Pérdidas de fósforo por efecto de los incendios forestales: Un estudio en laboratorio

Pérdidas de fósforo por efecto de los incendios forestales: Un estudio en laboratorio

CANCELO-GONZÁLEZ, J.1, RIAL-RIVAS, M.E.2 y DÍAZ-FIERROS, F.1

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Departamento de Edafoloxía e Química Agrícola, Universidade de Santiago de Compostela. Facultade de Farmacia. 15782. Santiago de Compostela. España.

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CESAM. Departamento de Ambiente e Ordenamento. Universidade de Aveiro. (Portugal).

Resumen

Los incendios forestales producen pérdidas de nutrientes que ocasionan una reducción de su disponibilidad en los suelos forestales. Este problema se acrecienta con el aumento de las temperaturas a nivel global, por efecto del cambio climático que aumenta la probabilidad de incidencia de los incendios, y las posteriores lavados de nutrientes del suelo producidas por las precipitaciones. En este estudio se emplearon muestras de suelo recogidas sin alterar su estructura para ser sometidas a diferentes intensidades de calentamiento, para simular las condiciones que el suelo experimenta durante un incendio forestal, y así analizar los parámetros fundamentales que intervienen en la exportación de fósforo. Para ello se sometieron los suelos a una simulación de lluvia en laboratorio cuantificando las pérdidas según la intensidad del choque térmico a las que fueron sometidos. Los resultados muestran que la mayor parte de las pérdidas se producen en forma particulada con valores que llegan a alcanzar los 12.56 kg.ha-1. Mostrando que los principales procesos inducidos por los incendios forestales que intervienen en la exportación de fósforo son la escorrentía superficial y la combustión de la materia orgánica del suelo.

Palabras clave

Fósforo, incendios forestales, intensidad del incendio, microcosmos.

1. Introducción

El fósforo movilizado por los incendios puede llegar al agua como ortofosfato (la forma más soluble y reactiva), como complejos orgánicos disueltos o como formas particuladas unidas al material erosionado (Neary et al. 2005). En la mayor parte de los casos el incendio incrementa las formas solubles de fósforo que en el caso de incendios intensos pueden experimentar incrementos entre treinta (Spencer & Hauer 1991) y cuarenta veces (Brass et al. 1996). En el caso de arrastres importantes de suelo por erosión las pérdidas de fosforo en forma particulada serían las más importantes, pueden alcanzar a los 9.1 kg.ha-1 en el primer año, de las cuales casi el 40% serían de reciclado rápido y por tanto fácilmente movilizables a partir de los sedimentos fluviales (Saá et al. 1994).

2. Objetivos

Reproducir en laboratorio las condiciones de incendios de diferentes intensidades con muestras de suelo inalteradas, y las condiciones naturales que afectan a los suelos post incendio con ayuda de un simulador de lluvia. Este estudio a nivel de "microcosmos" se plantea para intentar comprender las pérdidas de fósforo por lavado por efecto del calentamiento del suelo.

3. Metodología

Se utilizó el horizonte superficial, rico en materia orgánica (13.4%), de un suelo tipo Umbrisol léptico (WRB 2007), desarrollado sobre material de tipo granítico. Se tomaron seis muestras de suelo inalterado, en una zona homogénea de 4m2, que se introdujeron en cajas lisimétricas de 20x40x15cm, diseñadas para este fin. Las muestras fueron recogidas en un pastizal con gramíneas, en zona abierta con pinos dispersos, de las cuales dos se utilizaron como tratamiento control (Tempertaura ambiente), dos fueron sometidas a condiciones de un incendio de intensidad moderada (aproximadamente 200ºC de temperatura a 1 cm de profundidad) (A y B), y dos sometidas a un incendio de intensidad alta (aproximadamente 400ºC a 1 cm de profundidad) (C y D).

Las muestras, fueron sometidas a tratamientos térmicos en el laboratorio empleando ocho lámparas infrarrojas Philips IR375CH (300W cada una) ubicadas a 10 cm de la superficie del suelo. La temperatura fue monitorizada a 1 y 6 cm de profundidad, hasta alcanzar las temperaturas deseadas. Una vez alcanzada en el suelo la temperatura prevista se dejó enfriar, obteniéndose unas curvas de calentamiento muy similares a las producidas en los incendios forestales (DeBano et al. 1998). A continuación las muestras de suelo fueron llevadas a un simulador de lluvia (modificado en 2006 sobre la base de los diseñados por Guitián y Méndez (1961) y Morin et al. (1967), que incorpora un brazo móvil con un sistema de chorro de agua para la generación de lluvia. Consiste básicamente de una boquilla pulverizadora oscilante Veejet 8100 (ubicada a 2 m de altura de la superficie del suelo) que genera un chorro de agua en forma de abanico en el que la intensidad de la lluvia viene determinada por la presión de salida y por el ángulo de giro de la misma. La modificación más importante efectuada en el simulador de lluvia consiste en el acoplamiento de las cajas de acero inoxidable (cajas lisimétricas) descritas anteriormente. Las condiciones de trabajo durante las simulaciones fueron: la pendiente del suelo (20%), la intensidad de la lluvia (75 mm/h) y la duración de la lluvia (2h).

