EL ΔpH COMO INDICADOR DE LA CALIDAD DE LOS SUELOS

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CONTENIDOS EN Zn, Cu, Fe Y Mn EXTRAIBLES CON DTPA EN SUELOS
VOLCÁNICOS DE LA CALDERA DE TEZIUTLÁN
Ana Luisa BARRIENTOS VELÁZQUEZ1; Anahí Lissbet MORENO ORTÍZ1
Miguel Angel VALERA PÉREZ2 y Gladys LINARES FLEITES2.
1
Colegio de Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería Química
Departamento de Investigación en Ciencias Agrícolas del Instituto de Ciencias.
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla; Avenida 14 Sur 6301, Fracc.
Jardines de San Manuel, Puebla, Pue. C.P. 72570. Tel: (222) 229 55 00 Ext. 7355;
FAX: Ext. 7351. e-mail: [email protected] y [email protected]
2
Palabras Clave: Oligoelementos; Vegetación Forestal; Andisoles.
RESUMEN
La concentración de Zn, Cu, Fe y Mn disponibles, está relacionada con las
propiedades fisicoquímicas que la vegetación forestal le confieren al suelo, por lo
que la erosión ocasionada por la deforestación puede generar su disminución; es
por ello que, con el objetivo de evaluar los efectos de Fe y Al activos, Carbono
Orgánico, Nitrógeno Total, ∆pH y %V sobre los contenidos en Zn, Cu, Fe y Mn
extraíbles con DTPA en Andisoles con vegetación forestal se procedió a estudiar
suelos con vegetación de Bosque de Pino por medio de análisis fisicoquímico del
suelo, determinación de propiedades ándicas y contenidos de Zn, Cu, Fe y Mn
extraíbles con DTPA. Con estos resultados se buscaron, mediante análisis
estadístico, las relaciones entre las parejas de variables con el coeficiente de
correlación de Pearson y posteriormente se llevo a cabo el Análisis de
Correlaciones Canónicas entre el primer grupo de variables y el segundo. Se
observarón correlaciones positivas altas entre el Carbono Orgánico y los
siguientes elementos Nitrógeno, Cobre, Manganeso y Zinc. En el Análisis de
Correlaciones Canónicas se obtuvo una de 0.77, que aunque no resulto
significativa si puede considerarse una correlación importante. Las primeras
variables canónicas correspondientes a esta correlación indicaron la oposición
entre %V y Hierro activo para el primer grupo de variables y la relación positiva
entre Fe y Cu para el segundo grupo. La erosión y otras formas de degradación
del suelo provocadas por la deforestación, son una causa potencial de la
disminución en las concentraciones de los oligoelementos estudiados.
INTRODUCCIÓN
Existen 16 elementos esenciales para el desarrollo de los diferentes organismos
vivos, estos son: C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, B, Mo, Cu y Cl.
Frecuentemente estos elementos se han colocado en dos o más grupos,
considerando las cantidades que de ellos se requieren:
• Elementos “mayores” o macro-nutrimentos (C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, y S),
ya que son requeridos en cantidades relativamente grandes;
• Oligoelementos, micro-nutrimentos, elementos “menores” o “traza” (Fe, Mn,
Cu, Zn, B, Mo, y Cl), los cuales son necesarios en cantidades relativamente
pequeñas.
1
1
Con respecto a los oligoelementos, la importancia de su aprovechamiento por los
diferentes organismos radica, no solamente en el hecho de que son necesarios
para el desarrollo de estos, sino también porque el exceso de cualquiera de ellos
puede producir toxicidad. El ámbito de concentración entre sus niveles de
toxicidad y de deficiencia es muy reducido (Mortvedt, 1991).
Dos factores esenciales que contribuyen a los efectos perjudiciales del Zn, Cu, Fe
y Mn (Cruz et al., 2003) son:
• Los metales no son destruidos a través de la degradación biológica como
es el caso de muchos contaminantes orgánicos; y
• Tienden a acumularse en el medio ambiente asociados a la materia
orgánica e inorgánica mediante procesos de adsorción, de formación de
complejos y combinaciones químicas.
La persistencia de los contaminantes en el suelo es mucho mayor que en otros
componentes de la biosfera y la contaminación del suelo, especialmente por
metales, parece ser virtualmente permanente, los metales acumulados en el suelo
van desapareciendo muy lentamente por medio de diversos mecanismos
(absorción por las plantas, lixiviación, erosión, etc.). Se ha calculado, en
condiciones lisimétricas, que la vida media de los metales en el suelo varía
fuertemente, por ejemplo, para Zn de 70 a 510 años y para Cu de 310 a 1500
años.
