Evaluación de nitratos y nitritos lixiviados en un sistema de pastoreo intensivo usando fertilizantes nitrogenados

Evaluation of nitrates and nitrites leached under an intensive grazing system using nitrogen fertilizer

K. Velazco¹, N. Noguera², L. Jiménez², M. Larreal² y G. Ettiene³

1Ingeniería ambiental. Facultad de Ingeniería.

²Departamento de Ingeniería, Suelo y aguas.

³Departamento de Química. Facultad de Agronomía. Universidad del Zulia-Venezuela.

Autor de correspondencia e-mail: kattyvelazco@hotmail.com

Resumen

La contaminación de aguas subterráneas por NO^-₃ y NO^-₂ provenientes de actividades agrícolas es un problema de relevancia mundial, por ello en este estudio se evaluaron los niveles de nitratos y nitritos lixiviados por debajo de la profundidad de enraizamiento en un área sembrada con pasto Marandú (Brachiaria brizantha), sobre un suelo arenoso clasificado como Arenic Haplustult, con manejo intensivo en la finca. Las Jabillitas del municipio Machiques de Perijá (Estado Zulia-Venezuela), zona de vida Bosque seco tropical. Se instalaron doce pozos de observación (lisímetros) para captar las muestras de los lixiviados, se realizaron 8 muestreos con una frecuencia semanal y adicionalmente se tomaron muestras de los pozos de agua cercanos al área de estudio. Los datos fueron analizados considerando un diseño experimental completamente aleatorizado. Las concentraciones de nitrato NO^-₃ obtenidas en los diferentes puntos de muestreo estuvieron entre 0,09 y 4,13 mg.L^-1; en todos los casos por debajo de los límites permisibles establecidos por la agencia de Protección Ambiental (EPA) y la Organización Mundial de Agua de Consumo Humano. Según la prueba de medias de Duncan-Waller existen diferencias (P£0,05) entre los lisímetros asociadas a la posición dentro del paisaje y las condiciones de drenaje de los suelos. Los pozos evaluados, utilizados para consumo humano y animal, no han sido afectados aún por el uso indiscriminado de fertilizantes para el sistema de pastoreo intensivo y la cría de ganado.

Palabras clave: Nitratos, nitritos, Lixiviación, sistema de pastoreo intensivo.

Abstract

Subterranean waters pollution by nitrates and nitrites coming from agricultural activities is a big problem at world level, so, in this study the levels of nitrates and nitrites below the root zone were evaluated in an area under Marandu grass (Brachiaria brizantha) on a sandy loam soil with an intensive management system, in the region of "Las Jabillas" Machiques de Perijá municipality (Zulia State-Venezuela), a dry tropical forest life zone. Twelve observation wells (lysimeters) were installed to take samples once a week during eight weeks and samples were also taken in wells near the study area. The experimental design was completely at random. The nitrate concentrations obtained from the analysis of the samples were all between 0.09 and 4.13 mg.L^-1 and thus below the limits established for water for human consumption by the Environmental Protection Agency and the World Health Organization (WHO). According to the Duncan-Walles test, there are significant differences between the lysimeters of this study related to their position within landscape and drainage condition of soils. Water in wells that is used for human an animal consumption has not been affected by the indiscriminate use of nitrogen fertilizer that is part of the intensive pasturing management system and cattle breeding.

Key words: nitrates, nitrites, leaching, intensive management system

Recibido el 28-4-2008 l Aceptado el 11-11-2008

Introducción

La mayor parte de la investigación relativa a la lixiviación de compuestos nitrogenados inorgánicos se centró sobre el nitrógeno en forma de nitratos (NO^-₃) y nitritos (NO^-₂). Los nitratos se mantuvieron sin embargo, en la solución del suelo pues no son fijados en el complejo adsorbente y además todos los nitratos simples son muy solubles. La solución de suelo experimentó movimientos descendentes con el agua de lluvia o de riego, si hubo aporte de agua suficiente los nitratos de la solución pueden ser desplazados fuera del alcance de las raíces. La profundidad que alcanzan los nitratos por lixiviación se determinó, por la cantidad de agua que pasó por los horizontes de suelo (C.P.I.S.C.A, 2002; Duran et al., 1998).

Estudios realizados estiman que sólo el 50% del nitrógeno aplicado en agricultura es recuperado por el cultivo, el nitrógeno residual está sujeto a pérdidas por varios procesos, uno de los cuales fue el de lixiviado por debajo de la zona de las raíces (Pírela, 1994; Moreno et al., 1996).

