Descripción del área de estudio y selección de unidades de muestreo

El área de estudio de la presente investigación se realizó en dos municipios de Puebla, México (Figura 1). El municipio de San Nicolás Buenos Aires se ubica entre las coordenadas 19° 08’ 36” y 19° 20’ 00” latitud norte y 97° 28’ 36” y 97° 34’ 54” longitud oeste del meridiano de Greenwich (Figura 1A). Su extensión aproximada es de 195.19 km². Está situado en la región morfológica de los llanos de San Juan a una la altitud promedio de 2 380 msnm. Presenta clima predominantemente templado-subhúmedo con lluvias en verano (C(w1)) en la parte meridional del municipio y semiseco-templado con lluvias en la parte septentrional, sin lluvia durante el invierno (BS1kw). Su principal actividad económica es la agricultura de temporal.

Figura 1 A) localización de los municipios analizados. Parcelas experimentales; B) municipio San Nicolás Buenos Aires; y C) municipio Los Reyes de Juárez. 

El suelo predominante es regosol, aunque también se pueden identificar Feozems, Fluvisoles y Litosoles (^{INEGI, 2017}). El segundo municipio de muestreo corresponde a Los Reyes de Juárez ubicado entre las coordenadas geográficas 18º 55’ 36” y 19º 01’ 06” latitud norte y los meridianos 97º 47’ 54” y 97º 52’ 06” de longitud occidental (Figura 1C). Cuenta con una extensión de 30.55 km². Se ubica en el Valle de Tepeaca, la planicie se extiende al centro de la meseta poblana y se caracteriza por su suelo eminentemente calizo y por sus yacimientos de mármol. Los tipos de suelos que predominan son Feozem y Calcisol (^{INEGI, 2017}). El relieve es plano, presentando un ligero declive en dirección norte-sur. El clima predominante es templado subhúmedo con lluvias en verano y muy seco durante el invierno (^{INEGI, 2017}). Sus principales actividades económicas son la horticultura y la agricultura de temporal.

En estos municipios los agricultores emplean a la atrazina para el control de malezas en el cultivo de maíz, aplican tres riegos de preemergencia dos o tres semanas antes de la siembra, durante los meses de marzo o abril, incorporan la atrazina por aspersión en los primeros 3 a 5 cm de profundidad, en ocasiones la mezclan con fertilizantes y otros herbicidas, como el carbofuram, sin tener una dosis establecida. No emplean equipo de protección ni cuentan con un manejo controlado para la preparación de soluciones con los herbicidas. Además, realizan rotación de cultivos de manera anual, sembrando calabaza, frijol, zanahoria o brócoli (SENASICA, 2019).

Muestreo de los suelos

Se seleccionaron dos tipos de suelo uno regosol en San Nicolás Buenos Aires y el otro Calcisol en Los Reyes de Juárez. Las unidades de muestreo en cada municipio correspondieron a tres parcelas agrícolas sembradas con maíz y sin aplicación de atrazina. Las muestras de suelo se tomaron en el mes de noviembre de 2018. A partir de los primeros 30 cm de profundidad, se obtuvo la muestra de suelo siguiendo la metodología conocida como ‘cinco de oros’ obteniendo cinco submuestras de cada parcela.

Las submuestras se introdujeron en bolsas de plástico debidamente rotuladas, indicando la unidad de muestreo, posteriormente fueron trasladadas al laboratorio de suelos del Departamento de Investigación en Ciencias Agrícolas de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), para su caracterización fisicoquímica, de acuerdo a los métodos estandarizados de la Norma Oficial Mexicana NOM-SEMARNAT-021-2000 (^{Norma Oficial Mexicana, 2002}). Dada la homogeneidad en los resultados obtenidos de las caracterizaciones individuales de las submuestras de cada una de las tres parcelas de cada municipio, las submuestras se mezclaron para generar una muestra compuesta de cada parcela para dos unidades de muestreo.

Caracterización de los suelos sin atrazina

Para cada suelo se determinaron los siguientes parámetros: densidad, pH, conductividad eléctrica, textura, capacidad de intercambio catiónico (CIC), concentraciones de materia orgánica, calcio y magnesio. Se caracterizaron los principales minerales presentes en cada uno de los suelos por difracción de Rayos X empleando un equipo Bruker D8m con radiación CuKα, con rangos de escaneo 0.5° a 5° (2θ) con un tamaño de paso de paso de 0.025°. Se analizó la posible presencia de atrazina en los suelos muestreados realizando extracciones con metanol del suelo. Para ello se emplearon 5 g de cada suelo, que se colocaron en tubos para centrífuga y se agregó 25 ml de una solución metanol/agua 70/30 v/v correspondiente a una relación peso/volumen extractante-suelo 5:1; posteriormente, se colocaron en un agitador orbital a 180 rpm durante 2 h. Del sobrenadante, 5 ml se hicieron pasar por filtros de nylon de diámetro de poro de 0.45 µm y se almacenaron en frascos ámbar para su posterior análisis.

