Efecto de las aguas residuales tratadas sobre el crecimiento, fotosíntesis y rendimiento en Vides Tempranillo (Vitis vinifera) en Baja California, México

Effect of treated wastewater on growth, photosynthesis and yield of Tempranillo Grapevines (Vitis vinifera) in Baja California, Mexico

Dinora Acosta-Zamorano, Víctor Macías-Carranza, Leopoldo Mendoza-Espinosa, Alejandro Cabello-Pasini*

Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California, Ensenada, Baja California, México. *Autor responsable. (acabello@uabc.edu.mx)

Resumen

Baja California es una zona semidesértica donde la agricultura, incluyendo la viticultura, está limitada por la disponibilidad de agua. Ensenada es una ciudad adyacente a la zona viticultural donde 100 % de las aguas de drenaje son tratadas, no son reutilizadas y se vierten al mar. Por tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de las aguas residuales tratadas (ART) sobre el crecimiento, la fotosíntesis y el rendimiento de vid (Vitis vinifera var. Tempranillo) en el Valle de Guadalupe, México, durante dos años. Un viñedo establecido fue irrigado con 10 a 20 L semana ^-1 de ART de la planta de tratamiento de El Sauzal, como factor experimental, y agua del acuífero Valle de Guadalupe como testigo. Las ART y el agua del acuífero se analizaron química y microbiológicamente durante el estudio. Las ART de la planta de tratamiento cumplieron con todos los parámetros de las normas NOM-001-SEMARNAT-1996 y NOM-003-SEMARNAT-1997 para el riego restringido y no restringido, así como para el contacto directo e indirecto durante el estudio. No hubo diferencias en las tasas de crecimiento relativo y la tasa de transporte electrónico de los cloroplastos de las vides en relación al tipo de agua aplicada. El rendimiento mayor de madera se observó en las plantas irrigadas con 20 L semana ^-1 ART. Este estudio muestra que las ART de las planta de tratamiento del Sauzal no afectan a corto plazo el crecimiento y la fotosíntesis de las vides, y que las ART podrían usarse para reducir el estrés hídrico de cultivos de vid en Baja California.

Palabras clave: agua residual tratada, viticultura, crecimiento.

Abstract

Baja California is a semi-arid region, where agriculture, including viticulture, is limited by water scarcity. The city of Ensenada, adjacent to the grape-growing area, treats 100 % of the wastewater, which is not reused but dumped into the sea. Thus, the objective of this study was to evaluate the effect of treated wastewater (TWW) irrigation on growth, photosynthesis and yield of grape (Vitis vinifera var. Tempranillo) in the Guadalupe Valley, Mexico, during two years. An established vineyard was irrigated with 10 to 20 L week ^-1 of TWW from the El Sauzal wastewater treatment plant, as the experimental factor, and water from the Guadalupe Valley aquifer, as the control. The TWW and aquifer water were analyzed chemically and microbiologically during the study. TWW from the wastewater treatment plant satisfied all the parameters of the norms NOM-001-SEMARNAT-1996 and NOM-003-SEMARNAT-1997 for restricted and non-restricted irrigation, as well as for direct and indirect contact during the study. There were no differences in relative growth rates or chloroplast electron transport rate of the grapevines relative to the type of water applied. Higher wood yield was observed in plants irrigated with 20 L week^-1 TWW. This study shows that TWW from the El Sauzal wastewater treatment plant had no short-term effect on growth and photosynthesis of grapevines, and that treated wastewater could be used to reduce water stress of grape crops in Baja California.

Key words: treated sewage water, viticulture, growth.

INTRODUCCIÓN

El agua es un recurso estratégico para el desarrollo económico y la supervivencia de los países en vías de desarrollo. El problema principal de este recurso es la pérdida de su calidad original y su creciente escasez para uso agrícola, urbano y ambiental. Así, la reutilización del agua es una actividad crítica, principalmente en zonas semidesérticas o con una disponibilidad de agua renovable menor a 1700 m³ habitante^-1 año^-1. El desarrollo de las prácticas de riego con agua residual tratada (ART) fue facilitado por las nuevas políticas y reglamentos en el mundo respecto a reutilizar ART (Lazarova y Bahri, 2005).

