Efecto del uso de fertilizantes
en la calidad del agua subterránea en el estado de Yucatán
Julia Pacheco Armando Cabrera Universidad Autónoma de Yucatán
La agricultura es una de las actividades humanas que más influye en la calidad del agua subte- rránea debido al uso de fertilizantes y plaguicidas. Para conocer la calidad del agua subterránea en una región agrícola, se realizó un muestreo mensual durante un ciclo anual en pozos de la región. Los resultados evidencian en cuatro pozos que las concentraciones de nitratos y sulfatos exceden los límites máximos permisibles (22.15 y mg/l, respectivamente) establecidos por la Norma Mexicana. La aplicación del análisis discriminante multivariado a los datos obtenidos, comparados con los de otras regiones del Estado donde las actividades económicas son dife- rentes, mostraron que la calidad del agua subterránea ha sido influenciada por el uso de fertili- zantes.
Palabras clave: agua subterránea, karst, calidad de agua, agricultura, fertilizantes, límite máxi- mo permisible, análisis estadísticos.
Introducción
Algunas tierras son productivas de modo natural, otras para serlo requieren de la aplicación de técnicas mo- dernas, adición de agua, materias orgánicas y fertili- zantes.
Los
fertilizantes son sustancias que contienen uno o más elementos nutritivos que se proporcionan a las plantas en forma asimilable para favorecer su desarro- Ilo óptimo. Sin embargo, la búsqueda de un rendi- miento máximo sin tener en cuenta otras consecuen- cias está produciendo graves reveses, tanto ambien- tales como sociales.De todas las actividades del hombre que tienen in- fluencia en la calidad del agua, la agricultura es, pro- bablemente, una de las más importantes debido a que puede causar la degradación del recurso por el uso de fertilizantes y plaguicidas. Esta degradación, es origi- nada por cambios bioquímicos en la zona del suelo donde los fertilizantes nitrogenados y fosforados, cam- bian a nitratos y fosfatos que pueden percolar al agua subterránea, ocasionando un aumento en la cantidad de sólidos totales, nitratos, sulfatos, cloruros y sodio (Amin, 1974).
Estudios recientes, indican que los fertilizantes han causado cambios en la calidad del agua, en especial, en la concentración de nitratos en muchas áreas de los Estados Unidos de América, EUA, y el mundo entero. En Delaware, EUA, las concentraciones más altas de nitratos se dan en áreas con una producción agrícola intensiva (Ritter y Chirnside, 1984).
En Inglaterra, se usaron perfiles de nitrato para de- terminar el peligro potencial de la contaminación del agua subterránea debido al uso agrícola del suelo (Chilton y Foster, 1991).
En Pennsylvania, EUA, un estudio de calidad del agua efectuado desde hasta reveló
los
efectos positivos de una política de administración de nutrientes, en los niveles de nitratos y fosfatos del agua subterránea (Hall, 1992).
Por último, un estudio experimental realizado en Ne- braska, EUA, para determinar el contenido de nitrato y N en la zona vadosa de un área agrícola, mostró que el nitrógeno puede ser transportado verticalmen- te, por el mecanismo de recarga (Herbel y Spalding, 1993).
químicos, en especial los fertilizantes, es de interés, porada de lluvias, excepto para el ion nitrato, debido debido a que esta agua es la Única fuente de abaste- probablemente a un efecto de dilución.
cimiento y es muy susceptible a sufrir cambios en su La aplicación del análisis estadístico de discrimina- calidad debido al entorno geológico del ambiente ción multivariado, muestra que existe una diferencia kárstico, que facilita el arrastre de
los
contaminantes estadísticamente significativa( a
= de la calidadhacia el agua subterránea. del agua subterránea de la región agrícola estudiada,
Por sus características climatológicas y edafológi- en comparación con la calidad del agua subterránea cas la porción sur del Estado se ha consolidado como de otras regiones donde no se aplican fertilizantes. una región agrícola de importancia; en ella, se desa-
rrollan programas tendientes a la mejor utilización del Área de estudio suelo para lograr una mayor productividad.