La contaminación de aguas subterráneas con nitratos es uno de los mayores problemas a nivel mundial (Weisenburger, 1991; Andriulo et al., 1998; Pacheco et al., 1985). Altos niveles de nitratos en el suelo pueden conducir a niveles relativamente altos de nitratos en el agua de consumo, lo cual afecta adversamente la salud humana (Picone et al., 2003). Ya que los NO^-₃ se reducen a NO^-₂ en el tracto intestinal y estos en la sangre oxidan el hierro de la molécula de hemoglobina, pasando a metahemoglobina, incapaz de transportar oxigeno provocando en infantes la enfermedad conocida como metahemoglobinemia o "enfermedad del niño azul". Aunque la formación de metahemoglobina es un proceso reversible, si puede llegar a provocar la muerte, especialmente en niños ("síndrome del bebé azul"). La población de alto riesgo son los lactantes que tienen una acidez estomacal baja, lo que permite el crecimiento de ciertos tipos de bacterias en el estómago y los intestinos, y si se alimenta a un niño con fórmula preparada con agua contaminada con nitratos, estas bacterias pueden convertir los nitratos en nitritos (Leanza et al., 2005).

El objetivo de la presente investigación fue evaluar el impacto potencial de los sistemas de pastoreo intensivo sobre los niveles de nitratos y nitritos en las aguas subterráneas.

Materiales y métodos

Ubicación y condiciones agroecológicas

El experimento se llevó a cabo en la finca Las Jabillitas, situada en el sector Las Piedras de la Parroquia Bartolomé de las Casas a 12 kilómetros de la vía Machiques-Colón del Municipio Machiques de Perijá del estado Zulia, a 10º latitud Norte y 72º longitud Oeste, con una altura media de 100 msnm. En el paisaje colinar de los alrededores de Machiques (COPLANARH, 1975).

Desde el punto de vista de zonas de vida según Holdridge, el área corresponde al bosque seco tropical de acuerdo con la memoria explicativa del mapa de zonas de vida de Ewel y Madriz (1976). La precipitación promedio anual fue de 1200 mm durante el periodo de evaluación, no se registró precipitación y la temperatura media es de 28ºC. La evaporación de 2200 mm anuales con una humedad relativa promedio de 59%.

Características de la unidad de suelo

La caracterización en el campo permitió identificar aspectos resaltantes de los suelos de texturas gruesas predominantemente arenosas con débil incremento de arcilla con la profundidad, colores claros indicativos de bajos valores de materia orgánica, ausencia de fragmentos gruesos y condiciones estructurales favorables para un drenaje algo excesivo. El suelo fue clasificado como Arenic Haplustults, cuyas características granulométricas y químicas se muestran en el cuadro 1, resaltando entre ellas: el pH que varían entre 5,48 y 4,89 en profundidad, la capacidad de intercambio de cationes es baja, con valores entre 0-1,5 cmol kg^-1 suelo y baja saturación con bases.

Cuadro 1. Análisis físico-químico del perfil de suelo (Arenic Haplustults).

Manejo de los fertilizantes, riego y pastoreo

El área seleccionada para el estudio se encontró bajo un cultivo de pasto Marandú (Brachiaria brizanta), manejado con un nivel de altos insumos de riego y fertilización, cercas eléctricas y alta carga animal (8 UA ha^-1). Dividido en 24 potreros de 1 ha.

Las aplicaciones de fertilizantes nitrogenados estaban en el orden de los 3100 kg.ha^-1.año^-1 de urea; distribuidas en aplicaciones mensuales de 250 kg.ha^-1después del pastoreo. Posteriormente, se redujeron a 50 kg de urea al mes. El potasio (KCl) se distribuyó en dos aplicaciones de 100 kg al inicio y salida de las lluvias y el fósforo (Fósfopoder, roca fosfórica parcialmente acidulada) se manejó con una sola aplicación de 250 kg.ha^-1.año^-1.

El pozo para riego se encontró a 20 cm del área experimental, los otros dos a distancias de 200 a 250 m del área experimental. De igual manera el nivel estático de los pozos a una profundidades entre 8-10 m con niveles de bombeo de aproximadamente 15 m.

