Elementos traza en fertilizantes y abonos utilizados en agricultura orgánica y convencional*

Trace elements in fertilizers and manure used in organic and conventional agriculture

Juan Carlos Rodríguez Ortiz¹§, Jorge Alonso Alcalá Jáuregui¹, Alejandra Hernández Montoya¹, Humberto Rodríguez Fuentes², Francisco H. Ruiz Espinoza³, José Luis García Hernández⁴ y Paola Elizabeth Díaz Flores¹

¹ Facultad de Agronomía y Veterinaria-Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Carretera San Luis Potosí-Matehuala, km 14.5, Soledad de Graciano Sánchez, S. L. P. México. (jorge.alcalá@uaslp.mx; alejandra.montoya@uaslp.mx; paola.diaz@uaslp.mx). §Autor para correspondencia: jcrodort@uaslp.mx.

² Facultad de Agronomía-Universidad Autónoma de Nuevo León. Carretera Marín-Zuázua, km 6.5, Marín, N. L. México. (hrodrigu10@yahoo.com).

⁴ Facultad de Agronomía y Zootecnia- Universidad Juárez del Estado de Durango, 35110 Venecia, Gómez Palacio, Durango, México. (josel.garciahernandez@yahoo.com).

* Recibido: julio de 2013.
Aceptado: marzo de 2014.

Resumen

Los fertilizantes y abonos son las principales fuentes de nutrientes de los cultivos. La composición de elementos traza en ellos ha sido poco estudiada en México, así como su ingreso total a los suelos por esta vía.Arsénico (As), cadmio (Cd), mercurio (Hg) y plomo (Pb) fueron determinados por espectrofotometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) en nueve fuentes nutrimentales utilizadas en agroecosistemas orgánicos y convencionales; lombricomposta, composta, nitrato chileno, roca fosfórica, urea, nitrato de calcio, fosfato diamónico (DAP), superfosfato triple (SPT) y sulfato de potasio. Los resultados muestran que DAP, SPT, roca fosfórica y lombricomposta poseen las más altas concentraciones de As, Cd y Pb, mientras que Hg sólo fue detectado en SPT a bajas concentraciones. La urea, nitrato de calcio y sulfato de potasio obtuvieron las concentraciones más bajas. Sin embargo, la lombricomposta es el material que más elementos traza incorpora al suelo cuando se toma como fuente de 100 kg de N ha^-1, las cantidades estimadas fueron 17139, 2190 y 76176 mg ha^-1 deAs, Cd y Pb, respectivamente. En caso de usarse como fuente de P₂O₅ ó K₂O, el ingreso al suelo de elementos traza será aún más alto.

Palabras clave: agricultura sustentable, contaminación de suelo, insumos agrícolas, metales pesados, unidad fertilizante.

Fertilizers and manures are the major sources of crop nutrients. Their composition of trace elements and transfer into soil by these means has been poorly studied in Mexico. Arsenic (As), cadmium (Cd), mercury (Hg) and lead (Pb) were determined by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) in nine nutrient sources used in organic and conventional agroecosystems; vermicompost, compost, Chilean nitrate, phosphate rock, urea, calcium nitrate, diammonium phosphate (DAP), triple superphosphate (TSP) and potassium sulphate. The results show that DAP, TSP, phosphate rock and vermicompost have the highest concentrations of As, Cd and Pb, while Hg was detected only at low concentrations in TSP. Urea, calcium nitrate and potassium sulphate obtained the lowest concentrations. However, vermicompost is the material incorporating most trace elements into the soil when taken as a source of 100 kg N ha^-1, the estimated quantities were 17 139, 2 190 and 76 176 mg ha^-1 of As, Cd and Pb, respectively. If used as a source of P₂O₅ or K₂O, there will be higher trace elements transfer into the soil.

Keywords: sustainable agriculture, soil contamination, agricultural inputs, heavy metals, fertilizer unit.

Los nutrientes para los cultivos agrícolas representan un componente elemental en la producción mundial de alimentos. Estos pueden ser aportados por fertilizantes químicos sintéticos, fertilizantes naturales y abonos orgánicos, entre otras fuentes. Los primeros contribuyen con más de 40% de la producción mundial de alimentos y se espera que su uso aumente a medida que la población mundial se incremente y la demanda exceda la capacidad de producción de las tierras agrícolas (Stewart et al, 2005). En los Estados Unidos de América el consumo total de fertilizantes (NPK) en 2009 fue de 109.4 kg ha^-1 de tierra cultivable y en México fue de 54.5 kg ha^-1 (World Bank, 2013). Por su parte, los abonos orgánicos y fertilizantes naturales son los principales insumos que aportan nutrientes en la agricultura orgánica. Esta forma de producción se ha incrementado en los tiempos recientes, en el año 2000 se cultivaron en el mundo 15 millones de hectáreas, mientras que en el 2010 fueron 3 7 millones de hectáreas (Willer, 2012).