La producción agrícola, conlleva la utilización de El área de estudio se localiza en la porción suroeste grandes cantidades de fertilizantes. Aunque se desco- del estado de Yucatán y comprende cerca de noce la cantidad exacta utilizada de cada fertilizante, km2 (Gobierno del Estado de Yucatán, 1983). Se selec- su aplicación casi siempre es en exceso, debido a la cionaron pozos de abastecimiento correspondien- creencia general de que esto asegura la producción. tes a poblaciones ubicadas en la región denomina- Los principales fertilizantes utilizados en esta región da cono sur (ilustración que se ha consolidado son: la urea, los nitratos y sulfatos amoniacales, los su- como una región agrícola de importancia donde se per fosfatos simples y triples,
los
cloruros y sulfatos de desarrollan programas para una mejor productividad potasio y el fosfato diamoniacal (Gobierno del Estado de los suelos. Estos, se seleccionaron tomando en de Yucatán, 1990). La época de aplicación delos
ferti- consideración las facilidades de acceso (permiso de lizantes queda a juicio y experiencia de los producto- las autoridades municipales) y las condiciones que res; este dato es relevante, ya que si la aplicación se permitiesen un monitoreo continuo (bombeo durante realiza en periodos de lluvias, las pérdidas de elemen- todo el ciclo anual). Los pozos muestreados, al ser uti- tos nutritivos por infiltración, serán elevadas; por otra lizados para abastecimiento, son ademados hasta una parte, la cantidad de elementos fertilizantes utilizados profundidad de entre y m para garantizar la cali- en los cultivos son diferentes en las distintas etapas de dad del agua.crecimiento, sobre todo en cuanto a nitrógeno se refie- La península de Yucatán es, geológicamente, una re. Así, un exceso de nitrógeno en determinado mo- plataforma cubierta casi en su totalidad de sedimentos mento de crecimiento, está directamente preparado marinos calcáreos de la edad terciaria. La porción sur, para su lavado (Díaz et al., 1989). en la que se localiza el área de estudio, la conforman Para conocer la calidad del agua subterránea en calizas y evaporitas del paleoceno-eoceno (Veláz- esta región, se realizó un muestreo mensual a partir de quez, 1986).
abril de hasta marzo de en doce pozos. Los parámetros analizados en el campo fueron pH, conductividad eléctrica y temperatura; y en el labora- torio, se determinaron los iones calcio, magnesio, so- dio, potasio, bicarbonatos, cloruros, sulfatos, nitratos y fosfatos.
Los resultados muestran que la calidad del agua subterránea respecto a las concentraciones de
los
iones calcio, magnesio y bicarbonatos, reflejan la mi- neralogía carbonatada del acuífero. Las concentracio- nes de nitratos en cuatro pozos, exceden el límite máximo permisible (22.15 mg/I) establecido por la Norma Mexicana (Secretaría de Salud, 1988); las con- centraciones de sulfatos y cloruros, exceden los nive- les máximos permisibles por la Norma Mexicana (250 mg/l) en cuatro pozos. Vale la pena mencionar que la Norma Mexicana no regula las concentraciones de fosfatos.
La geohidrología de la zona de estudio presenta ca- racterísticas muy especiales debido, entre otros moti- vos, a la fácil disolución de las formaciones carbona- tadas, lo cual ha ocasionado una gran permeabilidad provocando que el agua de lluvia se infiltre rápida- mente hacia el subsuelo sin dar lugar a que se formen corrientes superficiales (Lesser, 1976). De esta mane- ra, gran parte de la precipitación pluvial se evapora y el resto se infiltra a través de fracturas, oquedades y conductos kársticos en calizas.
Los depósitos calcáreos y evaporíticos del paleoce- no-eoceno de la porción sur, forman una unidad hidro- geológica de alta permeabilidad y un acuífero kárstico regional que se caracteriza por el proceso de disolu- ción a lo largo de la trayectoria de flujo y por el enrique- cimiento salino producido por la presencia de depósi- tos altamente solubles, cuya distribución superficial la constituye la provincia geomorfológica de la Sierrita de Ticul y las colinas de Bolonchén (Velázquez, 1986).
El clima de la región es el denominado cálido-sub- húmedo, con una temperatura media anual de
y una precipitación media anual de mm (INEGI, 1992).