Las fuentes de agua para riego y consumo humano y animal en la finca estuvieron representadas por tres pozos (3) profundos; uno usado para el riego con un caudal de 16 L. seg^-1, otros dos para bebedero del ganado con y uso doméstico de 2 L. seg^-1 cada uno, los cuales fueron considerados como testigos absolutos durante el ensayo.

El riego empleado fue por aspersión, con emisores de baja presión modelo Seninger S-30 con una frecuencia de riego de 4 días, un tiempo de riego de 12 horas, dos turnos por día y una lámina de 50 mm por riego.

Muestreo y manejo de muestra

Se utilizó el método de lisímetros para la recolección de lixiviados por debajo de la zona radical. Se colocaron 12 pozos de observación con una profundidad de 2 m en las 24 has, lo cual correspondió a un punto de observación por cada dos (2) ha distribuidos de forma aleatoria.

Los lisímetros se fabricaron de tubos de policloruro de vinilo (PVC) de 2'' de diámetro, 2 m de profundidad los cuales fueron colocados mediante barrenado para disturbar el suelo en el menor grado posible. Por debajo de la zona radícular los lisímetros fueron ranurados para colectar el agua, se empleó una capa de gravilla como filtro para que solo penetrara el agua lixiviada al sistema, tal como lo ilustra la figura 1.

Los muestreos se realizaron entre octubre 2005 y febrero 2006, con una frecuencia semanal atendiendo a la premisa básica de evaluar las aguas lixiviadas, con el fin de determinar los niveles de compuestos nitrogenados que eran arrastrados por debajo del perfil de enraizamiento, durante el manejo normal del sistema de pastoreo. Al mismo tiempo de los muestreos efectuados en el área efectiva de riego, se recolectaron muestras de agua a los pozos empleados para riego, consumo humano y servicio al ganado.

Las muestras de agua fueron refrigeradas a 4ºC hasta ser llevadas al laboratorio para su procesamiento. Las mismas fueron filtradas previas a la determinación con una membrana de celulosa de 0,2 µm. 

Las determinaciones de NO^-₃ y NO^-₂ se realizaron por duplicado utilizando un cromatógrafo iónico marca DAYOLEV, modelo LC20, empleando un volumen de inyección de 10 mL para patrones y muestras (APHA, 1998).

Previamente se elaboró una curva de calibración para nitrato y nitrito con concentraciones comprendidas entre 0,02 y 0,05 mg.L^-1, a partir de sales con una pureza de 99 ± 0,5%.

Se efectuaron corridas de un blanco en el equipo de cromatografía; 24 muestras proporcionando un tiempo de retención para el nitrato (NO^-₃) de 7 minutos aproximadamente.

Análisis Estadístico de los Datos

Se empleó un diseño experimental completamente aleatorizado para un total 241 unidades experimentales en una superficie de 24 m².

Los datos se analizaron a través de la estadística descriptiva con las variables de nitratos y nitritos calculándose la media, el valor máximo, el valor mínimo, el rango y la desviación estándar para las muestras. Se realizó pruebas de Duncan-Waller. (SAS Institute, 2007).

Resultados y discusión

Tendencias en los niveles de nitratos y nitritos

El cuadro 2 presenta las estadísticas descriptivas para las concentraciones de nitratos encontradas en los lixiviados analizados y de las muestras de agua colectadas en los pozos de agua circundantes al área de estudio, señalando valores máximos, mínimos y los promedios ± la desviación standard. El máximo encontrado correspondió al lisímetro T-22 con 14,74 mg L^-1, la menor concentración correspondió a los pozos Jabillitas, riego y los lisímetros T-21, T-23, T-33 y T-42. Los promedios oscilaron entre 0,09 y 4,13 mg.L^-1.

Cuadro 2. Niveles de Nitratos encontrados en los lixiviados de los lisímetros y en las aguas subterráneas de los diferentes sitio de muestreo en la zona de estudio expresados mg.L^-1.

Promedio de observaciones: 8.

P-J: pozo Jabillitas.

P-M: pozo mochila.

P-R: pozo riego.

Tij: Posición y número del lisímetros.

T: Lisímetro.

i: posición del lisímetro en el área de estudio.

j: Número de lisímetro.

La figura 2 ilustra las variaciones en los niveles de nitratos para el período analizado, los cuales se mantuvieron por debajo de 2 mg.L^-1 para la mayoría de los muestreos, exceptuando la semana 4, en la cual se incrementaron debido a que el muestreo ocurrió posterior a la aplicación de fertilizantes nitrogenados seguidos del riego.