El contenido de los oligoelementos Zn, Cu, Fe y Mn, presenta características muy
diferentes entre si, en las rocas que dan origen al suelo y los minerales que los
constituyen. De manera general, las rocas ígneas presentan los mayores
contenidos de oligoelementos como rocas formadoras de suelo, esto es explicado
pues a través de los procesos de intemperización se libera una fracción de
oligoelementos que se acumulan en los sedimentos que constituyen otras rocas.
El contenido de Zn, Cu, Fe y Mn, en los diferentes minerales primarios del suelo
es el mismo que se presenta en las rocas, por lo general el contenido de Fe es
relativamente alto en comparación con el de otros elementos; le sigue el de Mn,
los de Cu y Zn solo alcanzan unas pocas partes por millón (ppm).
Entre las principales fuentes de metales en el ambiente de origen natural que
pueden incrementar los niveles de estos en el suelo se encuentran:
• Los metales aparecen de forma natural en los suelos como constituyentes
del material parental o bien liberados de éstos mediante los procesos del
intemperismo. En ciertos casos, puede ocurrir una situación anómala que
provoca la aparición de cantidades excesivamente altas de metales en
zonas relativamente localizadas, esto ocurre cuando hay mineralizaciones
metálicas en la superficie o cerca de ésta. En algunos casos, la
contaminación provocada por estas mineralizaciones puede ser bastante
severa y las concentraciones de metales en suelo y vegetación puede ser
comparables en magnitud a algunos de los peores casos de contaminación
causada por el hombre (Warren, citado por Freedman y Hutchinson, 1981).
• Las erupciones volcánicas ya que se han reportado elevadas
concentraciones de oligoelementos en la atmósfera durante periodos de
intensa actividad volcánica (valores desde 50 hasta más de 200 mg/m3 en
la atmósfera) (Aller et al., 1989).
2
2
Los elementos metálicos de movilidades bajas a muy bajas, como Fe y Mn
y los de la 1ª serie de transición, especialmente Cu y Zn, tienen movilidades
diferentes que dependen de las condiciones de meteorización particulares.
Estos metales tienen altas movilidades bajo condiciones ácidas, por lo tanto
en los suelos pueden encontrarse en mayor proporción con respecto al
material parental dependiendo de los factores dominantes que existan en el
ambiente de intemperización (Freedman y Hutchinson, 1981).
Con respecto a la cuantificación de Zn, Cu, Fe y Mn, no existe una prueba
universal única para evaluar de una manera precisa los riesgos de la
contaminación de los suelos por los metales pesados. Se han desarrollado
diversas técnicas a través de los años para diferentes combinaciones de metales,
tipos de suelos, especies de plantas y ambientes, los cuales frecuentemente
tienen una aplicación limitada (Cruz, et al., 2003).
Los trabajos iniciales de investigación no contaron con la instrumentación analítica
necesaria para la determinación de bajas concentraciones de los metales en
solución y, por lo tanto se prefieren extractantes que liberan una gran proporción
de los metales de la fase sólida hacia la solución del suelo. De esta forma se
utilizan agentes quelantes tales como EDTA, DTPA y EDDHA, o ácidos fuertes
como el HCl, HNO3 o incluso el H3PO4. Se han empleado también concentraciones
muy diversas y combinaciones de sales y ácido o bien de ácidos como en el caso
del método de Carolina del Norte (HCl 0.05 N y H2SO4 0.025 N).
Los agentes quelantes proporcionan uno de los medios más utilizados para la
extracción de metales. Estos agentes reaccionan con los iones metálicos libres en
solución, formando complejos solubles. Al disminuir la actividad del ión metálico
libre en solución, las fases sólidas liberan nutrientes adicionales para restablecer
el equilibrio. La cantidad de metal quelatado durante la extracción va a ser una
función de la actividad inicial de los iones metálicos (factor intensidad) y de la
capacidad del suelo para reponer estos iones (factor capacidad) (Kabata-Pendias
y Pendias, 1992).
•
JUSTIFICACIÓN
Siendo las rocas ígneas y los suelos derivados de estas los que presentan los más
altos contenidos en Zn, Cu, Fe y Mn, adquiere singular importancia su
determinación en los Andisoles, sobre todo aquellos, que como en el caso de la
región de la Caldera Volcánica de Teziutlán, se encuentran sometidos a intensos
procesos de intemperización que generan condiciones, en algunos casos muy
intensas, de acidificación del suelo.
