CALIDAD DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN UN CAMPO EXPERIMENTAL HORTÍCOLA EN EL ESTADO DE YUCATÁN

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1 CALIDAD DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN UN CAMPO EXPERIMENTAL HORTÍCOLA EN EL ESTADO DE YUCATÁN Armando Cabrera Sansores 1, Ricardo Beltrán Chin 1, Julia Pacheco Avila 1,2, Javier Frías Tuyín 1 y José Ramírez Herrera 1. 1 Coordinación Académica de Ingeniería Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán Av. Ind. No contaminantes por Anillo Periférico Norte, Mérida Yucatán, México, Tel. (99) , Fax (99) Posgrado en Ciencias de la Tierra, Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, México, D. F. Tel. (5) , Fax (5) RESUMEN La actividad porcícola puede repercutir en la calidad del agua subterránea debido a las características kársticas de la región, que permiten una rápida infiltración del lixiviado de los desechos generados en esta actividad que son aplicados directamente al suelo. El estudio se realizó en el municipio de Conkal Yucatán, donde se cultivan diversos productos hortícolas de consumo local (chiles, calabazas, pepinos, etc.). El agua de riego fue extraída de 9 pozos someros ubicados dentro de esta área. El muestreo se realizó en cuatro etapas correspondientes a los períodos climáticos regionales, tres en el año de 1997 y uno en el 98. Se realizaron medidas de campo (ph, CE, T y OD.) y los parámetros químicos mayoritarios de aguas kársticas. Los resultados indicaron que la familia de agua predominante, es la cálcico-bicarbonatada y que existe alto peligro de salinización del agua que subyace la zona. INTRODUCCIÓN El auge henequenero data de 1870 a 1945 (Bukman y Brady, 1966), tiempo en el cual, inicia el decaimiento de la industria henequenera, importante pilar de la economía yucateca, que dio paso a la diversificación de las actividades en esta región. Una de las actividades que tuvo un desarrollo importante fue la porcicultura, principalmente en los municipios cercanos a la ciudad de Mérida. Su crecimiento fue uniforme, debido, en parte, a la gran diversidad de estratos económicos de la población que participan en esta actividad. Así, agrupó en diferentes niveles de organización que van, desde el traspatio (con la engorda, o cría de un solo animal), hasta la empresarial (con la producción integrada de vientres, o más), pasando por sistemas de engorda, o

2 de cría y engorda de muy diversos tamaños. Eliminando los sistemas de traspatio y las grandes explotaciones (producción empresarial), la capacidad instalada de la actividad porcícola (tanto a nivel ejidal como de pequeña propiedad), es, en promedio, de 150 vientres por granja, con un rango de vientres distribuidos en, aproximadamente, 1000 granjas, las cuales se localizan principalmente en la región centro norte, que a su vez, abarcan los municipios de mayor densidad de población del estado de Yucatán (INEGI, 1994). La producción porcina intensiva conlleva a la generación de grandes cantidades de desechos. Estos desechos, generalmente son depositados sobre el suelo, o en cavernas situadas en los alrededores de las granjas, causando una contaminación directa de las aguas subterráneas, ya que las condiciones ambientales del estado propician la recarga directa. La producción de estiércol es aproximadamente de 6 Kg., por cada 1000 Kg. de peso vivo (ASAE, 1988). Las actividades agrícolas pueden repercutir en la calidad del agua subterránea con las descargas que producen, en especial, en lugares en donde el medio hidrogeológico permite una rápida infiltración hacia el agua subterránea. El no tener control de la cantidad y calidad de las excretas aplicadas al terreno, puede dar lugar a un aporte en exceso de microorganismos patógenos, materia orgánica, Fósforo, Potasio y Nitrógeno ocasionando la contaminación de las aguas subterráneas, especialmente durante la época de lluvias cuando estos elementos pueden alcanzar el sistema acuífero. El estiércol sólido y semilíquido contiene nutrientes de gran importancia para las plantas, como nitrógeno (N orgánico y N amónico), fosfato (P 2 O 5 ) y potasa (K 2 O). Su composición depende del tipo de animal de que se trate, de la alimentación, de las técnicas de almacenamiento y de manejo, del tiempo que esté almacenado y del clima. Otros valiosos elementos fertilizantes presentes en el estiércol son los micronutrientes (Ca, Mg, Na, Mn, Cu, Fe y Zn) (Scialabba, 1994). En el estado de Yucatán, estudios recientes indican que el agua subterránea se encuentra influenciada por las diferentes actividades llevadas acabo en la zona norte, centro y sur de dicho estado. En un estudio realizado (Cabrera y Pacheco, 1995) se monitorearon 41 pozos someros en una región rural situada al norte de la ciudad de Mérida, durante un ciclo anual. Los resultados mostraron que las variaciones en la calidad del agua, se relacionan con el régimen pluviométrico. Asimismo, se concluyó que el flujo de agua subterránea se efectuó de manera preferencial a través de conductos de disolución; otro estudio, realizado en un área agrícola al sur del estado, mostró que las concentraciones de nitratos y sulfatos excedieron los límites máximos permisibles (22.15 y 250 mg/l, respectivamente) establecidos por las Normas Mexicanas (Pacheco y Cabrera, 1996). El presente trabajo trata principalmente del comportamiento fisicoquímico del agua subterránea, en un campo experimental hortícola en donde, debido al escaso suelo vegetal, se usaron excretas de cerdo como abono para el apoyo nutricional de los productos hortícolas.

