Aportes de nitrógeno y fósforo de tres sistemas agrícolas de la cuenca hidrográfica "El Jihuite", en Jalisco, México

Contributions of nitrogen and phosphorus from three agricultural systems of "El Jihuite" watershed, in Jalisco, México

Hugo E. Flores–López^1,* , Rogelio Carrillo–González² , Nestor Francisco–Nicolás³ , Claudia Hidalgo–Moreno² , José A. Ruíz–Corral¹, Aldo A. Casteñeda–Villanueva⁴, Raymundo Velazco–Nuño⁴

¹ Campo Experimental Centro Altos de Jalisco. INIFAP. 47600. Km 8 Carretera Tepatitlán–Lagos de Moreno. Tepatitlán, Jalisco. *Autor responsable: (floresh@colpos.mx).

² Campus Montecillo, Colegio de Posgraduados. 56230. km 36.5 Carretera Federal México–Texcoco, Texcoco, México.

⁴ Centro Universitario de los Altos. Universidad de Guadalajara. Km 7.5 Carretera a Yahualica.

Recibido: Abril, 2008.
Aprobado: Septiembre, 2009

RESUMEN

La cuenca hidrográfica El Jihuite tiene como embalse a la presa del mismo nombre, reservorio de agua usado para la población de Tepatitlán, en Jalisco, México. Sin embargo, se ha identificado el problema de eutrofización del agua de la presa y como factor limitante al fósforo, pero se desconocen los procesos en los terrenos con uso agropecuario donde se origina el enriquecimiento de este nutrimento en dicho embalse. Se evaluó la pérdida de nitrógeno y fósforo generada por los cultivos de maíz, agave tequilero y pastos a escala de lote de escurrimiento, con el objetivo de cuantificar los nutrimentos que salen de estos sistemas agrícolas e identificar los procesos asociados con la eutrofización de la presa el Jihuite. Se observó que la pérdida de nitrógeno estaba asociada con el proceso de escurrimiento superficial, mientras que el fósforo dependió de la erosión hídrica de los sistemas agrícolas estudiados. La pérdida de nitrógeno inorgánico en agave tequilero, maíz, suelo desnudo y pasto nativo para el 2002 fue 7, 4.6, 3.9 y 3 kg ha^–1; en el 2003 fue 14.9, 7.2, 8.6 y 2.4 kg ha^–1 . La pérdida de fósforo total en los mismos cultivos para el 2002 fue 3.7, 3.4, 1.7 y 0.1 kg ha^–1; en el 2003 fue 10.8, 7.8, 4.3 y 0.0 kg ha^–1 . El fósforo es un factor limitante en la eutrofización de la presa El Jihuite y su corrección dependerá del control de la erosión hídrica en los terrenos con uso agropecuario; por tanto deberá promoverse el uso de prácticas de conservación de suelo.

Palabras clave: Contaminación no puntual, cuenca hidrográfica El Jihuite, fósforo, nitrógeno.

The El Jihuite watershed has a reservoir with the same name, which is used for the inhabitants of Tepatitlán, in the state of Jalisco, México. However, the problem of eutrophication has been observed in the water of the dam and phosphorous as a limiting factor, although there is no knowledge on the processes taking place on the lands with agricultural use, in which the enrichment of this nutrient in this reservoir takes place. Nitrogen and phosphorous losses brought about by maize, tequila agave and grass crops were evaluated on a scale of field plot, in order to quantify the nutrients produced by these agricultural systems and identify the processes related to the eutrophication of the El Jihuite dam. Nitrogen loss was seen to be related to surface runoff, whereas phosphorous depended on the water erosion of the agricultural systems studied. The loss of inorganic nitrogen in tequila agave, maize, bare soil and native grass, for 2002, was of 7, 4.6, 3.9 and 3 kg ha^–1; in 2003 it was 14.9, 7.2, 8.6 and 2.4 kg ha^–1. Total loss of phosphorous in the same crops for 2002 was 3.7, 3.4, 1.7 and 0.1 kg ha^–1; in 2003 it was 10.8, 7.8, 4.3 and 0.0 kg ha^–1 . Phosphorous is a limiting factor in the eutrophication of the El Jihuite dam, and its correction will rely on the control of water erosion on lands with agricultural use; soil conservation practices should therefore be encouraged.