La concentración de residuos de atrazina se determinó mediante un cromatógrafo de líquidos de alta eficacia (HPLC) acoplado a un equipo dinámico constituido por un sistema de bombas binarias de alta presión modelo 1525, un automuestreador modelo 2707, un detector UV-Vis modelo 2489 y una columna analítica xSelect CSH (4.6 x 150 mm) de 3.5µm de tamaño de partícula, todos ellos de la marca Waters. Se empleó acetonitrilo grado HPLC como fase móvil en modo isocrático con un flujo de extracción de 1 ml min^-1 con una longitud de onda de 220 nm y se tomaron muestras automáticamente cada 5 min, se realizó la curva de calibración para la comprobación de este método. Los datos cromatográficos obtenidos se almacenaron en un sistema de adquisición de datos con ayuda del software Empower 3.0 de Waters Corp. Esta metodología se adecuó con base en la propuesta por ^{Salazar et al. (2018)}.

Columnas empacadas con suelo y estudio de la movilidad de atrazina

Se empacaron los dos tipos de suelo en columnas consecutivas al azar de policloruro de vinilo (PVC) transparente de aproximadamente 8.5 cm de diámetro interno por 30 cm de altura. Cada columna se empacó hasta una altura de 20 cm y se determinaron su peso y densidad. Se estimaron la capacidad de campo utilizando la fórmula de Bodman y Mahmud, porosidad del suelo, velocidad de infiltración y de lixiviación.

Al inicio del experimento a cada columna se le adicionó una solución reconstituyente (0.001M de KCl, 0.006M de CaCl₂, 0.001M de MgCl₂ y 0.018M de NaCl) en flujo continuo mediante un sistema de riego por goteo para simular las condiciones de pH, conductividad eléctrica y fuerza iónica de la solución del suelo (^{Duwig et al., 2009}).

Una vez alcanzada la saturación de los poros, se reinició nuevamente el flujo de agua destilada de manera constante (2.62 ±0.3 ml min^-1). Una solución de atrazina (Gesaprim^®) de 6.25 g L^-1 se aplicó por aspersión en la parte superior de la columna los días 1, 11 y 21. Para ello se empleó un volumen de solución de 250 ml para las columnas de regosol y 200 ml para las de Calcisol. Todos los otros días se empleó el riego por goteo únicamente con agua destilada. El experimento se realizó durante los meses de agosto y septiembre de 2019, teniendo una temperatura promedio de 25 °C.

Debido a que el flujo de entrada de agua y de salida de los lixiviados durante el experimento fue diferente para cada columna de suelo, durante los 30 días del experimento, se calculó el porcentaje de agua lixiviada con relación a la cantidad de volumen aplicado. Con ello se puede comparar de una manera más homogénea el proceso de lixiviación en cada una de las columnas.

Recuperación de lixiviados

Se obtuvieron los lixiviados diariamente de las columnas empacadas durante 30 días, se registró el volumen de las muestras lixiviadas, se filtraron 5 ml de cada muestra y se preservaron en frascos ámbar a 4 °C para su posterior análisis. La cuantificación de atrazina se realizó por HPLC, de la misma manera que en el análisis de las extracciones con metanol (^{Salazar et al., 2018}).

Parámetros de transporte de atrazina en las columnas empacadas con suelo

Al finalizar los 30 días de riegos, se desempacó el suelo de las columnas tratadas previamente con atrazina, se dividió cada columna en tres secciones a las siguientes profundidades: 0-2 cm, 2-10 cm, y 10-20 cm. Cada sección del suelo se mezcló homogéneamente, se pesó y secó en una estufa a 60 °C durante 8 h, posteriormente se realizó la extracción de atrazina siguiendo el método propuesto anteriormente. Finalmente, se determinó el coeficiente de retardo.