Para reducir la escasez de agua en la agricultura, algunos países tienen programas exitosos para reutilizar aguas residuales urbanas (Lazarova y Bahri, 2005). En Israel, Argentina y Chile se utiliza ART para irrigar duraznos (Amygdalus persica), alfalfa (Medicago sativa) y tomate (Solanum lycopersicum) (Scott et al., 2004). México ha desarrollado sistemas de ART para la agricultura; así, el Valle del Mezquital en el estado de Hidalgo, es uno de los sistemas de riego más grandes de Latinoamérica e irrigado parcialmente con ART de la ciudad de México (Jiménez et al., 1999). En Alicante, España, el uso de aguas residuales para el cultivo de uva de mesa aumentó el rendimiento de fruta respecto al de cultivos irrigados con agua de acuíferos, y no hubo efectos negativos sobre la calidad de la uva irrigada con agua residual ni presencia de microorganismos patógenos (Rico-Amoros, 1989). Aunque el ART se puede usar para el cultivo, se desconoce su impacto sobre la fisiología de la vid y sobre la calidad de la uva para producir vino.

Baja California tiene un clima semiárido y una precipitación anual de 285 mm, pero desde 1999 hasta 2011 las precipitaciones en Ensenada fueron cercanas a 200 mm (Reyes-Coca y Troncoso-Gaytan, 2004, datos no publicados). Los municipios de Tijuana, Rosarito, Tecate y Mexicali suplen en gran medida sus necesidades hídricas con el rio Colorado, pero toda el agua del municipio de Ensenada proviene de acuíferos. Aunado al intenso uso del recurso hídrico por los agricultores del Valle de Guadalupe, desde 1985 la Comisión de Servicios Públicos de Ensenada (CESPE) ha instalado 10 pozos en el valle que extraen 320 L s^-1 o 42 % de la recarga natural en el valle para abastecer agua a la ciudad de Ensenada (Kurczyn-Robledo et al., 2006). Esta escasez de agua impacta negativamente en el desarrollo de la agricultura, incluyendo la viticultura, en Baja California.

Baja California produce más del 90 % del vino de México, principalmente en el Valle de Guadalupe a 20 km de la ciudad de Ensenada. No obstante la importancia de la viticultura, el estado enfrenta importantes retos para mantener el suministro de agua para la agricultura y ciudades (Medellín-Azuara et al., 2008). Hay aproximadamente 3000 ha de vid en el estado y se espera duplicarla en los próximos 10 años, pero la principal limitante es la disponibilidad de agua (Sepúlveda, 2009).

Después de usar el agua proveniente del Valle de Guadalupe y otros acuíferos, la ciudad de Ensenada trata todas las aguas residuales captadas en su sistema de drenaje (Medellín-Azuara et al., 2008). Esta agua cumple con los parámetros estipulados para descargas a cuerpos de agua costeros, e incluso para reutilizar donde la población está en contacto directo e indirecto (NOM-003-SEMARNAT-1997), así como para uso en la irrigación agrícola (NOM- 001-SEMARNAT-1996). Sin embargo, aunque el ART de la ciudad de Ensenada cumple con las características necesarias para reutilizarse en la agricultura, sólo 2 % de esta agua se usa en el riego de áreas verdes de la ciudad, y el resto se vierte al mar (Mendoza-Espinosa et al., 2005). El ART de Ensenada se podría usar para irrigar cultivos y reducir la extracción de agua del acuífero, pero se debe evaluar el impacto que tendrá sobre la fisiología de las plantas que serán irrigadas. Por tanto, el objetivo del presente estudio fue evaluar el efecto del riego con ART sobre la fotosíntesis, el crecimiento y el rendimiento de la vid en el Valle de Guadalupe, Baja California.

MATERIALES Y MÉTODOS

Este estudio se realizó durante 2010 y 2011 usando vides (Vitis vinifera var. Tempranillo) cultivadas en el Valle de Guadalupe, Baja California (31° 59' 09" N, 116° 38' 46" O). Las vides tenían 5 años de edad y cultivadas en cordones de un brazo siguiendo un sistema de espaldera de dos líneas. Vides cultivadas en pasillos de 2.7 m y 1.2 m entre vides con una orientación Este-Oeste recibieron los tratamientos: 1) 20 L semana ^-1 de agua del acuífero, 2) 10 L semana ^-1 de ART, 3) 20 L semana ^-1 de ART y 4) sin riego. El agua para cada tratamiento (n=10) fue suministrada semanalmente al pie de las vides utilizando cajetes.