Key words: Nonpoint source pollution, El Jihuite watershed, phosphorous, nitrogen.

INTRODUCCIÓN

La distribución en el entorno hidrológico aguas abajo de los restos de insumos aplicados en los terrenos agrícolas, puede ocurrir mediante descargas intermitentes o con el escurrimiento superficial debido a eventos meteorológicos, proceso conocido como contaminación por fuentes no puntuales (CNP), también llamada contaminación difusa o no localizada (Loehr, 1984), la cual genera problemas ambientales como la eutrofización de las aguas superficiales (Sharpley et al., 2003).

La eutrofización, un proceso natural o antropogénico, se refiere al enriquecimiento del agua superficial con exceso de nitrógeno (N) y fósforo (P), los cuales son responsables del crecimiento excesivo de algas y malezas acuáticas (Schnoor, 1995). La eutrofización del agua guarda relación con el N inorgánico disuelto (NID) y el P inorgánico disuelto (FID), en la proporción NID:FID; desde un punto de vista estequiométrico de algas y macrofitas acuáticas, si esta proporción es mayor de 7:1 (Gold y Oviatt, 2005), 12:1 (Pietilainen, 1997) o 14:1 (Schnoor, 1996), el P es el nutrimento limitante, pero si la proporción es menor de 5:1 (Pietilainen, 1997) o 7:1 (Gold y Oviatt, 2005), el N es el nutrimento limitante. Concentraciones en el agua de 0.3 ppm de N inorgánico y 0.015 ppm de P inorgánico son los niveles en que la eutrofización podría llegar a ser un problema (McCool y Renard, 1990). En México se ha usado el P total como indicador del estado trófico de cuerpos de agua, de manera que más de 0.118 mg L^–1 en los lagos tropicales se consideran eutrofizados (Sobrino–Figueroa, 2007) o cuerpos de agua en ambientes templados con más de 0.035 mg L^–1 (Díaz–Zavaleta, 2007b). Con este criterio para caracterización de estado trófico, Díaz–Zavaleta (2007a) identificó muchos cuerpos de agua en México con problemas de eutrofización. En Tepatitlán, Jalisco, Ramírez et al. (1997) determinaron el contenido de N y P en muestras de agua de dos puntos y dos profundidades de la presa El Jihuite, donde la proporción de NID:FID fue 14:1 y 13:1, para la superficie y el fondo del embalse y una concentración mayor a 0.1 ppm de P total, con lo cual la presa se considera eutrofizada y el nutrimento limitante fue el P. Sin embargo, se desconoce el proceso asociado con el enriquecimiento de P en el agua de este embalse.

El N de origen orgánico e inorgánico aplicado al suelo está directamente vinculado con el contenido de nitratos y amonio durante el proceso de CNP; los nitratos se pueden lixiviar y contaminar las aguas subterráneas, o transportarse en el escurrimiento hacia las aguas superficiales junto al N amoniacal y N orgánico disuelto (Goulding, 2004). Doriozy Ferhi (1994) encontraron que 22 % del N aplicado en áreas de cultivo, equivalente a 14.6 kg ha^–1 año , fue exportado principalmente en forma de nitratos hacia las partes bajas de una pequeña cuenca agrícola; este valor fue relativamente bajo comparado con valores previos encontrados en áreas grandes e intensamente cultivadas. En la región de los Tuxtlas (Veracruz, México) Uribe–Gómez et al. (2002) encontraron que la pérdida promedio de nitratos en terrazas de muro vivo fue 23 kg ha^–1 , debido al elevado aporte de N por la descomposición de los residuos de la poda de setos que se colocaron en la superficie del suelo.