El uso del suelo en esta región, es principalmente agrícola, con cultivos de cítricos, frutales, maíz, frijol, cacahuate, etc. (Carrillo, 1994).
La planeación del sistema de monitoreo se hizo con base en un ciclo anual, con una periodicidad mensual, para determinar la influencia del tiempo (periodos de estiaje, lluvia y transición) en la calidad del agua. Se inició en abril de y finalizó en marzo de
Recolección d e muestras y análisis in situ Durante el transcurso del estudio se colectaron muestras de agua de pozo. En cada lugar de mues- treo, se tomaron los valores del pH, conductividad eléctrica y temperatura, ya que estos parámetros son susceptibles a variación en poco tiempo y además, sir- ven para conocer las características del acuífero.
La medición de estos parámetros se hicieron con equipos portátiles previamente calibrados; el pH se midió con un potenciómetro marca Cole-Parmer, Mo- delo Digi-Sense, con electrodo de temperatu- ra integrado; para medir los valores de conductividad eléctrica se usó un conductímetro Cole-Parmer, Mode- lo y las medidas de temperatura fueron toma- das, además del electrodo del potenciómetro, con un termómetro Silver-Brand graduado en décimas de gra- do. Las muestras se colectaron en envases de polieti- leno de un litro (análisis fisicoquímicos) y en matraces aforados de ml (análisis de fosfatos) para su pos- terior análisis químico en el laboratorio.
Realización d e análisis químicos en el laboratorio
Los análisis químicos se efectuaron en el tiempo reco- mendado para cada determinación y las técnicas ana- líticas empleadas en la determinación de los paráme- tros de calidad del agua, fueron las siguientes (APHA, AWWA y WEF, 1992):
Técnica volumétrica: calcio, bicarbonato y cloruro, Técnica espectrofotométrica: sulfato, fosfato y nitrato. Técnica flamométrica: sodio y potasio.
Resultados
y discusionesLa calidad del agua subterránea en esta área refleja la mineralogia carbonatada del acuífero; es decir, es muy dura mg/l como CaCO3), su pH es ligera- mente básico (pH entre y 7.90) y tiene una gran capacidad buffer, representada por una alcalinidad entre y mg/l como CaCO3.
traciones que exceden el límite máximo permisible (LMP) recomendado por la Norma Mexicana de Cali- dad de Agua Potable (Secretaría de Salud, 1988) en las poblaciones de Peto, Chacsinkín, Pencuyut y Dzan (ilustración 4); y las concentraciones que no exceden el LMP. Este comportamiento podría explicarse en rela- ción con el relieve orográfico del área, ya que los po- blados con las menores concentraciones se sitúan a un lado de la Sierrita de Ticul, lo que pudiera causar un cambio en la edafología del lugar que daría lugar a una mayor retención de los nitratos en la zona insaturada.
Las concentraciones elevadas, pueden deberse al lixiviado de áreas donde se utilizan abonos nitrogena- dos, donde hay acumulaciones de estiércol y demás desechos orgánicos animales. También podemos ob- servar que las mayores concentraciones se dan en el periodo de transición (de noviembre a febrero) y en el principio del estiaje (marzo, abril, mayo y junio). Esta tendencia generalizada del incremento en la concen- tración de nitratos, puede deberse a eventos de recar- ga al agua subterránea, ya que se presenta después de la temporada de lluvia.
Las concentraciones de fósforo disuelto en las muestras de agua subterránea estuvieron por debajo del límite de detección (0.02 mg/l) durante todo el estu- dio. Generalmente, el fósforo no se encuentra disponi- ble para ser lixiviado al agua subterránea, debido a que es absorbido por las partículas del suelo en la su- perficie de la tierra y en la zona insaturada (Hall, 1992). La concentración límite para el ion sulfato (250 mg/l) es excedida en las poblaciones de Peto, Santa Elena, Muna y Tzucacab con valores promedio de
y mg/l., respectivamente. Estas altas concen- Estas aguas se clasifican como moderadamente
tibias según la clasificación de Bogomolov y Siling Bet- churing y como ortotermas o normales según la clasi- ficación de Schoeller (Custodio y Llamas, 1976).