El Zn, Cu, Fe y Mn extraíbles de los suelos con DTPA forman la fracción
biológicamente disponible de estos oligoelementos y su concentración está
relacionada con las propiedades fisicoquímicas que la vegetación forestal le
confieren al suelo, por lo que la erosión ocasionada por la deforestación puede
generar una disminución significativa en su disponibilidad para las plantas.
OBJETIVO
Evaluar los efectos de Fe y Al activos, Carbono Orgánico, Nitrógeno Total, ∆pH y
%V sobre los contenidos en Zn, Cu, Fe y Mn extraíbles con DTPA en Andisoles
con vegetación forestal.
3
3
MATERIALES Y MÉTODOS
La región estudiada corresponde a la Caldera de Teziutlán, ésta se encuentra en
la porción nor-oriental del estado de Puebla, entre los paralelos 19o43´30´´ y
20o14´54´´ de latitud norte y los meridianos 97o07´42´´ y 97o43´30´´ de longitud
occidental. Los suelos derivados de material piroclástico, objeto de este trabajo, se
presentan cubriendo una superficie aproximada de 846 Km2.
Las muestras de suelo a las que se los determinaron los contenidos en Zn, Cu, Fe
y Mn extraíbles corresponden a 17 perfiles, que fueron caracterizados previamente
en el Departamento de Investigación en Ciencias Agrícolas del Instituto de
Ciencias de la BUAP, de acuerdo con los métodos descritos para trabajo de
campo por P. J. Schoeneberger (Schoeneberger et al., 2000) y laboratorio por
Rebecca Burt (Burt, 2004).
Los suelos fueron identificados como Andisoles y la vegetación corresponde a
Bosque de Pino predominando las especies de P. patula, P. rudis, P. teocote y P.
hartwegii. El análisis fisicoquímico del suelo se efectuó de acuerdo con la Norma
Oficial Mexicana NOM-021-RECNAT-2000. También se determinaron las
propiedades ándicas del suelo (Blakemore et al., 1977), y los contenidos de Zn,
Cu, Fe y Mn extraíbles con DTPA (Linsay y Norvell, 1978).
Para evaluar los efectos de Fe y Al activos, Carbono Orgánico, Nitrógeno, ∆pH y
%V sobre los contenidos en Zn, Cu, Fe y Mn se buscaron las relaciones entre las
parejas de variables con el coeficiente de correlación de Pearson y posteriormente
se llevo a cabo el Análisis de Correlaciones Canónicas entre el primer grupo de
variables y el segundo, para ello se utilizó el software STATISTICA, versión 5.1 del
año 1998.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los contenidos en Zn, Cu, Fe y Mn extraíbles con DTPA se presentan en la
TABLA I; para el caso de Zn y Cu, se aprecia que ninguno de los valores rebasa
los límites establecidos para suelos de uso agrícola con base en diferentes
criterios (TABLA II).
Para el caso de Fe y Mn disponibles, existe en la actualidad gran controversia
sobre que valores deben tomarse como referencia para establecer las
Concentraciones Máximas Aceptables (CMA), por lo que tomaremos como criterio
las concentraciones de 2000 ppm presentes en suelos muy ácidos y con
problemas de toxicidad por Fe (Garnett et al., 1987; Jhouston y Proctor, 1977); y el
valor de 500 ppm aceptado como concentración límite de Mn, a partir de la cual se
generan problemas de toxicidad para la mayoría de los cultivos agrícolas. Como
se observa en los resultados (TABLA I); tampoco se rebasan los valores límite
para una toxicidad potencial debida a Fe y Mn disponibles.
4
4
PERFIL
41
62
6
20
87
5
44
82
83
93
TABLA I. RESULTADOS REPORTADOS DE LA CALDERA DE TEZIUTLÀN
PROFUNDIDAD
%C
% N.
% Al
% Fe
HORIZONTE
(cm)
Org.
Tot.