El transporte de P de la tierras agrícolas a los cuerpos de agua superficial ocurre como P soluble (Psol) o P particulado (Ppart); el Ppart considera al P adsorbido a las partículas del suelo y la materia orgánica, las cuales son arrastradas por el escurrimiento superficial durante el proceso de erosión hídrica (Sharpley et al., 2003). En suelos caracterizados por un contenido de arcilla con capas 1:1, materia orgánica y óxidos de hierro, la cantidad de P en solución del suelo es determinado por el proceso de adsorción, el cual es regulado por un pH bajo (Sanyal y De Datta, 1991). Las partículas de sedimento más finas son mantenidas en suspensión por más tiempo cuando se incrementa el escurrimiento, lo que permite su transporte en distancias más largas (Braskerud, 2005). En la cuenca hidrográfica El Jihuite (Jalisco, México) la mayor parte de los terrenos agrícolas tienen pH moderadamente ácido (5–5–6.0) y textura arcillosa en 40 % del área (Flores et al., 1996), con presencia de óxidos de Fe, como goetita, hematita y arcilla caolinita (INEGI, 1994). Aunque estas características permiten proponer la posibilidad que el sedimento adsorbe el P y lo transporta por medio del escurrimiento superficial al embalse de la presa El Jihuite, debe probarse este proceso.

El objetivo del presente trabajo fue cuantificar las pérdidas de nitrógeno y fósforo de los sistemas agrícolas maíz, agave tequilero y pasto, e identificar los procesos asociados con su transporte hacia el embalse de la presa el Jihuite, en Tepatitlán, Jalisco, México.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en el Campo Experimental Centro Altos de Jalisco (CECEAJAL), del Centro de Investigación Regional del Pacífico Centro del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, en el municipio de Tepatitlán; se ubica geográficamente entre 20° 52' 9.1" a 20° 52' 22.1" N y 102° 42' 48.2" a 102° 42' 32.1" O, a una altitud de 1930 m. El clima es templado subhúmedo, con 869 mm de lluvia anual y 16.7 "C de temperatura promedio anual. El suelo se clasificó como mezcla fina isotérmica, Udic rhodustalf (INEGI, 1994).

Durante los ciclos de temporal del 2002 y 2003, de junio a octubre, para cada tormenta se midió el escurrimiento superficial y la pérdida de suelo en cuatro lotes de escurrimiento (LE) donde se establecieron los cultivos de maíz, agave tequilero, pasto nativo y suelo sin cobertura o suelo desnudo; cada LE tuvo 2 m de ancho por 25 m de largo y delimitado con láminas galvanizadas enterradas 10 cm, con una pendiente de 2 %. En la parte baja de cada LE se colocaron dos tanques para recibir el escurrimiento superficial; en cada tormenta se midió el volumen de escurrimiento y se tomaron dos muestras de agua, una para calcular la pérdida de suelo de cada LE y otra para analizar el contenido de N y P. En el LE con maíz para el ciclo del 2003 se dejaron todos los residuos del cultivo del año anterior (6720 kg ha^–1 ). Las fórmulas de fertilización fueron: en maíz 160–90–00, en pasto 40–40–00, en agave tequilero 40–40–30, y en suelo desnudo sin fertilización; las fuentes de fertilizante fue urea y fosfato diamónico (18–46–00). Los cuatro tratamientos se mantuvieron libres de malezas todo el ciclo del cultivo, con base en las recomendaciones del CECEAJAL.

En las muestras de agua de escurrimiento y sedimento tomados de los LE se realizaron las siguientes determinaciones: 1) agua del escurrimiento: nitratos más nitritos y amonio (KC1 2N) y fosfatos (molibdato de amonio) (Eaton et al., 1995); 2) sedimento: P total (método de digestión), P orgánico (método de ignición), y por diferencia entre el P total y el P orgánico se obtuvo el P inorgánico (Kuo, 1996). El P total se ha usado como indicador para clasificar el nivel trófico de lagos tropicales (Sobrino, 2007; Schnoor, 1996), y el P orgánico e inorgánico procedentes de la descomposición de residuos orgánicos y la meteorización de materiales fosfatados, de acuerdo con el ciclo de este elemento se constituyen como la fuente de P inorgánico disuelto para las algas y plantas acuáticas (Juárez–Sanz et al., 2006; Stevenson y Cole, 1999).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Escurrimiento superficial y pérdida de suelo

