SIMULACIÒN DEL TRANSPORTE DE NITRATO EN EL SUELO BAJO RIEGO POR GOTEO EN CONDICIONES DE FERTIRRIGACIÒN*

Transcripción

1 SIMULACIÒN DEL TRANSPORTE DE NITRATO EN EL SUELO BAJO RIEGO POR GOTEO EN CONDICIONES DE FERTIRRIGACIÒN* René Chipana 1, Sergio N. Duarte 2, Jarbas H. Miranda, Tarlei A. Botrel 4 1. INTRODUCCIÓN La fertirrigación se ha convertido en uno de los sistemas de mayor valor y eficacia para cultivos de alto valor económico Esta técnica comenzó a aplicarse en los años 30, no obstante, se desarrolló y perfeccionó en los años 60. A partir de entonces, se produjo una gran ampliación de la superficie destinada a la fertirrigación en varios países donde se desarrollaron continuas mejoras en los equipos de riego. Los productos químicos aplicados a través del agua de riego, sufren cambios espaciales y temporales en el suelo, variando la distribución de solutos en el perfil. Algunos solutos reaccionan con la matriz del suelo, otros se mueven a través de el, resultando en disolución y/o precipitación, dentro o fuera de la solución del suelo.. Clothier (1984) indica que la comprensión del transporte simultáneo de água y solutos en dos o tres dimensiones permite desarrollar estratégias eficientes de fertirrigación. En relación al nitrógeno, se puede indicar que la aplicación de de productos nitrogenados junto con el agua de riego debe efectuarse con elevada eficiencia, puesto que podría ocasionar problemas de contaminación de acuiferos, así como la degradación de suelos. La aplicación de nitrogeno mediante sistemas de riego por goteo se presenta como una opción, debido a los bajos volúmenes de agua aplicados, lo que se traduce en bajas pérdidas de agua y nitrógeno por percolación (Bucks et al., 1982). Li et al. (2003) y Li et al. (2004), condujeron experimentos para determinar la distribución del nitrógeno bajo riego por goteo, registrando elevadas concentaciones de amonio (NH 4 ) entorno al emisor debido a que este elemento es adsorbido por el suelo, entretanto, el nitrato (NO 3 - ) se acumuló en la periferia del volumen mojado, lo que sugiere que este anión es susceptible a ser transportado fuera de la zona radicular, con la posibilidad de contaminar el agua subterránea. Por tanto, en el entendido de que la comprensión de la dinámica del agua y solutos en el suelo son importantes para diseñar, operar y manejar sistemas de fertirrigación, es que se realizó el presente trabajo, focalizando para ello el nitrato. 2. OBJETIVOS Los objetivos del presente trabajo fueron: Simular el movimiento de nitrato en el bulbo húmedo en riego por goteo, utilizando el modelo PTASIG Establecer estrategias de fertirrigación para reducir las pérdidas por lixiviación de nitrato.

2 3. MATERIALES Y MÉTODOS En la presente investigación, la modelización del transporte de nitrato en el suelo bajo condiciones de riego por goteo, se basó en la solución numérica de dos ecuaciones diferenciales parciales de segundo orden aplicados a fuentes tipo punto, en condiciones de flujo transitorio, es decir, las ecuaciones que gobiernan el movimiento de agua y el transporte de solutos en el suelo (fusionados en la ecuación 1), permitiendo de esta manera determinar la distribución de agua y nitrato en el suelo, en función del espacio y tiempo. donde: θc (qc) C (qc) C = + Dθ + Dθ t z z z r r r Fr (01) q = densidad de flujo, es decir, volumen de agua por unidad de área y de tiempo, L T -1 ; θ = humedad volumétrica del suelo, L 3 L -3 ; C = concentración del soluto en la solución del suelo, M L -3 ; t = unidad de tiempo, T, r, z = coordenadas de posición, L. D = Coeficiente de dispersión hidrodinámico, L 2 T -1 ; Fr = factor de retraso, adimensional La solución numérica fue realizada considerando un sistema de volumenes de control, caraterizado bidimensionalmente por las dimensiones radial y vertical (Δr y Δz) y efectuando incrementos sucesivos de tiempo (Δt). Estas ecuaciones están incorporadas en el modelo computacional PTASIG (Programa para el Transporte de Agua y Solutos en Riego por Goteo) desarrollado por Chipana (2004), considerando que el bulbo de mojado esta conformado por anillos concéntricos. Figura 1- Anillos concéntricos, considerando la forma del bulbo húmedo hemisférico