Al comparar los resultados de las observaciones con los límites establecidos por las organizaciones mundiales para las aguas destinadas al uso doméstico e al uso industrial, siempre que ésta forme parte de un producto o  sub-producto destinado al consumo humano y con la norma venezolana señalada en el Decreto 883 de Normas para la clasificación y el control de la calidad de los cuerpos de agua y vertidos o efluentes líquidos de fecha 11/10/1995 los promedios en todos los casos resultaron inferiores al valor de NO^-₃ de 10 mg.L^-1 permisible. Sin embargo, en la semana 4 los lisímetros presentaron concentraciones de NO^-₃ superiores a los limites permisibles.

La figura 3 ilustra los resultados al comparar los niveles de nitratos en los lixiviados a las aguas subterráneas con los valores permitidos por organismos nacionales e internacionales, para aguas destinadas al consumo humano, se observa que el promedio se ubica por debajo de los limites permisibles según lo establecido por las normas de la EPA, OMS y el Decreto 883.

Este resultado demuestra que pese a los reajuste hechos en la fertilización nitrogenada, hay tendencia a la movilización de nitrato por debajo de la profundidad de enraizamiento los cuales eventualmente pueden superar los valores máximos permitidos logrando acumularse con el tiempo alcanzando niveles potencialmente peligrosos en años o décadas, tal como se reporta en literatura especializada.

La figura 4 ilustra las diferencias estadísticas encontradas entre lisímetros según la prueba de Duncan-Waller, las cuales han sido atribuidas a las variaciones locales en las condiciones de drenaje de los suelos, a la uniformidad en el riego y exceptuando el lisímetro T-22 el cual se encontraba en la condición de tope y arrojo los mayores valores.

Conclusiones

El aporte de los sistemas de pastoreo intensivos a la contaminación del agua subterránea por algunas formas de nitrógeno, mostraron que las concentraciones medias de nitratos en los lixiviados estuvieron por debajo de los límites establecidos en normas internacionales, atribuible a la disminución en las dosis de fertilizantes nitrogenados.

Se demuestra que hay una ligera tendencia a la lixiviación de nitratos, los cuales pudieran potencialmente acumularse en los acuíferos en un proceso que podría durar años e inclusive décadas.

De acuerdo a los resultados obtenidos los acuíferos no han sido afectados por la polución con nitratos, al no encontrase en los testigos absolutos concentraciones superiores a los límites permisibles establecidas en las normativas internacionales y nacionales.

Recomendaciones

Evaluar el proceso de lixiviación durante la estación lluviosa a fin de completar el ciclo y poder visualizar el peligro potencial.

Monitorear los acuíferos con una frecuencia determinada a fin de mantener un buen control y evitar contaminación, siendo más notorio en sistema de pastoreo intensivo debido a la alta susceptibilidad de contaminación de las aguas subterráneas.

Generar un programa racional de fertilización y divulgarlo a los agricultores para controlar el uso indiscriminado de los mismos y evitar que estas grandes reservas de agua dulce puedan contaminarse.

Planificar el uso racional del suelo para proteger los acuíferos que aún tienen aguas de buena calidad, evitando en lo posible la localización a fuentes potenciales de contaminación cercanas, a fin de evitar la recarga con aguas contaminadas.

Los planes de fertilización deben establecerse racionalmente tomando en consideración los requerimientos del cultivo y la legislación vigente relacionada con la protección de las aguas. Evitando en lo posible la acumulación en superficie de sales por exceso de fertilizantes.

Es necesario realizar estudios de fertilidad, para determinar la cantidad precisa de fertilizantes especialmente nitrogenados que se deben aplicar cuando se utiliza el sistema de pastoreo intensivo.

Se sugiere realizar un estudio previo de los niveles de contaminación de los acuíferos antes de iniciar un desarrollo con un sistema de pastoreo intensivo, recomendándose un monitoreo con una frecuencia determinada a fin de evitar agravar los posibles niveles de contaminación existentes o utilizar prácticas tendentes para prevenir la contaminación.

Agradecimiento

Los autores agradecen al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad del Zulia (CONDES) por el cofinanciamiento a este proyecto Nº CC-0746-05. De igual manera agradecemos la activa colaboración de la Ing. Agr. Verónica Polo.

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