En el Cuadro 1 se muestra el escurrimiento superficial (ES), la pérdida de suelo (PS) y el número de tormentas erosivas que ocurrieron durante los temporales de lluvias del 2002 y 2003, en los cultivos de agave tequilero, maíz, pasto y suelo desnudo. La erosión hídrica (EH) es un proceso complejo que consiste en el desprendimiento de partículas de la masa del suelo y su transporte por agentes erosivos, como el ES en flujo concentrado que produce las mayores PS; si no hay suficiente energía potencial o cinética para el transporte, ocurre la sedimentación de las partículas (Morgan, 2005). Este autor mencionó que de existir flujos concentrados de agua, la cobertura del suelo es el elemento protector más importante contra la EH en terrenos agrícolas y de pastoreo.

En el agave tequilero ocurrió la mayor PS en el 2002 y 2003 (27.047 y 36.588 t ha^–1), respecto a lo observado en el suelo desnudo (24.92 y 35–128 t ha ). Este resultado se atribuye a la morfología de la planta de agave tequilero, caracterizado por hojas lanceoladas, acanaladas y firmes, organizadas en forma radial alrededor del tallo, que generaría un flujo concentrado que puede producir mayor pérdida de suelo (Zhang et al, 2002).

En el pasto nativo se tuvo la menor pérdida de suelo para 2002 y 2003, con 0.507 y 0.380 t ha^–1. La baja PS en el pasto nativo resulta de la cobertura del suelo desde el inicio del periodo de lluvias, más aún en el 2003 donde sólo se eliminó una pequeña parte de los residuos. En las tierras con pastizal la reducción en la cobertura del suelo por el sobrepastoreo o el inadecuado manejo del pastizal, se incrementa la PS; en cambio cuando se permite el crecimiento del material nativo para favorecer la cobertura de suelo, la EH no rebasa los niveles permisibles (Serna y Echavarría, 2002). Esta característica también se recomienda como una barrera entre los campos agrícolas y los arroyos, opción identificada para el control de la contaminación difusa (Blanco–Canqui et al., 2004). Además, la PS más alta ocurre en la etapa inicial del cultivo cuando la cobertura del suelo es mínima (Ríos y Martínez, 1990), pero después que el follaje resguarda el suelo la PS sólo se observa con tormentas de muy alta energía cinética.

Pérdida de nitrógeno

La pérdida total de N inorgánico (Ni), nitratos más nitritos y amonio , observados en el 2002 y 2003, se muestran en la Figura 1. Durante el 2002, la mayor pérdida de Ni ocurrió en el agave tequilero (7 kg ha^–1 ) y menor en el pasto nativo (3 kg ha^–1 ). Hubo una pérdida intermedia de Ni en el suelo desnudo y maíz (4.6 y 3.9 kg ha^–1 ). En el 2003 la pérdida de Ni ocurrió en el agave tequilero (14.9 kg ha^–1 ) y menor en el pasto nativo (2.4 kg ha^–1 ); una pérdida intermedia de Ni ocurrió en el suelo desnudo y maíz (7–2 y 8.6 kg ha^–1 ). Estos valores pueden considerarse bajos al compararlos con la pérdida de Ni de otros cultivos (Dorioz y Ferhi, 1994; Uribe–Gómez et al., 2002); sin embargo, tales diferencias se asocian con la senescencia y caída de hojas durante el ciclo del cultivo, la dinámica de descomposición de los residuos regulada por factores como la mineralización o inmovilización en el ciclo de nitrógeno, la composición orgánica del residuo, la temperatura y el contenido de agua en el suelo, los eventos de secado y rehumedecimiento del suelo, y las características físicas del suelo (Cabrera et al., 2005; Cermak et al., 2004).

La mayor pérdida de nitrógeno en el 2003 con respecto al 2002 es dependiente del ES (Cermak et al, 2004; Goulding, 2004). Sin embargo, la dinámica en la perdida de y , es dependiente de la dinámica del nitrógeno, de manera que el al ser el primer producto de la descomposición de los residuos vegetales (Porta et al., 1999), explica por qué en el 2002 se observó el mayor contenido de . En cambio, para el 2003 la mayor cantidad de presente puede asociarse con la descomposición de los residuos del ciclo anterior (Cermak et al., 2004), excepto en el maíz donde se invirtió esta tendencia porque se agregaron y mezclaron los residuos del 2002, efecto que se ve reflejado en una mayor pérdida de .