3 Por otro lado, la tasa de flujo de una célula (anillo) a otra fue calculada confome las consideraciones efectuadas por van Der Ploeg y Benecke (1974) y van Genuchten (1980), donde se asume que el flujo dentro las células ocurre simultáneamente en dos direcciones, tanto para la entrada como para la salida de agua y solutos (Figura 2) La simulación se realizó utilizando la información generada por Miranda (2001), referente a las propiedades físico-químicas del suelo, así como los parámetros de transporte del soluto, quién estudio el movimiento de nitrato en columnas verticales de un suelo Latosol Rojo-Amarillo, fase arenosa, serie Sertaozinho, cuyos datos se muestran en las tablas 1, 2 y 3. Figura 2- Coordenadas de células adyacentes utilizadas en el cálculo del movimiento de agua y solutos por convección (m) y dispersión hidrodinámica (dh) en la dirección radial y vertical. Tabla 1 Características físico hídricas del suelo sometido a simulación Tipo de Suelo Arena (%) Textura Limo (%) Arcilla (%) Densidad Ko Aparente Partículas (cm/h) Porosidad Sertaozinho 69,5 12,0 18,5 1,56 2,575 39,41 18,19 Tabla 2 Parámetros de la curva de retención, de acuerdo con el modelo de Genuchten (1980) Tipo de Suelo Parámetros de la Curva de Retención θr θs α n (cm 3.cm -3 ) (cm 3.cm -3 ) (cm -1 ) m Sertaozinho 0,162 0,443 0,0449 3,6732 0,1119

4 en que: θr = Humedad residual del suelo θs = Humedad a saturación del suelo α, n, m = Parámetros de la ecuación de van Genuchten (1980). Tabla 3 Parámetros de transporte del nitrato: velocidad del agua en los poros (V), coeficiente de difusión-dispersión (D), factor de retraso (Fr) y dispersividad de suelo (λ) sometido a simulación. Tipo de Suelo V (cm.min -1 ) Parámetros de transporte de nitrato D Fr (cm 2.min -1 ) λ (cm) Sertaozinho 0, ,6800 1,340 11,77419 En el presente trabajo, para la simulación del movimiento simultáneo de agua y nitrato en el bulbo húmedo también fue considerado una concentración de 50 mg L -1 de nitrato en el agua de riego, empleando para ello Nitrato de Calcio Tetrahidratado. Asimismo, se consideró el suelo homogeneo con una concetración inicial de nitrato de 109,81 mg L -1, y con una humedad inicial de 0,18 cm 3 cm -3. En la simulación se asumió un caudal del emsior igual a 3 L h -1 con un tiempo de riego de dos horas, totalizando un volumen total de solución aplicada igual a 6 litros. Los tiempos considerados en la redistribución del agua y soluto fueron 24, 48 y 72 horas después de finalizado el riego. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Redistribución del agua en el suelo Los datos del contenido de agua del suelo (θ) generados por el modelo para un tiempo de redistribución de 24 horas después del riego están representados en la Figura 3, donde se puede observar que, las dimensiones del bulbo húmedo alcanzaron una distancia radial de 20 cm y una profundidad de 25 cm. Para tiempos de 48 y 72 horas estas dimensiones practicamente fueron las mismas, lo que indica que en este tipo de suelos, el movimiento de agua es minimo después de las 24 horas. Los pequeños cambios observados significaron por una parte pérdida de agua de las células cercanas al emisor y por otra ganancia para las células adyacentes a las primeras. Dentro el volumen mojado, este parámetro varió entre 0,38 a 0,32 cm 3.cm -3, a partir del emisor y disminuyendo conforme se aproxima a la periferia del bulbo húmedo, provocado por las fuerzas gravitacionales y capilares, en orden de importancia, toda vez que la textura predominate de dicho suelo es arenosa.