Este coeficiente proporciona una primera aproximación sobre el potencial de lixiviación de la atrazina a través del suelo, teniendo en cuenta la adsorción y distribución entre las fases sólidas y líquidas, es calculado mediante la siguiente ecuación: R= 1+ρ/ηKd (1). Donde: R= coeficiente de retardo (adimensional), (= densidad aparente (g cm^-3), (= porosidad (adimensional), K_d = coeficiente de distribución (cm³ g^-1) (^{Eweis, et al. 1999}). El balance de masa para la atrazina se estimó con la siguiente ecuación (^{Raymundo et al., 2011}): MA=ML+MR+MD (2). Donde: M_A es la masa de atrazina aplicada, M_L es la masa total lixiviada, M_R es la masa de atrazina retenida en el suelo de la columna y M_D es la masa de atrazina degradada. Por diferencia, con la ecuación (2) se obtiene la cantidad de atrazina degradada.

Se asumió una tasa constante de degradación (χ) con la siguiente ecuación (^{Raymundo et al., 2011}): χ=-lnMA-MDMA/t (3). Donde: t es el tiempo total de la duración del experimento. Se estimó el tiempo de vida media de atrazina en ambos tipos de suelo con la siguiente ecuación (^{Raymundo et al., 2011}): t0.5=ln⁡(2)/χ (4).

El análisis estadístico de los resultados de la caracterización de los suelos, capacidad de campo, porosidad, velocidad de infiltración y caudales de infiltración y lixiviación se realizaron mediante una prueba t de student para muestras independientes con nivel de significancia p≤ 0.05. Los datos obtenidos para la retención de atrazina y sus parámetros de transporte fueron analizados estadísticamente mediante un análisis de varianza (Anova) y el estudio de diferencias entre medias por test de Tukey. La relación entre las propiedades de los suelos estudiados y la movilidad de la atrazina se estableció a través del método de correlación lineal de Pearson. En todos los casos se consideró un valor de significancia de p≤ 0.05, todos los análisis se realizaron en el programa estadístico R versión 3.1.3.

Caracterización de los suelos sin atrazina

En el Cuadro 1 se muestran los resultados obtenidos sobre la caracterización de los suelos evaluados. El suelo tipo regosol del municipio de San Nicolás Buenos Aires es moderadamente ácido (5.8). No presenta alta salinidad (^{Castellanos, 2000}) ya que muestra un valor de conductividad eléctrica relativamente bajo (0.142 dS m^-1). Este suelo es de clase textural areno francosa con 80% de arenas, con materia orgánica de mediana concentración (1.95%). Esto se debe a que en dicha región el suelo se encuentra bajo laboreo constante y se cultivan desprovistos de cubierta vegetal que podría aportar mayor cantidad de materia orgánica. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) es baja (8 cmol⁺ kg^-1), por lo tanto, se ve limitada la capacidad del suelo para retener cationes y nutrientes para el cultivo de maíz (^{Castellanos, 2000}). Las concentraciones de los iones de Ca²⁺ y Mg²⁺ intercambiables son media (4.9 meq 100 g^-1 suelo) y baja (1.16 meq 100 g^-1suelo), respectivamente.

El suelo tipo Calcisol del municipio de los Reyes de Juárez, presentó un pH cercano a la neutralidad (7.1); su conductividad eléctrica es muy baja (0.25 dS m^-1), por lo que no se consideran salinos (^{Castellanos, 2000}). Este tipo de suelo presenta clase textural franca con predominio de arenas (47%) y arcillas (36%). La concentración de materia orgánica es de 1.84 %, valor considerado como medio (^{Castellanos, 2000}). Su CIC es media (18.9 cmol⁺ kg^-1) (^{Norma Oficial Mexicana, 2002}), debido a la presencia y naturaleza de las arcillas. Presenta altas concentraciones de iones intercambiables de Ca²⁺ y de Mg²⁺, 9.7 y 3.2 meq 100 g^-1 suelo, respectivamente (^{Castellanos, 2000}).

Medias con letra distinta son estadísticamente diferentes entre tipos de suelo (p≤ 0.05).

En cuanto a la mineralogía, el regosol presentó un difractograma de rayos X (Figura 2) que indica la presencia de albita y cuarzo, como lo reportado por ^{Lebgue Keleng et al. (2014)} para regosoles de Chihuahua. Estos minerales cristalinos no suministran aportes significativos de nutrientes al suelo (^{Sadeghian et al., 2012}). Respecto al Calcisol, el difractograma de rayos X indicó que es rico en CaCO₃, (^{Sadeghian et al., 2012}), aunque también se observa la presencia de albita.

Figura 2 Difractogramas de rayos X de muestras de suelo a ángulos grandes (^Ca calcita, ^Al albita, ^Q cuarzo). 