Se realizaron dos experiencias de simulación consecutivas, separadas entre sí por un intervalo de 15 días, que totalizaron 300 mm de lluvia durante las cuales se recolectaron las aguas superficiales y de drenaje subsuperficial (12 cm de profundidad) de las seis cajas lisimétricas, determinando en cada fracción de 300ml las concentraciones de fósforo total y fósforo soluble. El fósforo total (mg/L), se determinó mediante una hidrólisis ácida de las muestras sin filtrar realizada en autoclave, para posteriormente emplear el método colorimétrico del molibdato amónico, determinando la absorbancia de las muestras a una longitud de onda de 880 nm (espectrofotómetro UV-Visible modelo “CARY 100 Conc” de VARIAN). En el caso del fósforo soluble se empleó el mismo método colorimétrico que se utilizó en el fósforo total, pero en esta ocasión realizando el filtrado de las muestras y omitiendo la hidrólisis ácida.

4. Resultados

El resultado de las curvas de calentamiento (1 cm de profundidad) (Figura 1) muestra que las réplicas de los suelos sometidos a temperaturas de 200 y 400ºC, a pesar de que los suelos fueron tomados en una zona edáficamente homogénea, muestran un comportamiento inesperadamente dispar. En cada uno de los tratamientos térmicos, las parejas de suelos, elegidas inicialmente como repeticiones, presentan procesos de calentamiento-enfriamiento bastante diferentes. Este comportamiento inesperado, debería ser atribuido a la variabilidad

natural del contenido en agua del suelo. En el momento de la recogida de la muestra en el campo los valores de humedad variaron desde un 17.4% (v/v) (Tratamiento A) a un 20.0% (v/v) (Tratamiento D) que se redujo sobre un 10 % durante el mes que se tuvieron las muestras secando a temperatura ambiente antes del tratamiento térmico. La pérdida de peso que sufrieron con el calentamiento, hasta alcanzar pesos de 17.69 kg en el tratamiento A, 18.73 kg en el tratamiento B, 18.51 kg en el tratamiento C y 18.13 kg en el tratamiento D, son atribuibles fundamentalmente a la pérdidas de agua de 0.10, 0.84, 0.29 y 0.54 kg en cada una de las muestras. Estas diferencias de humedad indujeron cambios importantes en la conductividad térmica del suelo (De Vries 1963) que justificarían los diferentes procesos de calentamiento-enfriamiento de las muestras.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 25 50 75 100 125 150 175 T e m p er atu ra (º C) Tiempo (min) Tratamiento A Tratamiento B Tratamiento C Tratamiento D

Figura 1. Curvas de calentamiento a 1 cm de profundidad.

Como consecuencia de este comportamiento térmico, sólo fueron consideradas como replicaciones, la pareja de muestras que no fueron sometidas a tratamiento térmico, y que actuarán como suelos de referencia, utilizando sus valores promedio. En las restantes cuatro muestras de suelo, cada uno fue considerado como un caso individual cuyas características en relación al tratamiento térmico se presentan en la tabla 1. El grado de calor aportado en la capa superior del suelo se calculó de forma aproximada, a partir de la diferencia entre los valores en grados de calor-hora acumulados en las curvas de temperatura a 1 y 6 cm. de profundidad desde el comienzo del calentamiento hasta que las temperaturas a las dos profundidades se igualaron.

Neary et al. (2005) señalan que la severidad del fuego, aparte de otros factores edáficos o biológicos, depende de la temperatura alcanzada y de la duración de su acción sobre el ecosistema. Por esta razón cuando un fuego determinado se caracteriza por la temperatura y su tiempo de actuación se está usando un índice indirecto de su severidad. Este es el sentido en el que se puede emplear en este trabajo el parámetro "grados-hora" propuesto por Cancelo et al. (2012) y Cancelo et al. (2013) para la caracterización de los incendios forestales y que va a ser utilizado para definir la severidad de calentamiento de la muestras.

Tabla 1. Valores del tratamiento térmico de las muestras. Temperatura máxima alcanzada y grados de calor-hora acumulados en 1 y 6 cm y, su diferencia entre 1 y 6 cm.