Los valores para la conductividad eléctrica varían en un intervalo muy amplio (de a
sin embargo, estas variaciones se dan entre los lu- gares de muestreo y no dentro de cada lugar (ilustra- ción
lo
que significa que este parámetro podría ser indicativo de las condiciones locales de las fuentes muestreadas, tales como:Presencia de fracturas o canales de disolución que dan lugar a la filtración de una mayor cantidad de sales solubles
La ubicación de pozos de abastecimiento dentro de las poblaciones, con la consiguiente contaminación por desechos domésticos
traciones pueden deberse a la presencia de zonas con rocas sulfatadas, ya que en estudios realizados en el Estado, se ha demostrado por medio de la isotopía que el contenido de sulfatos de las aguas se debe a procesos de intemperismo de minerales sulfatados con la subsecuente oxidación a sulfato y a la precipi- tación de yeso y anhidrita en evaporitas (Socki, 1984); otra causa de este comportamiento, puede originarse en el proceso de salinización del suelo, inducido por las actividades agrícolas, principalmente por la irriga- ción con aguas salinizadas (Magaritz y Nadler, 1993) y por el uso de fertilizantes sulfatados. Los demás poblados presentan concentraciones por debajo del límite máximo permisible (su origen puede ser el apor- te del lixiviado hacia las aguas subterráneas).
El comportamiento temporal de este ion, es el mismo para todos los pozos de la región, con las mayores con- centraciones en el estiaje (marzo, abril, mayo y junio) y las menores en época de transición (noviembre, di- ciembre, enero y febrero), como resultado del fenóme- no de dilución de las aguas subterráneas (ilustración 5). La concentración del ion cloruro para los doce po- zos muestreados durante el periodo considerado, va- riaron de a mg/l. Seis de los pozos, tuvieron en promedio concentraciones por arriba de mg/l, que es el límite máximo permisible establecido por la Nor- ma Mexicana (ilustración 6 ) . Por lo general, se obser- va una tendencia descendente en las concentraciones del ion cloruro a partir de la temporada de lluvias (julio, agosto, septiembre y octubre), causada probablemen- te al efecto de dilución.
Los análisis de regresión lineal aplicados a los datos de nitratos y cloruros, indicaron un coeficiente de co-
rrelación de para la población de Tekax, de para Dzan y de para la población de Ti- cul, todos con un nivel de significancia menor al (cuadro
Estos coeficientes, pudieran significar una contami- nación por desechos domésticos y municipales, ya que los abastecimientos de agua contaminados por estos desechos comúnmente contienen una concen- tración de cloruros más alta que la porción potable del acuífero, existe además una correlación significativa entre las concentraciones de los iones cloruro y nitrato (Back y Hanshaw, 1974; Piskin, 1973; Ritter y Chirnsi- de, 1984).
lo que las concentraciones de cloruro pudieron deber- se principalmente a la disolución de minerales y a pro- cesos de salinización por efectos de irrigación con agua salina, uso de fertilizantes clorurados y mezcla con el agua salina que subyace al acuífero.
El ion sodio muestra un comportamiento similar al ion cloruro, con respecto a las variaciones estaciona- les. Los mayores valores se obtuvieron en las poblacio- nes de Muna y Tzucacab. Lo anterior, hace suponer la disolución de rocas evaporitas presentes en la geolo- gía regional (Ward et al., 1985).
Con la finalidad de verificar si la calidad del agua subterránea del área de estudio (región agrícola), es distinta de otras áreas donde el uso del suelo es dife- rente, tales como la región henequenera situada en la parte centro-norte del Estado y la ganadera localizada al oriente, se llevó a cabo un análisis estadístico multi- variado denominado Análisis discriminante.
El Análisis discriminante es útil cuando se tienen da- tos clasificados en dos o más grupos y se desea en- contrar una o más funciones de medidas cuantitativas que podrían ayudar a discriminar entre los grupos. El propósito de esta técnica es proporcionar un método para predecir el grupo al que debiera pertenecer un nuevo caso u observación, o bien, obtener un número pequeño de variables útiles para la discriminación (Johnson y Wichern, 1982).