Extraible
Extraible
0 a 10
A1
4.60
0.33
1.42
0.28
10 a 25
B1
2.20
0.20
1.93
0.34
25 a 50
B2
1.60
0.12
2.13
0.25
50 a 67
B22
1.40
0.11
2.90
0.70
0 a 15
Ap
3.70
0.25
1.05
0.37
15 a 35
B2
2.60
0.20
1.23
0.34
35 a 47
B3
0.90
0.08
0.92
0.38
0 a 20
Ap
3.90
0.26
1.88
0.65
40 a 50
B2b
1.50
0.23
1.33
0.63
0 a 10
A1
5.30
0.41
1.80
0.49
10 a 30
B2
3.20
0.23
2.06
0.27
120 a 133
B2b
0.30
1.91
0.41
0 a 13
A1
5.80
0.41
2.03
0.34
13 a 42
AB
4.10
0.27
2.70
0.49
42 a 80
B21
1.30
0.07
2.96
0.66
80 a 110
B22
0.50
2.63
0.57
0 a 35
A
4.46
0.46
1.08
1.02
35 a 75
B2
1.30
0.13
1.01
0.45
75 a 120
B2b
0.61
0.12
1.98
0.26
0 a 27
A1
6.53
0.45
2.28
0.52
0 a 29
A1
8.00
0.16
2.15
0.36
0 a 30
Ap1
5.70
0.35
4.11
0.55
30 a 49
B21
3.40
0.25
3.85
0.55
49 a 65
B22
1.90
0.15
2.95
0.35
0 a 22
A1
4.70
0.35
3.74
1.60
22 a 45
B2
1.40
0.15
3.13
1.90
5
5
TABLA I. RESULTADOS REPORTADOS DE LA CALDERA DE TEZIUTLÀN
PROFUNDIDAD
PERFIL
HORIZONTE Delta pH
%V
Fe
Cu
Mn
(cm)
0 a 10
A1
-1.14
47.00 110.40
0.80
131.50
10 a 25
B1
-1.59
39.00
70.60
0.90
8.50
41
25 a 50
B2
-1.88
36.70
66.00
0.60
8.10
50 a 67
B22
-2.20
28.40 112.20
0.60
7.70
0 a 15
Ap
-0.68
28.40
15.80
1.20
24.80
62
15 a 35
B2
-0.89
29.80
9.70
0.90
6.00
35 a 47
B3
-0.54
38.50
9.70
0.20
2.60
0 a 20
Ap
-1.23
30.00
90.00
1.00
13.50
6
40 a 50
B2b
-0.70
30.50
55.00
0.40
4.00
0 a 10
A1
-1.31
19.80
53.40
1.70
5.50
20
10 a 30
B2
-1.79
22.40
34.00
1.00
5.80
120 a 133
B2b
-1.50
36.40
49.80
1.00
6.70
0 a 13
A1
-1.69
14.20
22.50
1.50
20.30
13 a 42
AB
-2.21
17.20
20.40
0.30
7.70
87
42 a 80
B21
-2.30
6.70
11.20
0.08
1.10
80 a 110
B22
-2.06
12.70
21.40
0.00
2.60
0 a 35
A
-0.06
10.59
65.00
0.40
5.40
5
35 a 75
B2
-0.56
8.89
35.40
0.30
3.10
75 a 120
B2b
-1.72
2.62
40.00
0.30
7.50
44
0 a 27
A1
-1.76
32.70
55.00
0.40
4.50
82
0 a 29
A1
-1.79
9.30
58.60
0.60
52.20
0 a 30
Ap1
-3.56
12.00
46.00
1.20
46.40
83
30 a 49
B21
-3.30
10.20
21.00
0.10
5.80
49 a 65
B22
-2.60
12.40
17.30
0.10
2.60
0 a 22
A1
-2.14
13.47
18.44
0.50
11.70
93
22 a 45
B2
-1.23
10.30
15.30
0.08
2.30
Zn
1.00
0.30
0.20
0.50
1.00
0.60
0.10
0.50
0.20
1.00
0.10
7.00
1.60
0.10
0.03
0.04
0.60
0.50
0.30
1.50
1.70
1.80
0.20
0.10
0.60
0.10
TABLA II. CONCENTRACIONES MÁXIMAS ACEPTABLES (CMA), DE ALGUNOS METALES
PESADOS, EN mg/kg.
METAL.
DAÑO
PRODUCCIÓN CONCENTRACIÓN CANCENTRACIÓN
FITOTÓXICO.
SANA.
MÁXIMA
MÁXIMA
ACEPTABLE DE
ACEPTABLE DE
LA COMUNIDAD
CANADÁ.
ECONÓMICA
EUROPEA.
Cd
5
0
0
1.6
Co
50
0
0
20
Cr
100
0.05
50
120
Cu
100
23
50
100
Mn
---1500
------Ni
100
35
30
32
Pb
100
20
50
60
Zn
300
110
150
220
Si bien no existe una toxicidad potencial ocasionada por las concentraciones de
estos oligoelementos, si se presenta el caso contrario, es decir, la deficiencia;
6
6
particularmente en los suelos que por la pérdida de su cubierta forestal, presentan
ya diferentes grados de erosión y/o otras formas de degradación Química y
Biológica, tal y como son definidas por la FAO (1980).