Tratamiento térmico A B C D

Temperatura máxima (ºC) 200 220 410 430

Grados calor-hora acumulados (1 cm) 107 388 396 713

Grados calor-hora acumulados (6 cm) 39 194 117 243

El análisis de las pérdidas de fósforo total (Figura 2) y soluble (Figura 3) por lixiviación en las muestras tratadas con diferentes intensidades (temperatura máxima) y severidades (temperatura máxima+tiempo de calentamiento) presentan un comportamiento complejo que se puede resumir de la siguiente forma:

a) Por la vía superficial:

1) La proporción de fósforo soluble con relación al total (soluble más particulado) solo es importante en el tratamiento A con intensidades (200ºC) y severidades (67ºC.h-1), bajas. Esta proporción es del 32.6% en la primera simulación y del 66.7% en la segunda simulación). En el resto de los tratamientos esta proporción es inferior al 10%.

2) El fósforo total presenta dos tratamientos térmicos en la primera simulación donde las pérdidas son importantes: de 100.5 mg. en el B y de 36.5 mg. en el D. En la segunda simulación, las pérdidas más importantes corresponden a los tratamientos C, con 55.7 mg. y D, con 18.7 mg.

3) El fósforo soluble, solo es relativamente importante en el tratamiento A con una pérdida por lixiviación de 3.1 mg. El tratamiento más severo, el D, presenta también un ligero repunte de las pérdidas de 0.64 mg. En la segunda simulación las pérdidas son muy bajas: inferiores a los 0.6 mg. en todos los tratamientos.

b) Por la vía subsuperficial (a 12 cm. de profundidad.):

1) Los valores de fósforo soluble con relación al total son, en general, más elevados que por la vía superficial, sin embargo su relación con los tratamientos térmicos no sigue unas pautas claras.

2) El fósforo total se pierde en cantidades muy inferiores a las que se producen por la vía superficial (de 10 a 200 veces según sea el tratamiento).

3) El fósforo soluble se pierde también en cantidades inferiores por esta vía si bien su proporción es inferior.

5. Discusión

Si se consideran las pérdidas de fósforo total por la vía superficial expresadas en kg.ha-1 sus valores para la suma de las dos simulaciones serían para el blanco de 0.2 y según los tratamientos térmicos de A (1.3), B (13.0), C (7.6) y D (6.9). Estos valores son siempre superiores a la pérdidas medidas en condiciones de campo, sobre todo en el caso de las cuencas experimentales, donde los procesos de adsorción, atenuación y retención reducen en cantidades muy importantes las exportaciones al medio acuático. Se aprecia, con claridad como los tratamientos térmicos intensifican las pérdidas de fósforo, sobre todo a partir del tratamiento B. Por otra parte, es de destacar la importante diferencia que se establece en las pérdidas entre los tratamientos A y B, a pesar de ser sometidos a una intensidad térmica similar (200ºC en el A y 220ºC en el B). La explicación podría estar en la diferente severidad a que fueron sometidas las muestras de suelo(67ºC.h-1 el A y 194ºC.h-1 el B) que definiría un umbral a partir del cual la estabilidad estructural del suelo se degradaría de forma importante facilitando la consiguiente erosión. Teniendo en cuenta que en estos suelos es la materia

orgánica el principal factor de estructuración del suelo (Benito & Díaz-Fierros, 1989) se podría concluir que es la acción conjunta de la temperatura y el tiempo durante el que esta actúa (severidad del incendio) el factor fundamental de su degradación.

0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140

Fósforo Total

Figura 2. Pérdidas acumuladas de fósforo total (mg) superficial (0cm) y subsuperficial (12cm) durante las dos simulaciones de lluvia realizaadas.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 20 40 60 80 100 120 140

Fósforo Soluble

Figura 3. Pérdidas acumuladas de fósforo soluble (mg) superficial (0cm) y subsuperficial (12cm) durante las dos simulaciones de lluvia realizadas.

La cantidad de fósforo soluble con relación al total es en general baja, como muestran los diferentes estudios realizados sobre suelos sometidos a la acción del fuego (Ranalli, 2004). Solo en el caso de los suelos con el tratamiento térmico más bajo (el A, con 200ºC de intensidad y 67ºC.h-1 de severidad) presentan unas proporciones importantes (32.6% y 66.7%

en la primera y la segunda simulación) que no tienen una explicación sencilla ¿una solubilización del fósforo inorgánico del suelo como consecuencia del aumento de la temperatura?

Finalmente, se aprecia con claridad como es la vía superficial, sobre todo en el caso del fósforo particulado, por donde se producen las principales pérdidas de fósforo en los suelos quemados.

6. Conclusiones

a) La técnica de estudio de las pérdidas de fósforo de suelos sometidos a la acción del fuego mediante simuladores de lluvia en "microcosmos" de laboratorio muestra su utilidad para conocer con detalle los procesos de lavado de nutrientes u otras substancias.

b) Los tratamientos térmicos con severidades entre medias y altas suponen un incremento importante de las pérdidas de fósforo por el suelo.

c) Estas pérdidas se producen de forma prioritaria como fósforo particulado. Solo los tratamientos térmicamente más suaves y las pérdidas por la vía subsuperficial presentan porcentajes más elevados de fósforo soluble.

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