Evaluación y calibración del índice de fósforo en los Altos de Jalisco, México*
Evaluation and calibration index of phosphorus in Jalisco, Mexico
Hugo Ernesto Flores López1§, Uriel Figueroa Viramontes2, Celia De La Mora Orozco1, Gregorio Núñez González2 y Laura Valdivia Gómez1
1 INIFAP-Campo Experimental Centro Altos de Jalisco. Carretera Tepa-Lagos, Tepatitlán, Jalisco, km 8. (delamora.celiainifap.gob.mx; ispvaldivia@hotmail.com). §Autor para correspondencia: flores.hugo@inifap.gob.mx.
]]> 2 Campo Experimental La Laguna- INIFAP. Blvd. José Santos Valdés 1200 Pte. Col. Centro. 27440 Matamoros, Coahuila, México. (figueroa.uriel@inifap.gob.mx; nuñez.gregorio@inifap.gob.mx).
* Recibido: junio de 2013
Aceptado: enero de 2014
Resumen
La alta concentración de ganado en los Altos de Jalisco, México, genera más de 4.34 millones de toneladas anuales de estiércol que la hace una región de alto riesgo ambiental. El índice de fósforo (IP), es una herramienta de planeación que permite identificar zonas de riesgo ambiental y opciones de manejo que reduzcan el impacto potencial de los sistema agropecuarios; pero antes el IP debe adaptarse y calibrarse a las condiciones locales objetivo del presente trabajo. El estudio se desarrolló de 2009 a 2011 en el Campo Experimental Centro Altos de Jalisco, de INIFAP, localizado en Tepatitlán de Morelos, Jalisco. Se utilizaron lotes de escurrimiento y áreas de drenaje con maíz y pasto, a los que se aplicó estiércol de bovino y gallinaza más fertilizante; en cada tormenta se midió la lluvia, el escurrimiento superficial y la erosión hídrica. Con ésta información se calculó el IP a partir de las características de transporte y fuente de P en cada tratamiento. También se evaluó una modificación al transporte de P, de relación lineal en la tasa de pérdida de P (TPP) a una exponencial. Los resultados mostraron que al inicio del estudio el pasto tiene baja vulnerabilidad a la pérdida de P, pero después se torna vulnerabilidad media, mientras que el maíz tuvo vulnerabilidad media. Se observó efecto de escala al incrementar el área de drenaje con reducción del valor del IP. La calibración del IP con modificación de la TPP de tipo lineal a exponencial mejoró el desempeño del IP.
Palabras clave: erosión hídrica, escurrimiento superficial, tasa de pérdida de fósforo, fuentes de fósforo.
Abstract
]]> The high concentration of livestock in the highlands of Jalisco, Mexico, generates more than 4.34 million tons of manure that makes a region of high environmental risk annually. The phosphorus index (PI) is a planning tool that identifies areas of environmental risk and management options to reduce the potential impact of agricultural system, but before the IP should be adapted and calibrated to local conditions aim of this study. The study was conducted from 2009 to 2011 in the Experimental Center Altos de Jalisco, INIFAP, Tepatitlán located in Morelos, Jalisco. In every storm rainfall, runoff and water erosion was measured; lots of runoff and drainage areas with corn and grass, to which bovine manure and manure plus fertilizer was applied were used. With this information was calculated from the IP transport characteristics and source of P in each treatment. A modification to the transport of P, the linear relationship in loss rate P (TPP) in an exponential was also evaluated. The results showed that at baseline the grass has low vulnerability to P loss, but then becomes medium vulnerability, while corn was medium vulnerability. Scale effect was observed by increasing the drainage area with reduction in the value of the IP. Calibration of IP with modification of TPP linear exponential improved performance IP.Keywords: water erosion, surface runoff, loss rate of phosphorus, phosphorus sources.