Muestras de ART y agua del acuífero del Valle de Guadalupe fueron recolectadas semanalmente en contenedores plásticos estériles de 0.5 L y transportadas en hieleras al laboratorio de Calidad del Agua del Instituto de Investigaciones Oceanológicas (IIO) de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC) para su análisis. La demanda bioquímica de oxigeno (DBO₅), sólidos sedimentables, sólidos disueltos totales, sólidos suspendidos totales, grasas y aceites, conductividad, pH, turbidez, coliformes totales y fecales se analizaron con métodos estandarizados para el análisis de aguas (APHA, 1998). Los huevos de helmintos se analizaron de acuerdo con la técnica de la NMX-AA-113-SCFI-1999 (1999). La concentración de nitratos, fosfatos y amonio se determinó mediante colorimetría (Hach-Company, 2002).

Crecimiento vegetativo y rendimiento

La tasa de crecimiento relativo (TCR) se determinó cada semana mediante la elongación de los sarmientos (n=30). La longitud de los sarmientos se midió con una cinta métrica desde la base del sarmiento hasta el ápice de crecimiento. La TCR se calculó con la fórmula:

donde L₁ (cm) es la longitud final del sarmiento, L₀(cm) es la longitud inicial y t es el tiempo.

El rendimiento de fruta por vid (n= 10) se determinó mediante el peso de los racimos cosechados cuando la concentración de azúcar de las uvas alcanzó 24 °Brix.

Fotosíntesis

La fluorescencia in vivo asociada al fotosistema II (PSII) se evaluó en campo con un fluorímetro de pulso de amplitud modulada (PAM 2000, Walz, Effeltrich, Alemania). El rendimiento cuántico efectivo de las hojas de vid (n= 30) se evaluó una semana antes de la cosecha y se calculó como ΔF / F'm, donde ΔF = F'm — F't, F'm es la fluorescencia máxima y F't es la fluorescencia basal. Los valores de F't se midieron en la mañana después de mantener las hojas en oscuridad por 12 h, mientras que F'm fue inducida con un pulso de luz blanca saturante (9000 μmol cuanta m ^-2 s ^-1) (Schreiber et al., 1994). Los valores de la tasa de transporte electrónico máximo (TTE_max), la pendiente inicial de la curva ETR vs irradiancia (alfa) y el coeficiente de subsaturación (E_k) se calcularon ajustando una curva tangente hiperbólica a los datos.

Pigmentos

Concentración de nitrógeno en las hojas y peciolos

Muestras de hojas maduras (n= 10) y peciolos (n= 10) opuestos al primer racimo se deshidrataron hasta peso constante (48 h) en una estufa a 80 °C. La concentración de nitrógeno de las hojas y peciolos se determinó con el método Micro-Kjeldahl (AOAC, 1999).

Diseño experimental

El diseño experimental consistió de bloques al azar de 10 vides cada uno. En el 2010, un bloque no recibió riego, otro recibió 20 L sem ^-1 de agua del acuífero y otro 20 L sem ^-1 ART. En el 2011, un bloque no recibió riego, otro recibió 10 y otro 20 L sem ^-1 ART. Las variables de calidad del agua del acuífero y del agua residual se monitorearon cada semana.

Para evaluar el efecto del uso de las aguas residuales sobre las tasas de crecimiento, se marcaron tres sarmientos de cada vid (n= 30 por tratamiento) y se determinó la TCR semanalmente. Para medir el efecto del agua residual sobre la fotosíntesis, los pigmentos fotosintéticos y el rendimiento de fruta, se evaluó TTE (n= 30), concentración de clorofila a y b (n= 10), y peso de los racimos (n= 10) para cada tratamiento, cuando la concentración de azúcar en la fruta alcanzó 24 °Brix. El rendimiento de madera se determinó en cada vid después de la poda de invierno (n=10).

Los datos de TTE, crecimiento de los sarmientos, concentración de clorofila en las hojas, rendimiento de fruta y madera se evaluaron mediante un ANDEVA de una vía, después de probar la normalidad y homocedasticidad de los datos. Las medias de tratamientos se compararon con la prueba de Tukey (p≤0.05).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los análisis de la calidad del ART mostraron que el agua de la planta de tratamiento de El Sauzal satisface los parámetros de las normas oficiales mexicanas para la irrigación de cultivos (NOM-001-SEMARNAT-1996), y para reutilizar en actividades en contacto directo e indirecto con la población (NOM-003-SEMARNAT-1997, Cuadro 1). La concentración de fosfatos y amonio en el ART fueron más altos que los del agua del acuífero durante todo el año. Estos resultados coinciden con otros estudios de las plantas de tratamiento de Ensenada, incluyendo la planta de El Sauzal (Mendoza-Espinosa et al., 2008).