Con el propósito de encontrar una o más funciones que nos ayuden a discriminar entre las regiones consi- deradas, se realizó el Análisis discriminante con los va- lores de las concentraciones de sodio, potasio, sulfato, cloruro y nitrato, que son los iones considerados como indicadores de contaminación.
Los resultados de este análisis, obtenidos por medio del programa estadístico Statgraphics Versión 5 (SGC, mostraron que es posible discriminar entre los grupos de agua subterránea provenientes de la región henequenera (grupo I ) , de la región ganadera (gru- po 2) y de la región agrícola (grupo 3) por medio de dos funciones discriminantes (ilustración 7). La prime- ra función:
discrimina entre las aguas pertenecientes a las regio- nes henequenera y ganadera.
En el cuadro se da el número de observaciones en cada grupo que son predichos como pertenecien- tes a cada uno de los otros grupos. Puede notarse que dos observaciones del grupo 3 fueron clasificadas en los grupos y 2.
Este análisis, confirma que la actividad humana, en este caso la agricultura, modifica la calidad del agua subterránea, en los parámetros químicos referentes a aspectos de contaminación, ya que es posible esta- blecer criterios de discriminación entre las aguas que subyacen a suelos con diferente usos, para nuestro caso, uso agrícola, henequenero y ganadero (Pacheco y Cabrera, 1993).
Conclusiones
Las concentraciones de calcio, magnesio y bicarbo- natos son típicos de áreas carbonatadas, con valores altos para la dureza total y una gran capacidad buffer ocasionada por valores de alcalinidad entre y miligramos por litro.
Los valores para las temperaturas fluctuaron entre y 29°C y las conductividades eléctricas variaron en
un intervalo de a encontrándose las
mayores diferencias entre los poblados, más que entre las lecturas para un mismo poblado durante los dife- rentes tiempos de muestreo.
El problema de la calidad del agua es ocasionado principalmente por las concentraciones de nitratos, cloruros, sulfatos y sodio, que en lugares como Peto, Tzucacab, Chacsinkin, Pencuyut, Dzan, Muna y Santa Elena, rebasan los límites máximos permisibles reco- mendados por la Norma Mexicana.
Los análisis de regresión lineal aplicados a las con- centraciones de nitratos y cloruros, mostraron eviden- cias de contaminación por desechos domésticos y municipales en los pozos de las poblaciones de Tekax, Dzan y Ticul.
En general, se observa una tendencia ascendente en las concentraciones de los iones a partir del perio- do de lluvias, excepto para el ion nitrato, debido pro- bablemente a un efecto de dilución.
Por último, podemos decir que la calidad del agua subterránea en la región de estudio ha sido influencia- da por el uso de fertilizantes, ya que existe una dife- rencia estadísticamente significativa (a = 0.05) de la calidad del agua subterránea de la región con otras áreas donde no se utilizan fertilizantes.
Recomendaciones
Es necesario controlar la dosis y los ciclos de aplica- ción de los fertilizantes en tierras de uso agrícola, con la finalidad de establecer correlaciones que sirvan para el planteamiento de estrategias administrativas tendientes a minimizar los efectos de los nutrientes en la calidad del agua subterránea, particularmente en regiones donde es la única fuente de abastecimiento.
Los resultados de este estudio, sugieren que es necesario buscar nuevas áreas de abastecimiento de agua potable para algunas poblaciones.
Recibido: junio,
Aprobado: marzo,
Nota
Los datos utilizados en el presente trabajo, forman parte de los pro- yectos lmpacto del uso de fertilizantes en la calidad del agua sub- terránea en una región agrícola a/ sur del estado de Yucatán, finan- ciado por DGICSA-SEP, según convenio No.
Responsable: Julia Pacheco Ávila, e lmpacto del uso del suelo en /as concentraciones de nitratos del agua Subterránea, en el estado de Yucatán, financiado por el CONACYT, según convenio No.
Responsable: Julia Pacheco Ávila.
Referencias
Amin, H.A. Water quality cycle-reflection of activities of
nature and man. Ground Water 2(
APHA, AWWA, WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 18th Edition. Editado por: Greenberg A. E.; L. S . Clesveri y A. D. Eaton; p.