Introducción
En México la actividad agropecuaria es importante porque produce más de 3.4% del PIB y la ganadería genera casi 1% de PIB, con el siguiente inventario ganadero: cabezas de bovinos leche 2 340 903, cabezas de bovinos carne 29 420 059, cerdos 15 230 631, aves de postura: 184 711 880 y aves para carne: 311 961 857; de éste inventario ganadero, los Altos de Jalisco participa con 189 184 cabezas de bovinos leche, 105 700 cabezas de bovinos carne, 1 396 700 cerdos y 73 556 700 aves de postura (SIAP-SAGARPA, 2011), con una producción de estiércol estimada en 4.34 millones de toneladas anuales, situación que la constituye como una zona de riesgo ambiental (FAO, 2003).
Los componentes orgánicos del estiércol y la orina de los animales en pastoreo, cuando son depositados en el suelo proporcionan nutrimentos para los cultivos, además de aumentar la materia orgánica del suelo y una mayor capacidad en la retención de agua. Sin embargo, el alto contenido total de fosforo (P) del estiércol varía de acuerdo a la especie animal, la dieta y el método de manipulación, pero en general el P inorgánico constituye 60 a 90% del P total en los desechos animales y sólo 20 a 80% es soluble en agua (Havlin, 2004).
La contaminación ambiental por efecto de estiércoles procedentes de los establos de lechería familiar y aplicación en las tierras agrícolas y de pastoreo de los Altos de Jalisco, es de tal magnitud, que sus efectos se manifiestan en los cuerpos de agua superficial como crecimiento incontrolado de algas y malezas acuáticas (De la Mora et al, 2011), así como el elevado contenido de coliformes (Flores et al, 2012), con uso limitado para el consumo humano y de los mismos establos. Ésta situación hace necesario estimar el riesgo ambiental de la aplicación de este subproducto pecuario en las tierras, así como la selección y aplicación adecuada de las prácticas de manejo pertinentes que permitan la recuperación de los recursos agua y suelo altamente deteriorados de esta región de México.
El escurrimiento superficial es el medio de transporte de los contaminantes hacia los cuerpos de agua superficial procedentes de los estiércoles aplicados o depositados en tierras agrícolas o ganaderas (Soupir et al, 2006; Mishra et al, 2008; Flores et al, 2009), especialmente durante la primera tormenta, razón que hace necesario conocer como ocurre está relación para proponer buenas prácticas de manejo que mejoren la calidad del agua (Ferguson et al., 2003; Saini et al, 2003; Oliver et al, 2005).
En este contexto, el índice de Fósforo (IP) es una herramienta de planeación para los tomadores de decisión, técnicos, asesores y agricultores, para evaluar el riesgo del fósforo aplicado en las tierras y se desplace hacia un cuerpo de agua cercano (Gburek et al., 2000). También puede usarse para identificar los parámetros críticos del suelo, la topografía y el manejo que influyen de manera determinante en la movilización del P. Con estos parámetros, el IP puede ayudar en la selección de opciones de manejo que definen el impacto potencial y las opciones de operación de los sistemas de producción (SP) con la cual se reduzca el riesgo que el P llegue a los cuerpos de agua superficial. Antes de utilizar el IP debe adaptarse y calibrarse a las condiciones locales, mediante la evaluación de los procesos asociados que cuantifiquen los parámetros de la disponibilidad de P en el sitio y el transporte de este hacia los cuerpos de agua. El objetivo del presente estudio fue evaluar y calibrar el índice de fósforo para su aplicación en los SP de leche en los Altos de Jalisco.
]]> Materiales y métodos
El estudio se realizó en los terrenos del Campo Experimental Centro Altos de Jalisco (CECEAJAL), del Centro de Investigaciones Regionales Pacífico Centro del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), localizado en el municipio de Tepatitlán, al noreste del Estado de Jalisco. Se ubica geográficamente entre los paralelos 20° 52' 9.1'' a 20° 52' 22.1'' de latitud norte y los meridianos 102° 42' 48.2'' a 102° 42' 32.1'' de longitud oeste y a una altitud de 1 930 msnm.