Comparando los valores obtenidos para Zn, Cu, Fe y Mn extraíbles con DTPA con
lo propuesto por Viets y Lindsay (1973), observamos que en el caso de los suelos
degradados sus contenidos varían entre marginales y deficientes, en
contraposición con los suelos que conservan la vegetación forestal que resultaron
entre adecuados y marginales.
En la matriz de correlaciones (TABLA III) con respecto al análisis estadístico de
los datos, se observó correlaciones positivas altas entre el Carbono Orgánico y los
siguientes elementos Nitrógeno, Cobre, Manganeso y Zinc. La correlación con el
∆pH resulto negativa. También fueron positivas y altas las correlaciones entre
Nitrógeno y Cobre y de éste último con el Zinc. Manganeso y Hierro también
presentaron correlación positiva alta.
%CO
N
AlE
FeE
ΔpH
%V
Fe
Cu
Mn
Zn
%CO
1.00
0.65
0.13
-0.10
-0.54
-0.03
0.29
0.41
0.41
0.37
TABLA III. MATRIZ DE CORRELACIONES.
N
AlE
FeE
Δ pH
%V
Fe
Cu
0.65
0.13
-0.1
-0.54
-0.03
0.29
0.41
1.00
-0.01
0.09
-0.10
0.13
0.30
0.43
-0.01
1.00
0.42
0.14
-0.47
-0.29
-0.17
0.09
0.42
1.00
-0.24
-0.38
-0.28
-0.37
-0.10
0.14
-0.24
1.00
0
-0.28
0.06
0.13
-0.47
-0.38
0
1.00
0.52
0.31
0.30
-0.29
-0.28
-0.28
0.52
1.00
0.28
0.43
-0.17
-0.37
0.06
0.31
0.28
1.00
0.16
-0.07
-0.27
-0.22
0.39
0.56
0.24
0.28
0.02
-0.32
-0.11
0.17
0.15
0.48
La simbología utilizada es:
% CO
N
AlE
FeE
ΔpH
%V
Fe
Cu
Mn
Zn
Mn
0.41
0.16
-0.07
-0.27
-0.22
0.39
0.56
0.24
1.00
0.22
Zn
0.37
0.28
0.02
-0.32
-0.11
0.17
0.15
0.48
0.22
1.00
Porcentaje de Carbono Orgánico.
Nitrógeno.
Aluminio Extraíble.
Fierro Extraíble.
Delta pH.
% de Saturación de Bases.
Fierro.
Cobre.
Manganeso.
Zinc.
En el Análisis de Correlaciones Canónicas (TABLA IV) se obtuvo una correlación
canónica de 0.77, que aunque no resulto significativa si puede considerarse una
correlación importante. Las primeras variables canónicas correspondientes a esta
correlación indicaron la oposición entre %V y Hierro activo para el primer grupo de
variables y la relación positiva entre Fe y Cu para el segundo grupo de variables.
La interpretación de los resultados nos lleva a proponer que la erosión y otras
formas de degradación del suelo provocadas por la deforestación, al generar
7
7
cambios en sus propiedades fisicoquímicas, son una causa potencial de la
disminución en las concentraciones de los oligoelementos estudiados.
TABLA IV. ANÁLISIS DE CORRELACIONES CANÓNICAS
Canonical R: 0.77667
Chi2(24)= 20.196
p= 0.68556
Conjunto izquierdo
Conjunto derecho
No. De variables
6
4
Varianza extraida
57.7269 %
100.000%
Redundancia total
21.4692%
39.3041%
Variables:
1
%CO
Fe
2
N
Cu
3
AlE
Mn
4
FeE
Zn
5
ΔpH
6
%V
PESOS CANÓNICOS. (CONJUNTO IZQUIERDO).
Raíz 1
0.293490
%CO
0.316118
N
0.165213
AlE
-0.482066
FeE
-.0209271
ΔpH
0.526201
%V
PESOS CANÓNICOS. (CONJUNTO DERECHO).
Raíz 1
0.461267
Fe
0.387199
Cu
0.283437
Mn
0.283255
Zn
CONCLUSIONES
Existe una importante correlación entre los contenidos de Zn, Cu, Fe y Mn con las
demás propiedades fisicoquímicas de los Andisoles que soportan vegetación
forestal, de tal forma que su disponibilidad es afectada por la erosión del suelo
originada por la deforestación.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo es resultado del proyecto 50/G/NAT/05 financiado a través de la
VIEP-BUAP. Los alumnos contaron con apoyo de la Facultad de Ingeniería
Química de la BUAP para asistir al congreso.
8
8
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•
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•
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REFERENCIAS
Aller, A. J.; Bernal, J. L.; y Del Nozal, M. J. (1989). Geochemistry of trace
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