Tanto los fertilizantes como los abonos orgánicos contienen elementos traza (ET) en diferentes proporciones (Raven y Loeppert, 1997; Sabiha etal., 2009; Oliveira, 2012; Rodríguez et al, 2012). Entre los ET continuamente encontrados se tienen al arsénico (As), cadmio (Cd), plomo (Pb) y mercurio (Hg), que son considerados por la Organización Mundial de la Salud como los más perjudiciales para la salud humana junto con el flúor (WHO, 2010). No son esenciales para las plantas, y en ciertas dosis pueden afectar su crecimiento y desarrollo. Los resultados de estudios realizados en todo el mundo en cuanto a los elementos traza presentes en dichos materiales son muy variables debido a lo diverso de su origen y procesos que se siguen en su fabricación, por lo que es necesario estudiarlos de manera local y en base a las regulaciones oficiales, con la intención de avanzar hacia una agricultura sostenible.

Por lo anterior, se realizó el presente estudio con los objetivos de evaluar las concentraciones de As, Cd, Hg y Pb en nueve fuentes de nutrientes utilizados en los sistemas agrícolas orgánicos y convencionales, así como estimar las cantidades totales que ingresan al suelo de acuerdo con el nivel de nutriente aplicado.

Los cuatro ET fueron elegidos para este estudio debido a los siguientes factores de riesgo: coeficientes de transferencia alta de elementos traza del suelo a las plantas, elevada permanencia en el medio ambiente y ser capaces de causar daños a la salud humana (Kabata-Pendias, 2010). Se evaluaron nueve fuentes de nutrientes agrícolas comúnmente utilizados en México; cuatro de uso en agricultura orgánica: lombricomposta de bovino, composta de bovino, nitrato chileno (utilizado principalmente para la agricultura orgánica certificada en el estado de Baja California Sur) y roca fosfórica; otros cuatro son materiales inorgánicos utilizados en la agricultura convencional: urea, nitrato de calcio, fosfato diamónico (DAP) y superfosfato triple (SPT); y un fertilizante natural que se puede usar en ambos sistemas: sulfato de potasio.

Los materiales fueron adquiridos de empresas comerciales, con excepción de la lombricomposta, que fue elaborado con lombriz roja de california (Eisenia foetida) en la Facultad de Agronomía y Veterinaria de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, con estiércol de bovino y hojarasca con relación 1:4 (v/v). Las composiciones de macronutrimentos de los nueve materiales se presentan en el cuadro 1, estos valores fueron recabados de la información otorgada por las compañías comerciales. Para el humus de lombriz, se determinó N por el método de Kjeldahl, P y K por espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS, marca Thermo, Serie XII).

Las muestras se secaron a peso constante, se trituraron en un mortero de cuarzo, se colocaron 0,5 g de muestra y 10 mL de ácido nítrico (grados marca EDMTM alta pureza) usando el método del digestor de microondas (marca Marte y Tecnología X) y se aforó a 100 mL capacidad con agua desionizada (Raven y Loeppert, 1996). Se midieron las concentraciones de los elementos mediante un espectrofotómetro de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS, marca Thermo, Serie XII). La curva de calibración se realizó con estándares certificados marca High Purity Standars (HPS). Tulio (Tm) e indio (In) se utilizaron como un patrón interno con corrección de deriva instrumental, tanto a una concentración de 10 mg L^-1 en la solución final. Cada 10 muestras se verificó la precisión de las mediciones a través de un estándar control conocido, diferente al de la curva de calibración. La repetición se obtuvo como resultado de las desviaciones estándar relativas proporcionales para 5 repeticiones observadas de cada uno de los ET. En el caso de la roca fosfórica, se tomaron los datos reportados por la empresa comercializadora.

El Cuadro 2 muestra la concentración de elementos traza en los nueve materiales estudiados. En el caso de As, los niveles de concentración en orden decreciente fueron: SPT > DAP > lombricomposta > roca fosfórica > composta > nitrato chileno > urea= nitrato de calcio= sulfato de potasio. En el caso de Cd, fueron: SPT > roca fosfórica > DAP > lombricomposta > composta > nitrato chileno= urea= nitrato de calcio= sulfato de potasio. En el caso de Hg, sólo en el SPT puede ser detectado por ICP-MS. Para Pb, el orden fue: lombricomposta > roca fosfórica > composta > SPT > sulfato de potasio > DAP > nitrato de calcio > nitrato chileno > urea.

Los resultados obtenidos son similares a los reportados por Raven y Loeppert (1997), en donde las fuentes de fosfato presentaron las mayores concentraciones de elementos traza, independientemente de su uso, mientras que las concentraciones más bajas se observaron en las fuentes de nitrógeno y sulfato de potasio. Los mismos autores mencionan que los materiales compostados pueden ser de importancia ecológica. Cabe mencionar que la norma mexicana NMX-FF-109-SCFI-2007, que establece las especificaciones de calidad de lombricomposta producido o comercializado en el territorio nacional, no toma en cuenta los elementos traza (DOF, 2007). Otra referencia que podemos tomar en cuenta para los materiales orgánicos es la NOM-004-SEMARNAT-2002, que establece las especificaciones y límites permisibles de contaminantes en los biosólidos para uso y disposición final (DOF, 2003). En este estudio, ningún material orgánico rebasa los límites máximos para uso agrícola que indica esta norma, que son: 41, 39, 17 y 300 en As, Cd, Hg y Pb mg kg^-1 de materia seca respectivamente.