La exposición a niveles bajo o sobre los óptimos de nutrientes puede causar una reducción en la producción de frutos de algunos cultivos. Cantidades excesivas de macronutrientes en aguas residuales, por ejemplo, redujeron el rendimiento y calidad de algodón, tomate para conserva, remolacha, papa, durazno, albaricoquero, manzano y vid (Bouwer y Idelovitch, 1987). El N aportado por el ART y agua del acuífero en este estudio sería 19 kg N ha ^-1 año ^-1, para una concentración aproximada de 13 mg L ^-1 de NO₃^- y NH₄ y con un riego de 3000 m ha ^-1 año ^-1. Estos niveles de N son 25-50 % de lo aplicado para la vid en Baja California. Por tanto, los niveles de N aportados por ART debieran cuantificarse al calcular la dosis de fertilizantes aplicados al cultivo. Además, los niveles de N en las ART podrían reducir significativamente los costos de fertilizar cultivos en la región.

Al igual que los nitratos, la concentración de fosfatos en el ART y agua del acuífero fueron significativamente (p≤0.05) diferentes durante el año.

Los niveles de fosfatos del ART fluctuaron de 10 a 15 mg L ^-1, y los fosfatos en el agua del acuífero fueron cercanos a cero. Los niveles altos de fosfatos en el ART coinciden con observaciones de otras plantas de tratamiento de aguas urbanas (López et al., 1998). Estos niveles de fosfatos están asociados con los detergentes usados en residencias y vertidos a los drenajes urbanos. A diferencia de los niveles altos de nitrato, los niveles bajos de fosfatos en las aguas del acuífero sugieren que este macronutriente es incorporado por las plantas o que tienen bajas tasas de permeabilidad desde la capa de fertilización hasta el manto freático. Las tasas de movilidad del fosfato en el sedimento se reducen al aumentar la concentración de materia orgánica; así, el fosfato se podría fijar en los primeros centímetros de suelo (Ahmed et al., 2008).

Crecimiento de la planta

No hubo diferencias significativas (p>0.05) en la TCR de las vides regadas con agua residual o con agua del acuífero durante 2010 y 2011 (Figura 2). Durante el 2010, la TCR de los sarmientos en mayo fue 1.95 % d ^-1 y disminuyó a prácticamente 0 a mediados de julio. Durante el 2011, la TCR máxima de los sarmientos fue 6.75 % d ^-1 a mediados de abril y disminuyó a 0 % d ^-1 a mediados de julio. A diferencia de estos resultados, se ha reportado tasas de TCR significativamente más altas para vid (Vitis vinifera var. Cabernet sauvignon y Merlot) regadas con ART que aquellas regadas con agua del acuífero (Mendoza-Espinosa et al., 2008). Es probable que las mayores TCR observadas en otros estudios se deban a los niveles mayores de N reportadas en las ART que en el agua del acuífero y al mayor estrés hídrico para esas vides (Mendoza-Espinosa et al., 2008). Similarmente, no hubo diferencias significativas en el crecimiento de lechuga (Lactuca sativa), rábanos (Raphanus sativus) y zanahoria (Daucus carota) irrigadas con aguas residuales respecto a los tratamientos irrigados con agua del acuífero (Zavadil, 2009). Esto sugiere que el uso de ART no necesariamente aumenta el crecimiento de la planta y dependerá mayormente de la concentración de N disuelto respecto a la concentración de N en el agua del acuífero, el estrés hídrico al cual están expuestas las plantas, las dosis de irrigación, etc.

Parámetros fotosintéticos

No hubo diferencias significativas (p>0.05) entre los parámetros fotosintéticos al final de la madurez entre los tratamientos de riego (Figura 3). La ETR_max a través del PSII de las hojas de vid fue 60 ±25 μmol e m ^-2 s ^-1 para todos los tratamientos, el coeficiente de subsaturación (E_k) fue 590 ±150 mol quanta m ^-2 s ^-1, mientras que la pendiente inicial de la curva ETR vs. irradiancia (alfa) fue 0.13 ±0.05 μmol e m s (μmol quanta m ^-2 s ^-1) ^-1. El rendimiento cuántico es un indicador del rendimiento fotosintético (fase fotoquímica de la fotosíntesis) en plantas y bacterias verde-azules (Maxwell y Johnson, 2000). Este rendimiento cuántico del aparato fotosintético es muy sensible al estrés causado por falta de irrigación, diferencias en fertilización, impacto de algún contaminante, etc. Así, las plantas aumentan la pendiente inicial de la curva ETR vs. irradiancia (alfa) y ETR_max a medida que aumenta la concentración de N disponible (Cabello-Pasini et al., 2011). Por tanto, la similitud de los parámetros fotosintéticos en las vides estudiadas probablemente se debe a que los niveles de N aportado por el ART y el agua del acuífero fueron similares durante el periodo de crecimiento.