^{Weber (1995)} reportó que la adsorción de atrazina es independiente del pH cuando presenta valores superiores a 4 y Koskinen y Clay (1997) reportaron que el valor máximo de pH que afecta la adsorción de atrazina es 6. Por lo tanto, en los suelos estudiados no hay influencia del pH sobre la adsorción de atrazina debido a que el pH de los suelos utilizados son 5.8 y 7.1. Las concentraciones de materia orgánica son relativamente bajas en ambos suelos sin presentar diferencias significativas (p≤ 0.05). Según los estudios de ^{Wan Ting et al. (2005)}, esta propiedad puede afectar negativamente la adsorción de la atrazina en suelo Regosol, mientras que para el suelo Calcisol, que presenta diferencia significativa (p≤ 0.05) y alto contenido de arcilla, la adsorción de atrazina se favorecería, pero se limitarían los procesos de biodegradación.

No se observó presencia de atrazina antes de iniciar los tratamientos en los suelos muestreados al realizar estudios de cromatografía líquida de alta eficacia de los extractos de cada uno de los suelos, debido a que no se observó el pico correspondiente a atrazina.

Atrazina retenida en las columnas de suelo

En el Cuadro 3 se reportan los valores de atrazina por gramo de suelo retenida a diferentes profundidades de las columnas de cada tipo de suelo. Se observa que el herbicida se encuentra en mayor concentración en los primeros dos centímetros de la columna, 2.4 y 2.3 mg de atrazina g^-1 suelo para el Regosol y Calcisol, respectivamente, sin presentar diferencia significativa (p≤ 0.05). Para el regosol, la atrazina tuvo una retención menor en el interior de la columna, debido a que los suelos arenosos facilitan la lixiviación, no presentan retención y tienen alta permeabilidad (^{Sadeghian y Arias, 2017}). En este suelo, la función de la atrazina para la eliminación de malezas se garantiza, debido a que permanece en la superficie por más tiempo. Para el suelo Calcisol existe migración hasta una superficie más profunda de la columna (1.8 mg de atrazina g^-1 suelo) en este caso, existe alto riesgo de contaminación de aguas superficiales y subterráneas.

Parámetros de transporte de atrazina

En el Cuadro 4 se presentan los valores del coeficiente de distribución (Kd) de atrazina, sin presentar diferencia estadística (p≤ 0.05), 1.99 para el Regosol y 1.88 para el Calcisol. El valor del coeficiente de retardo (R) indicó que la atrazina es móvil en ambos tipos de suelo (^{Bernard et al., 2005}), presentando diferencia estadística (p≤ 0.05, siendo el regosol el presenta mayor R= 1.08 ±0.18 indicador de procesos de lixiviación más rápida en este tipo de suelos y contaminación de aguas subterráneas (^{Gutiérrez et al., 2007}). La importancia de calcular el coeficiente de retardo (R) de atrazina en las columnas es que incluye los efectos de advección y adsorción, considerando la humedad y porosidad en un tipo de suelo. Por lo que, las condiciones del comportamiento hidráulico del suelo serían similares a las empleadas en condiciones reales (^{Eweis et al., 1999}).

Finalmente, la conductividad hidráulica fue significativamente mayor (p≤ 0.05) para el regosol (1.91 ml min^-1) que para el Calcisol (0.09 ml min^-1), lo que indica una mayor capacidad del Regosol para transmitir agua hacia el perfil del suelo. Además, el porcentaje de masa degradada fue de 94% para el regosol y 69% para el Calcisol. La tasa de degradación fue más significativamente (p≤ 0.05) más alta en el Regosol (0.097 días) con respecto al Calcisol (0.039 días), por lo tanto, la atrazina persiste por más tiempo en el Calcisol, con tiempo de vida media de 17.77 días.

Kd= foc*Koc; foc= fracción de carbono orgánico disponible en el suelo; Koc= coeficiente de partición de carbono orgánico. Para la atrazina Koc= 102.32 ml g^-1; χ= tasa constante de degradación; t _0.5= tiempo de vida media. Medias con letra distinta son estadísticamente diferentes entre tipos de suelo (p≤ 0.05).

Los resultados del análisis de correlación entre la movilidad de atrazina y las propiedades de los suelos se presentan en el Cuadro 5. Los coeficientes de correlación obtenidos indican que los factores que afectan la movilidad de la atrazina en el suelo son el contenido de arcillas, materia orgánica, textura y capacidad de intercambio catiónico, lo cual concuerda con ^{Eweis et al. (1999)}. Los suelos con mayor contenido de arcillas y materia orgánica poseen mayor potencial para retener herbicidas, por lo cual su disponibilidad disminuye en la solución del suelo para ser absorbida por las plantas.