5 Profundidad (cm) 0,36-0,41 0,31-0,36 0,26-0,31 0,21-0,26 0,16-0, Distancia radial (cm) Figura 3- Distribución del agua en el bulbo húmedo (cm 3 cm -3 ) simulado por el modelo, para un tiempo de 24 horas después del riego. Movimiento del nitrato en el bulbo húmedo De acuerdo con las simulaciones efectuadas, las que que están expresadas en la Figura 4 para un tiempo de redistribución de 24 horas, se puede advertir, que el nitrato sigue un patrón de distribución uniforme con una tendencia de acumulación hacia el límite del bulbo húmedo en los tres tiempos de redistribución. El mismo fenómeno y sin variar significativamente la concentración fue observado para tiempos de 48 y 72 horas. Por otro ladso, veinticuatro horas después de finalizado el riego, la concentración de nitrato sufrió modificaciones a partir de su concentración inicial en el suelo (109,81 mg L -1 ) y en el agua de riego (50 mg L -1 ), hasta alcanzar valores de 62,37 mg. L -1 en las células que se encontraban entorno al emisor, entanto que en la periferia del bulbo esta concentración fue de 92,89 mg L -1. Para los tiempo de 48 y 72 horas la concentración de nitrato sufrió una pequeña variación, producto de la redistribución del agua en el suelo y el movimiento de nitrato por difusión, siendo que por las caracteristicas del suelo, la concentración fue mayor en el sentido vertical que radial. En términos generales, para los tres tiempos de redistribución considerados, el movimiento de nitrato acompañó casi permanentemente el movimiento del agua, concentrándose de esta manera en las células externas del volumen de mojado. Asimismo, este elemento presentó bajas tasas de de redistribución, lo que demuestra que por ser un anión no es adsorbido por la matriz del suelo, siendo por tanto transportado en forma preferencial por el flujo convectivo junto con el agua, de manera proporcional a su caudal y concentración. Este patrón de acumulación, también fue verificado por Bar-Yosef y Sheikholslami (1976); Clothier y Sauer. (1988) y Li et al. (2003)

6 Distancia radial (cm) Profundidad (cm) Figura 4- Distribución del nitrato en el vomuen de mojado (mg L -1 ) simulado por el modelo, para un tiempo de 24 horas después del riego. La acumulación de nitrato en la periferia del volumen de mojado, representa problemas potenciales de lixiviación ya sea durante el proceso de aplicación de la solución o durante el lavado del sistema después de la inyección de fertilizantes, aspecto que se tornaría aún más crítico si existe una alto contenido en el suelo o si la concetración en la solución es elevada. El proceso de acumulación en el límite del bulbo húmedo posiblemente se debió a que el agua del suelo y la tasa de flujo disminuyeron conforme se avanzó hacia la periferia del bulbo, lo que probablemente hizo que el transporte de nitrato por el agua sea más eficiente al moverse una gran medida por los microporos, tal como fue observado por Li et al. (2004). En base a la información obtenida, se puede indicar que cuando se aplica la técnica de fertirrigación, se debe evitar la acumulación de nitrato en el suelo, mediante la aplicación de concentraciones bajas de este elemento, en función a las necesidades de este nutriente por los cultivos de acuerdo a su estado fenológico, de tal manera que sea absorbido por las plantas. Asimismo, los tiempos y volúmenes de lavado del sistema una vez finalizada la aplicación de fertilizantes, deben ser los estrictamente necesarios. 5. CONCLUSIONES Las simulaciones efectuadas permiten llegar a las siguientes conclusiones: El transporte de nitrato en el bulbo mojado acompaña el movimiento de agua, puesto que al ser un anión no reacciona con la matriz del suelo; El nitrato se encuentra en bajas concentraciones entorno al emisor y tiende a acumularse en la periferia del volumen mojado; Para evitar la acumulación y posterior lixiviación del nitrato, este elemento debe ser aplicado en bajas concentraciones y en función a las necesidades de los cultivos.