El clima del CECEAJAL de acuerdo con la clasificación de Köppen modificada por García (1988), es (A)C(w1)(w)(e)g. La lluvia promedio anual es de 869.3 mm y las temperaturas máxima, mínima y media promedio anuales son 25.7, 7.7 y 16.7 °C, respectivamente. El suelo se clasifica como mezcla fina isotérmica, Udic Rhodustalf (INEGI, 1994). La pendiente del terreno es 2.1%.
El estudio se desarrolló durante los temporales de lluvias de 2009 a 2011. Se utilizó el índice de Fósforo (IP) de Gburek et al. (2000), con los componentes descritos en el Cuadro 1. El IP considera dos características básicas: 1) características dependientes del transporte de P en el sitio; y 2) las características de la fuente de P en el sitio.
Característica del transporte de P en el sitio
Erosión hídrica. Se midió en lotes de escurrimiento (LE) y áreas de drenaje (AD) con cobertura del suelo de pasto y maíz, donde se aplicó estiércol de bovino y gallinaza. En el maíz además se combinó con fertilizante. Se utilizaron los tratamientos siguientes: pasto con rajas de bovino sin incorporar en 50 m2 (PRB50), maíz con estiércol de bovino incorporado en 50 m2 (MEB50), maíz con gallinaza incorporada en 50 m2 (MEG50), pasto con rajas de bovino sin incorporar en 1 m2 (PRB1), pasto con rajas de bovino sin incorporar en 4 m2 (PRB4), área de drenaje con pasto y rajas de bovino sin incorporar en 6 000 m2 (ADPRB) y área de drenaje con maíz y gallinaza incorporada en 6 000 m2 (ADMG). La longitud de recorrido del escurrimiento para los LE de 1, 4, 50 m2 y AD de 6 000 m2, fue de 1, 2, 25 y 72 m, respectivamente.
En la salida de cada LE y AD se colocó un recipiente para captar el escurrimiento y sedimento de cada tormenta; posteriormente se tomaron muestras de agua para medir el contenido de fósforo inorgánico, orgánico y total (APHA-AWWA-WPCF, 1992) y sedimento para calcular la pérdida de suelo. Para medir la lluvia se colocó un colector de lluvia y un registrador automático de datos.
Escurrimiento superficial. La calificación del escurrimiento para cada tratamiento en estudio se basó en el número de curva (CN), por sus siglas en inglés. El CN se calculó con el siguiente procedimiento:
Se estimó el parámetro de retención de humedad con el uso de volumen de escurrimiento y la cantidad de lluvia, en la expresión siguiente (Jasso et al, 1999):
El CN se determinó como una función del parámetro s, a partir de la ecuación siguiente:
La calificación del escurrimiento basada en la pendiente del terreno (2.1%) y los rangos de CN: < 60, 60-70, 70-80 y > 80, la calificación asignada al escurrimiento fue N (despreciable), L (bajo), M (medio) y H (alto), respectivamente.
Característica de la fuente de P en el sitio
Análisis de P en el suelo. El contenido de fósforo en el suelo de los LE y AD, utilizó el método de Bray 1 (APHA-AWWA-WPCF, 1992). La interpretación del contenido de P reportado en el análisis de suelo con el método Bray 1, se utilizó la recomendación de Castellanos et al. (2000).
Tasa de aplicación de fertilizante químico y método de aplicación. La cantidad de fertilizante químico aplicado al maíz fue la dosis 160-69-00, incorporado al momento de la siembra a una profundidad mayor de 5 cm.