A diferencia de los parámetros fotosintéticos, la concentración de clorofila a y b fluctuaron significativamente (p≤0.05) en relación al tipo de agua aplicada (ART vs. agua del acuífero) pero no respecto a la concentración de agua residual aplicada a las vides (p>0.5, Figura 4). Las concentraciones mayores (p≤0.05) de clorofila a y b se observaron en las vides irrigadas con 10 y 20 L sem ^-1 de ART, y las menores en las plantas sin irrigación. El aumento de fertilización a base de N aumenta la concentración de clorofila en las hojas de una gran cantidad de plantas (Cabello-Pasini y Figueroa, 2005). En maíz, los niveles de clorofila aumentan al aumentar la disponibilidad de N y al reducir el estrés hídrico (Schlemmer et al., 2005). Por tanto, es probable que el aumento de clorofila en las hojas de vid irrigadas con 10 y 20 L sem ^-1, se deba a la mayor disponibilidad de N en las ART y la reducción del estrés hídrico respecto a las vides no irrigadas. El aumento en la concentración de clorofila conduce a un incremento en ETR_max, lo cual no fue observado en este estudio.

Nitrógeno en los tejidos

El aporte de N por las ART genera un aumento en los niveles de N en el tejido y rendimientos mayores en algunos cultivos. Así, el contenido de N en las hojas de maíz irrigado con ART aumentó de 1 a 3 % respecto a los cultivos irrigados con agua del acuífero (Umaña-Gómez, 2007), y hubo un rendimiento de 2.58 t ha ^-1 de maíz en la parcela irrigada con ART, mientras que en la parcela testigo no regada fue 1.61 t ha ^-1 (Umaña-Gómez, 2006). En el presente estudio, el contenido de N en las hojas y peciolos de la vid no varió significativamente (p>0.05; Figura 5). La concentración de N en las hojas fue cinco veces mayor (p≤0.05) que en los peciolos. Las plantas aumentan la concentración de N en el tejido, incluyendo los peciolos, al aumentar la concentración de N disponible. La concentración de N en las hojas y en los peciolos en este estudio fue consistente con lo observado para numerosos varietales de vid (Christensen, 1984). La concentración de N en los peciolos es más baja que en las hojas, y ambos tienden a disminuir durante el periodo de maduración de las uvas. Los niveles de N en las hojas de vid fluctúan entre 2 y 3 % cuando la fertilización es adecuada (Reuter y Robinson, 1986). Por tanto, la concentración de N en el tejido de hojas en este estudio sugiere que la concentración de N aportada por el agua del acuífero así como el ART fue suficiente para satisfacer los requerimientos nutricionales de N en este varietal. El exceso de aporte de N durante el riego, además de ser perjudicial para las plantas, aumenta la lixiviación del nitrato, y por ende, la contaminación de las aguas subterráneas (Celis-Hidalgo, 2010).

Rendimiento de fruta y madera

No hubo diferencias significativas (p>0.05) del rendimiento de fruta en relación al tratamiento de riego (Figura 6), pero la cantidad de fruta producida durante 2010 y 2011 fue diferente (p≤0.05). El rendimiento de fruta por vid durante 2010 fue 5.5 ± 0.6 kg y durante 2011 fue 4 ± 0.7 kg. Además hubo diferencias en el rendimiento de madera con respecto al tipo de riego (Figura 7). Las vides que recibieron 20 L sem ^-1 de ART (2.7± 0.6 kg madera vid ^-1) mostraron un rendimiento 30 % mayor (p≤ 0.05) que los otros tratamientos. Esto indica que las vides con mayor riego produjeron más follaje.

CONCLUSIONES

Las aguas residuales tratadas de la planta de tratamiento de El Sauzal cumplen con los parámetros que estipula la legislación mexicana para ser usada en el riego de cultivos. Además, estas aguas no afectaron negativamente el crecimiento, la fotosíntesis, la concentración de nitrógeno en los peciolos y hojas, y el rendimiento de fruta y madera en vides Tempranillo.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a Viñas Pasini S. A. de C. V. por permitir realizar los experimentos en parte de su viñedo. Este estudio fue apoyado con recursos del proyecto FORDECYT (#146606).

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