Back, W. y B.B. Hanshaw. Hydrogeochemistry of the northern Yucatan peninsula, Mexico with a section on Ma- yan water practices. Field Seminar on Water and Carbo- nate Rocks of the Yucatan Peninsula, Mexico. USA: New Orleans Geological Society; p.
Carrillo, R.M. Determinación de la calidad del agua subterránea en una región con actividad agrícola al sur del estado de Yucatán. Mérida, México: Universidad Au- tónoma de Yucatán; Tesis.
Chilton, P. J. y S. S .
D.
Foster. Control of ground-water nitrate pollution in Britain by land-use change. En: Bogar- di, L. y R. D. Kuzelka (eds), Nitrate Contamination: Expo- sure, consequence and control. Berlin: Springer-Verlag; Custodio, E. y M.R.
Llamas, Hidrología Subterránea.Tomo I. Editorial Omega, S.A.; p.
Díaz, A.M.; V.S. Garrido y G.R. Hidalgo. Contaminación Agraria Difusa. Ministerio de Obras Públicas y Urba- nismo.
Gobierno del Estado de Yucatán. Monografías del es- tado de Yucatán. Editorial Zamná.
Gobierno del Estado de Yucatán. Monografías del es- tado de Yucatan. Editorial Zamná.
Hall, D. W. Effects of nutrient management on nitrate le- vels in ground water near Ephrata, Pensylvania. Ground
Water
Herbel, M. J. y R. F. Spalding. Vadoza zone fertili- zer-derived nitrate an N extracts. Ground Water
Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática.
Anuario Estadístico del Estado de Yucatan. Gobier- no del estado de Yucatán., Cap.
Johnson, R. A. y D.W. Wichern. Applied Multivariate Statistical Analysis. Prentice-Hall; p.
Lesser, I. J. Estudio hidrogeológico e hidrogeoquímico de la península de Yucatán. Informe final: Proyecto CONACYT-NSF Mexico: Secretaría de Recursos Hidráulicos; p.
Magaritz, M. y A. Nadler. Agrotechnically induced sali- nation in the unsaturated zone of loessial soils, N. W.
Negeu, Israel. Ground Water
Pacheco, A. J. y S. A. Cabrera. Efectos de las activida- des humanas en la calidad del agua subterránea del es- tado de Yucatán. Boletín Académico de la Facultad de ln- geniería, Universidad Autónoma de Yucatán, Número Piskin, R. Evaluation of nitrate content of groundwater
in Hall County, Nebraska. Ground Water,
Ritter, W. F. y A. E. M. Chirnside. Impact of land use on
ground-water quality in Southern Delaware. Ground Water
Secretaría de Salud. Reglamento de la ley general de salud en materia de control sanitario de actividades, esta- blecimientos, productos y servicios. México, D. F. Diario Oficial de la Federación. enero 8: p.
Socki, R. A. Chemical and isotopic study of groundwa- ter from Northwestern Yucatan, Mexico. Illinois: Northern lllinios University; Thesis.
Statistical Graphics Corporation. Statistical graphics system manual, Version U.S.A.
Velázquez, A. L. Aplicación de principios geoquími- cos en la hidrología kárstica de la península de Yucatán. Ingeniería Hidráulica en México II Epoca,
Ward, W. C.; A. E. Weidie y W. Back. Geology and hy-
drogeology of the Yucatan and Quaternary geology of northeastern Yucatan peninsula. New Orleans: NOGS Publications.
Abstract
Pacheco J. and A. Cabrera. "The Effect of Fertilizer Utilization on Ground-Water Quality in the State of Yucatan". Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish). Vol. XI. Num pages January-April,
Agriculture is one of many human activities that influence groundwater quality through the use of fertilizers and pesticides, A ground water monitoring study was carried out in the southern region of the state of Yucatan. Twelve wells were sampled once a month over one year: The concentration of nitrates and sulfates in four wells were above the and mg/l maximum permitted under Mexican regulations. A multivariate discriminant analysis, applied to the data from the agricultural area and other regions which have different land use, sho- wed that groundwater quality has been influenced by fertilizer use.