Tasa de aplicación de P orgánico procedente de estiércoles y método de incorporación al suelo. Las cantidades de estiércol de bovino y gallinaza que se aplicó en los tratamientos PRB50, MEB50, MEG50, PRB1, PRB4,ADPRB y ADMG, fueron 15 kg de rajas estiércol de bovino, 150 kg de estiércol de bovino, 100 kg de estiércol de gallina, 0.360 kg de rajas de estiércol de bovino, 1.44 kg de rajas de estiércol de bovino y 1 800 kg de rajas de estiércol de bovino, respectivamente. Con respecto al método de aplicación del estiércol en maíz, este se incorporó en el suelo al momento de la labranza y en pasto solo se depositó en la superficie del terreno en forma de rajas, situación orientada a simular el pastoreo de las vacas lecheras, como parte del manejo del SP de lechería familiar de los Altos de Jalisco (Román, 2009).
Cálculo del índice de fosforo (IP)
El IP se obtuvo con la aplicación de la ecuación (3), donde se integran las características de transporte y la fuente de P en el sitio, descritas en el Cuadro 1.
]]>
Dónde: TER= a la calificación de la tasa de erosión hídrica; PER= a la ponderación del factor erosión hídrica; TES= a la calificación de la tasa de escurrimiento superficial; PES= a la ponderación del factor escurrimiento superficial; DIS= es la calificación de la distancia a la red de drenaje del sitio o el periodo de retorno; PDIS= es la ponderación del factor distancia o periodo de retorno; CFP= es la calificación de cada una de las cinco características de la fuente de fósforo; P= es la ponderación de cada una de la cinco características de la fuente fósforo.
De acuerdo con el IP calculado, se identifica la vulnerabilidad del sitio a la pérdida de P, valor que se interpreta con el uso del Cuadro 2.
Análisis de la información. En el análisis de información se utilizó análisis de regresión y estadística descriptiva, en el programa EXCEL. Con éstos resultados se plantea una modificación a la calificación del TTP del IP que mejore su desempeño.
Resultados y discusión
Característica del transporte de P en el sitio
La precipitación pluvial de junio a diciembre de 2009, 2010 y 2011 fue de 1053.9, 634.4 y 642.7 mm, respectivamente. El escurrimiento superficial, pérdida de suelo y número de curva, resultado de la lluvia de cada año, reflejan el efecto de las características hidraúlicas de la cobertura del suelo en la generación de erosión hídrica y el escurrimiento superficial, y estos fueron contrastantes en 2009 con respecto a 2010 y 2011. La mayor lamina de escurrimiento, la pérdida de suelo y el valor de CN se tuvo en maíz y menor en pasto, con un fuerte efecto de escala y comportamiento hidrológico similar al reportado en otros estudios (Tapia-Vargas et al., 2000; Loredo-Osti et al, 2005; Moreno-de las Heras et al, 2010; Francisco-Nicolás et al, 2010; Delmas et al., 2012).
]]> La calificación de las características de transporte de P en el sitio para la distancia al cuerpo de agua o red de drenaje se evaluó con 1 para todos los LE y 0.9 para el AD. La erosión hídrica en todos los tratamientos fue menor a 10 t ha-1 durante los años de estudio, por lo que la calificación fue de 0.7, en cambio el CN varió en los años que duró el estudio; para 2009 los tratamientos de LE con pasto PRB1, PRB4 y PRB50, se calificó con 0.8; para los tratamientos de LE con maíz MEB50, MEG50, se calificó con 0.9 y para ADPRB y ADMG se calificaron con 0.7 y 0.9 respectivamente. En 2010 los tratamientos del LE con pasto y maíz mantuvieron los mismos valores que en 2009, pero en las ADPRB y ADMG se calificaron con 0.7 y 0.8 respectivamente. Para 2011 se mostraron cambios más notables, de manera que los tratamientos de LE con pasto PRB1, PRB4 y PRB50, se calificó con 0.9, 0.9 y 0.8, respectivamente; los tratamientos de LE con maíz MEB50, MEG50, se calificó con 0.9, y para ADPRB y ADMG se calificaron con 0.7 y 0.8 respectivamente.Característica de la fuente de P en el sitio
El contenido inicial de P en el suelo para LE y AD de 46.99 y 25.92 ppm (calificación de alto y medio, respectivamente). Para 2011, el contenido de P en el suelo para el ADMG, ADPRB, fue de 60.79 ppm (calificación de alto), 7.88 ppm (calificación de bajo), respectivamente; en los LE de MEG50, MEB50 y PRB50, el contenido de P en el suelo fue de 62.98 ppm (calificación de excesivo), 36.48 ppm (calificación de alto) y 13.38 ppm (calificación de medio), respectivamente. En el maíz, la incorporación al suelo de la gallinaza y el estiércol de bovino, generan un efecto residual con cambios en las características edáficas físicas y químicas (Eghball et al, 2004); sin embargo, cuando las rajas de bovino se dejan sobre el suelo del LE y AD con pasto, ocurre una reducción en el contenido de P en el suelo, efecto atribuido al lavado por el escurrimiento (Aarons et al., 2009; Vadas et al, 2011) y acentuado por la extracción continua de P en los pastizales en la capa superficial (0 a 10 cm de profundidad), que finalmente los hace susceptibles a deficiencias de fósforo (McLaughlin et al, 2011).
