de 60-90 cm. son considerables y pueden representar un riesgo si llegan a manto freático o agua subterránea. Las pérdidas de NH4+ a profundidades superiores a 30 cm. en el segundo y cuarto muestreo son considerables en comparación con las de NO3- y NO2- por lo que es muy probable que este ión llegue a agua subterránea. Tabla I. Concentración de NO2- en las tres profundidades de suelo muestreado durante los cuatro muestreos. 1 2 3 4 Profundidad -1 mg NO2 *kg 0.052 0.030 0.006 0.021 A1-30 (0.002) (0.003) (0.000) (0.000) 0.053 0.005 A1-60 nd nd (0.001) (0.000) 0.033 0.021 A1-90 nd .nd (0.003) (0.002) 0.045 0.020 0.004 0.021 A2-30 (0.002) (0.001) (0.001) (0.002) 0.031 0.012 0.004 A2-60 nd (0.001) (0.002) (0.000) 0.008 0.007 0.012 A2-90 nd (0.002) (0.000) (0.001) 0.028 0.064 0.034 0.007 A3-30 (0.002) (0.001) (0.002) (0.000) 6 0.015 0.041 nd (0.001) (0.001) 0.004 0.046 A3-90 nd (0.000) (0.001) 1, 2, 3, 4 = Indican el número de muestreo A1 = Suelo 1 (Maíz) A2 = Suelo 2 (Maíz) A3 = Suelo 3 (Calabaza) A3-60 0.037 (0.001) 0.041 (0.001) Las concentraciones de NO2- son muy pequeñas, como se puede observar en la tabla I, e incluso en algunos casos su concentración no se detecta. Las menores concentraciones de nitrógeno en sus diferentes formas se presentaron a 60 cm., por lo que puede decirse que a esta profundidad las raíces de la planta absorben la mayor cantidad de N. La altas concentraciones encontradas de NH4+ en el segundo y cuarto muestreo a profundidades mayores de 30 cm. es porque este pudo haber sido desplazado de los sitios de intercambio de la capa superior del suelo por los cationes de mayor carga (Ca2+ y Mg2+) debido a que estos tiene mayor preferencia a se adsorbidos en la red de intercambio. Caracterización del agua de riego El uso de agua residual debe ser bajo cierto reglamento que apoye un uso adecuado de ésta. No obstante, debe continuar el uso de agua residual, tanto en la agricultura o en su defecto para regar jardines siempre y cuando se tenga en cuenta las características de ésta, así como lo beneficios y perjuicios que puedan provocar y las características fisicoquímicas de la misma. A continuación se describen algunas características importantes del agua residual empleada en el DR03. El agua es considerada como de salinidad alta debido a la conductividad que presenta (Tabla II), por lo que es muy probable que provoque problemas de salinidad en el suelo y por lo tanto es necesario restringir el uso de esta agua para suelos de textura ligera o media, con un drenaje eficiente, para la irrigación de cultivos mediana o altamente tolerantes a la salinidad. Con base a la NTCA/FAO (Comité asesor técnico de los Estados Unidos) se clasifica como una agua de calidad condicionada, que puede ser utilizada para suelos con un buen drenaje y para regar cultivos tolerantes a la salinidad. Estas características concuerdan con las reportadas por Juárez, (2005). 7 Tabla II. Características fisicoquímicas del agua residual CE P ClSO42NO3- NO2- NH4+ DQO -1 (dS*m ) mg*L-1 7.013 1.210 8.200 253.963 3.505 0.323 52.200 480.000 1 nd (0.012) (0.010) (0.139) (7.739) (0.007) (0.002) (2.737) (20.000) 6.810 1.383 5.510 387.323 5.655 0.067 22.500 466.667 2 nd (0.010) (0.006) (0.030) (4.421) (0.092) (0.001) (2.189) (30.550) 8.367 0.670 4.473 189.517 2.455 29.850 526.667 3 nd nd (0.006) (0.000) (0.055) (3.314) (0.064) (0.519) (13.316) 8.753 0.850 4.663 114.857 0.150d 0.167 21.600 500.000 4 nd (0.015) (0.000) (0.031) (1.915) (0.014) (0.006) (0.779) (20.00) 1, 2, 3, 4,= Número de muestreos realizados CE = Conductividad eléctrica P = Fósforo, Cl- = Cloruros, SO42- = Sulfatos, NO3- = Nitratos, NO2- = Nitratos, NH4+ = Amonio DQO = Demanda química de oxígeno () = Desviación estándar, nd = no detectado 1 pH El agua presentó un pH promedio de 7.73 unidades, Juárez, (2005) reporta pH entre 8.31 a 8.89 unidades para el agua residual, valores un tanto mayores a los encontrados en este estudio. El agua durante los cuatro muestreos presentó una concentración de P entre 4.473 y 8.200 mg*L-1, estos valores están por debajo del límite máximo permisible (20 mg*L-1) para agua de riego con base en la NOM-SEMARNAT-001. Es importante observar en el tabla II, que el mayor aporte de nitrógeno fue en forma de amonio (NH4+), nitritos (NO2-) no se detectaron y la concentración de nitratos (NO3-) es muy baja. Durante todos los muestreos la DQO sobrepasó los limites máximos permisibles establecidos por la NOM-SEMARNAT-001, por lo que representa una fuente importante de materia orgánica (MO) para el suelo el cual presenta un contenido bajo de ésta. CONCLUSIONES Las concentraciones de N en forma de NO3- y NH4+ encontradas en la profundidad de 60-90 cm. son importantes, por lo que representan un riesgo de contaminación si llegan a manto freático. Durante el segundo y cuarto muestreo se presentó una lixiviación notoria del ión NH4+ a profundidades superiores a 30 cm. Los aportes de materia orgánica que realiza el agua sobrepasan los límites máximos permisibles que establece la NOM-SEMARNAT-001, sin embargo, representa una fuente importante para estos suelos un tanto deficientes en materia orgánica. Los tres suelos presentan ligeros problemas de salinidad en la capa arable, por lo que se recomienda hacer lavados periódicos con la misma agua de riego, así como la selección de cultivos medianamente tolerantes o 8 tolerantes a la salinidad, ya que como han reportado otros autores éste es un problema creciente con el uso de aguas residuales. AGRADECIMIENTOS A la Dra. Rosa Icela Beltrán Hernández por sus conocimientos y la buena dirección brindada para el desarrollo de este trabajo de investigación. A mis amigos Olga, Marisela, Sandra, Claudia, Flor, Nancy y Jorge, por su constante y fiel apoyo moral en todo momento. De una forma muy especial a Alina una eterna conquista (ya son más de dos años). BIBLIOGRAFÍA Aceves E. 1979. 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