Una situación interesante se observa con el N en el suelo desnudo, pues durante el 2002 se muestra mayor cantidad de amonio (2.5 kg ha^–1 ) y menor de nitratos y nitritos (2.0 kg ha^–1 ), pero en el 2003 la situación se invierte, de manera que el amonio encontrado fue mucho menor (2.5 kg ha^–1 ) en comparación con los nitratos y nitritos (4.7 kg ha^–1 ). Esta situación se explica por la dinámica del N y que durante el periodo de estudio se mantuvo libre de vegetación al suelo. En este contexto, la descomposición de los residuos durante el 2002 favoreció que el amonio prevaleciera sobre los nitratos y nitritos; para el 2003 al no incorporarse residuos al suelo se redujo la fuente potencial de amonio (Porta et al., 1999), y por la oxidación del amonio a nitratos y nitritos aumenta la disponibilidad de estos últimos.

Pérdida de fósforo

En el escurrimiento sólo se encontraron trazas de P en la primera tormenta, pero después no se identificó este nutrimento en el escurrimiento; por tanto, la totalidad del P reportado corresponde al encontrado en el sedimento. Esta situación concuerda con el hecho de que el P adsorbido al sedimento se transporta en el escurrimiento superficial (Sharpley y Menzel, 1987), particularmente cuando el sedimento contiene óxidos de hierro (Parfitt, 1978), como es el caso del suelo en el área en estudio.

En la Figura 2 se muestra la pérdida de P total (Pt), P orgánico (Porg) y P inorgánico (Pin), exportado de los LE durante 2002 y 2003– Debido a que la pérdida de P es dependiente del material exportado, el LE con agave tequilero mostró la mayor erosión hídrica y en consecuencia, también una elevada salida de este nutrimento. En contraste, el pasto nativo tuvo la menor erosión hídrica que se refleja en una mínima cantidad de pérdida de P. En la Figura 2 también se muestra que la mayor parte del P contenido en el material exportado es de origen orgánico.

En cada tratamiento estudiado el porcentaje de Porg durante el 2002 estuvo en el intervalo de 72 a 85 %, mientras que en el 2003 esta proporción se mantuvo excepto en el maíz que se redujo a 57 %. En los terrenos donde se origina el sedimento se reporta que el contenido de Porg está en el intervalo de 13 a 83 % (Picone y Zamuner, 2002; Arzuaga et al., 2005), lo cual permite considerar que en los sedimentos exportados de maíz, agave tequilero y pasto nativo, aún no actúan los procesos de degradación de Porg en el sedimento. Cuando estos sedimentos precipitan en los embalses, se identifican dos tipos de procesos en la reducción del contenido de Porg: una es la mineralización de las partículas que contienen este material y otro es el contenido de óxidos de hierro (Beusekom y Rockmann, 1998); en el primero se libera P vía procesos biológicos y el segundo lo captura mediante el proceso de adsorción.

CONCLUSIONES

Con base en los resultados presentados, la pérdida de nitrógeno está asociada con el proceso de escurrimiento superficial, mientras que la pérdida de fósforo depende del proceso de erosión hídrica.

La mayor pérdida de nitrógeno inorgánico ocurrió en el agave tequilero y fue menor en el pasto nativo, con mayor proporción de nitratos. Sin embargo, en el 2003 en el maíz la incorporación de los residuos de este cultivo, favoreció el incremento en la pérdida de amonio.

La mayor pérdida de fósforo se observó en el agave tequilero y fue menor en pasto, resultado asociado con el proceso de erosión hídrica de los tratamientos. La pérdida de fósforo orgánico fue mayor que de fósforo inorgánico.

El fósforo es el factor limitante en la eutrofización de la presa El Jihuite su corrección dependerá del control de la erosión hídrica en los terrenos con uso agropecuario. Por tanto, deberá promoverse el uso de prácticas de conservación de suelo.

LITERATURA CITADA

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