Tasa y método de aplicación de fertilizante químico. La calificación de la tasa de aplicación de fertilizante químico y método de aplicación, resulto de 1 en los tratamientos estudiados.
Tasa de aplicación de estiércoles y método de incorporación en el suelo. La calificación a la tasa de aplicación de estiércoles en los LE con pasto y las AD con pasto y maíz se calificó con 1, mientras en los LE con maíz se calificó con 4. Con respeto al método de aplicación del estiércol, cuando se aplicó con tres meses de anticipación a la siembra se calificó con 4, en cambio cuando se incorporó antes de la siembra la calificación fue de 2.
El Cuadro 3 muestra el índice de Fosforo (IP) calculado para los tratamientos estudiados y el grado de vulnerabilidad a la pérdida de P para cada uno de ellos de 2009 a 2011. El IP muestra que en pasto con rajas de bovino al inicio del estudio la vulnerabilidad a la pérdida de P es baja, pero después cambió a vulnerabilidad media. Éste resultado es atribuido principalmente a las características de transporte en el sitio por el escurrimiento superficial (Sharpley et al., 1993; Dougherty et al., 2004); sin embargo, la fuente de fósforo con su contenido de P y el método de colocación sobre el suelo da calificaciones media y alta, con implicaciones importantes en el resultado del IP. Aarons et al. (2009) mencionaron que las rajas de bovino tienen un efecto localizado sobre la planta de pasto, produciendo en este punto un aumento de P, K, pH y CE en el estrato de 0 a 10 cm del suelo, con permanencia en el terreno de hasta 112 días, dependiendo del contenido de humedad de la raja de estiércol, su contenido de materia seca, el área de contacto con el suelo, la temperatura ambiental, la precipitación y escurrimiento superficial (Vadas et al, 2011).
Cuando se combina esta situación con condiciones hidrológicas que producen altos escurrimientos superficiales en el punto, como valores de CN elevados, el resultado es la movilización del P en el escurrimiento superficial (Dougherty et al., 2004) y en consecuencia, una mayor vulnerabilidad en el sitio a la pérdida de P.
En el caso de maíz con aplicación de fertilizante y estiércol, el IP muestra que el cultivo tiene un riesgo medio en los tres años que duró el estudio. Éste resultado se asocia con las características de transporte en el sitio, particularmente a la erosión hídrica que generan la remoción de P particulado y disuelto (Sharpley et al., 1993), efecto reforzado con la cantidad de fertilización combinado con la aplicación de estiércol y el método de incorporación de este. Havlin (2004) mencionó que la extracción de P del suelo en tierras con uso agrícola o pecuario se incrementa exponencialmente con la erosión hídrica del suelo y linealmente con la disponibilidad de P en el suelo. La vulnerabilidad a la pérdida de P en el AD se mantuvo baja durante el tiempo que duró el estudio, resultado atribuido a las características de transporte de P en el sitio y el efecto de escala observado en los procesos de escurrimiento superficial y erosión hídrica (Cerdán et al., 2004; Moreno-de las Heras et al, 2010).