La lista de productos Organic Materials Review Institute (OMRI), que determina los productos que se usan en la agricultura orgánica de acuerdo con las normas establecidas por el Departamento deAgricultura de Estados Unidos (NOP-USDA), especifica en una nota de precaución que se pueden producir niveles de advertencia de elementos traza en ciertos materiales compostados y roca fosfórica, y aclara que su aplicación a la agricultura ecológica no debe contribuir a la contaminación de los cultivos, el suelo y el agua. Los niveles indicativos son de 10 mg kg^-1 de As y 90 mg kg^-1 de Pb en compostas y de 40 mg kg^-1 para la roca fosfórica; para Cd y Hg no se menciona ninguna especificación de precaución (OMRI, 2013). En este estudio, ningún material superó estos niveles de concentración.

Las cantidades de elementos traza que ingresan al suelo por cada 100 kg ha^-1 de N, P2O5 ó K2O aplicados se presentan en la Cuadro 3. En el caso del nitrógeno, los materiales que proporcionan este elemento son: lombricomposta, composta, nitrato chileno, urea, nitrato de calcio y DAP. Resaltan los materiales orgánicos como fuente de elementos traza para el suelo, en este caso, lombricomposta y la composta, que junto con DAP, son las fuentes que más elementos traza ingresan al suelo. La composta de lombriz puede proporcionar 17 139 mg ha^-1 de As y DAP puede proporcionar 6 394 mg ha^-1 de As, aunque este último material tiene una concentración más elevada que los anteriores (Cuadro 2). La diferencia radica en que para proporcionar 100 unidades de nitrógeno es necesario aplicar 4 761 kg ha^-1 de lombricomposta, mientras que con DAP se requieren 555 kg ha^-1 (Cuadro 2).

Para Cd, los aportes de lombricomposta y DPA son similares, ambos materiales son las fuentes que más ET ingresan al suelo con 2 190 y 2 057 mg de Cd ha^-1, respectivamente. Para Hg, la composta es la única fuente detectable, aunque poco relevante con 231 mg ha^-1. En el caso del plomo, una vez más fue la lombricomposta quien presentó el valor más elevado con 76 176 mg ha^-1 por cada 100 kg ha^-1 de N aplicado. Los fertilizantes nitrato chileno, urea y nitrato de calcio representan las fuentes menos significativas de elementos traza en los suelos. Las bajas concentraciones de elementos traza encontradas en ellos y los altos niveles de nitrógeno explican este resultado.

En el caso del fósforo, los materiales que proporcionan este elemento son: lombricomposta, composta, fosfato de roca, DAP y SPT. La lombricomposta es la fuente que aporta más ET en el suelo por cada 100 kg P₂O₅ aplicado, y puede proporcionar 24 000 mg ha^-1 de As, cinco veces más que el promedio de la composta, DAP y SPT. La roca fosfórica aporta 24 veces menos As que la lombricomposta. Sin embargo, es preciso señalar que cada roca fosfórica es diferente, los rangos de concentración de este material reportados por Kabata-Pendias y Pendias (2010) varían de 0.4 a 188 ppm de As, 1-10 ppm de Cd, 10-1 000 ppm de Hg y < 1 - 100 ppm de Pb. Para Cd, una vez más la lombricomposta fue la fuente más importante, proporcionando 3066 mg de Cd ha^-1. Mientras tanto, la roca fosfórica, DAP y SPT aportan menos de 2 000 mg de Cd ha^-1. La composta puede aportar 566 mg ha^-1, pero es el mayor proveedor de Hg con 243 mg ha^-1. Para Pb, la lombricomposta puede proporcionar 106 666mg de Pb ha^-1, una cantidad mucho más alta que la de los otros materiales, debido a su elevada concentración de Pb y el bajo contenido en P2O5.

En el caso de las fuentes de potasio, los materiales que proporcionan este elemento son: lombricomposta, composta y sulfato de potasio. La lombricomposta provee la cantidad más alta de As, Cd y Pb; la composta y fertilizantes inorgánicos aportan cantidades medias y bajas respectivamente.

Se concluye que los fertilizantes DAP y SPT fueron los materiales que poseen la mayor concentración de ET, y los materiales orgánicos, lombricomposta y composta, los que más ET pueden ingresar a los suelos. Aún así, las cantidades estimadas no representan, por si solos, un riesgo de contaminación de suelos agrícolas por una sola aplicación. Sin embargo, es recomendable el monitoreo constante de ET en el sistema suelo-agua-planta a través del tiempo debido a la acumulación y prácticas agronómicas que puedan alterar su dinámica.

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