Con base en estos resultados, las tierras de pastoreo más cercanas a la red de drenaje y los cuerpos de agua son más susceptibles a recibir P vía escurrimiento superficial, en cambio las tierras agrícolas pierden el P vía erosión hídrica con escurrimientos superficial. Es necesario implementar buenas prácticas de manejo para recudir la salida de P de las áreas de pastoreo y agrícolas, vía escurrimiento superficial y erosión hídrica, respectivamente.
Desempeño del índice de fósforo
]]> El desempeño del IP se evalúo mediante ecuaciones que relacionan el índice con la pérdida de fósforo total, fósforo inorgánico y fósforo orgánico, en el escurrimiento de 2009 y 2010. Los modelos que resultaron son de tipo exponencial y se muestran en el Cuadro 4. Este tipo de funciones son similares al observado en el escurrimiento superficial y la erosión hídrica con el incremento en la distancia de recorrido del flujo de agua (Sharpley et al, 2002; Havlin, 2004), por lo que el efecto de estas características hidrológicas en el transporte de P es altamente influyente en la exportación de este nutrimento fuera del sitio. En el Cuadro 1 se muestra que la calificación en la tasa de pérdida de fósforo (TPP) con la erosión hídrica, escurrimiento superficial y la distancia que recorre el escurrimiento fuera del sitio es tipo lineal (Sharpley et al, 1993; Sharpley et al, 2002 Havlin, 2004), por lo que los modelos del Cuadro 4 son la basa para modificar la calificación del TPP con tendencia exponencial a las características de transporte en el sitio, como se muestra en el Cuadro 1.Con la modificación propuesta a la calificación de la TPP, se calculó nuevamente el IP para los tratamientos en estudio y obtener los nuevos modelos del IP con la pérdida de fósforo total, orgánico e inorgánico, con resultados mostrados en el Cuadro 4. El coeficiente de determinación (r2) de los nuevos modelos muestra que el IP mejoró su desempeño, por lo que la calibración propuesta al IP se considera adecuada para su aplicación en los Altos de Jalisco. Sin embargo, su aplicación se limita a condiciones en que se llevó a cabo este trabajo, por lo que se recomienda ampliar la calibración del IP en localidades donde el escurrimiento y la erosión hídrica tenga una mayor intensidad, así como en distancias o periodos de retorno mayores a utilizados en el presente estudio.
Conclusiones
El Índice de Fósforo (IP) en el pasto con aplicación de rajas de estiércol, mostró vulnerabilidad baja al inicio del estudio a la contaminación con P, pero después se torna en vulnerabilidad media, con baja residualidad. El IP del maíz mostró un riesgo medio en todos los años que duró el estudio, resultado atribuido a la incorporación de estiércol de bovino y gallinaza al suelo antes de la siembra más el fertilizante. El IP en las áreas de drenaje con pasto y maíz mostró baja vulnerabilidad a la pérdida de fósforo, resultado atribuido a las características de transporte de P en el sitio y el efecto escala observado en los procesos de escurrimiento superficial y erosión hídrica. Con base en estos resultados, las tierras de pastoreo más cercanas a la red de drenaje y cuerpos de agua, son más susceptibles a recibir P vía escurrimiento superficial, en cambio las tierras agrícolas pierden el P vía erosión hídrica con escurrimientos superficial.
En la calibración del IP, la modificación de la calificación de la tasa de pérdida de fósforo en las características de transporte de fósforo con una relación exponencial, mejoró sustancialmente el desempeño. Sin embargo, se recomienda ampliar la calibración del IP en localidades donde el escurrimiento y la erosión hídrica tenga una mayor intensidad, así como en distancias o periodos de retorno mayores a utilizados en el presente estudio.
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