3 METODOLOGÍA Descripción del área de estudio El estudio se llevó a cabo en el campo experimental del Instituto Tecnológico Agropecuario No. 2, perteneciente al municipio de Conkal ubicado en la región centronorte del estado, adyacente al municipio de Mérida (Figura 1). CONKAL Figura 1 Localización del municipio de Conkal El clima del estado de Yucatán, se describe como sub-húmedo con lluvias de verano, estación seca y larga en invierno y por lo común, se registra una temperatura media anual de 26 ºC; la precipitación pluvial anual varía de 500 mm en su parte norte, hasta 1200 mm en su parte sur. En el área no existe escurrimiento superficial debido a la alta permeabilidad (coeficiente de escurrimiento de 0 a 5 %) la cual propicia la infiltración y absorbe, en su mayoría, el agua de lluvia con excepción de pequeñas depresiones impermeables llamadas aguadas, donde se acumulan. La humedad relativa es del 74 % y la estación de lluvia se inicia en mayo y termina en octubre ( INEGI, 1995).

4 El campo experimental tiene una unidad porcina, un área hortícola y un área reservada a la cría de ganado bovino. El monitoreo de pozos para evaluar la calidad de agua, se llevó a cabo en 9 pozos someros existentes en el área hortícola que cubre una superficie aproximada de 6 ha, con una distancia de 100 metros entre cada pozo. También se consideraron como pozos de observación, tres pozos somero ubicados aproximadamente a 300 metros, uno ubicado al Norte en la zona hortícola y 2 fuera de las instalaciones de la granja, uno ubicado al Oeste dentro de una granja privada y el otro al Este de dichas instalaciones, el cual es considerado como pozo público (Figura 2). Figura 2. Diagrama del área de pozos

5 Muestreos y análisis En total, se realizaron cuatro muestreos durante los meses de enero, mayo y septiembre de 1997, y el cuarto en el mes de febrero de 1998; correspondiendo a las temporadas de transición, estiaje, lluvia del 97 y transición del 98 respectivamente. En el campo, las muestras se obtuvieron por medio de las bombas de cada pozo, considerando un tiempo de 5 minutos de espera para drenar el agua de las mangueras; y con una cubeta de plástico en los pozos que no tuvieron bombas de succión. El volumen de muestra fue el siguiente: 1 lt colectado en envases de polietileno para análisis de parámetros físico-químicos y 100 ml de muestra en un matraz volumétrico de cristal para análisis de fosfatos. Las muestras de agua se almacenaron a baja temperatura hasta el momento del análisis químico. La temperatura, ph, conductividad eléctrica y oxígeno disuelto fueron obtenidos in situ, la temperatura, fue medida por medio del sensor del potenciométro y del oxigenómetro; el ph, fue medido usando un potenciómetro marca Cole Palmer, modelo Digisence, calibrado previamente usando dos soluciones buffer de ph 4 y 7; la conductividad eléctrica, fue medida con un conductímetro marca Cole Palmer, modelo calibrado previamente con una solución 0.01 M de KCl; el oxígeno disuelto, fue medido con un Oxigenómetro YSI, modelo 57, calibrado previamente con una solución de sulfito de sodio para una concentración de cero de OD y una concentración de saturación de oxígeno en función de la temperatura. En el laboratorio se determinaron: Nitrógeno de Nitratos (N-NO 3 ), por el método de la Brucina o de luz ultravioleta en función de la disponibilidad en el laboratorio; Fosfatos (PO 4 = ), por el método del ácido vanadiomolibdato fosfórico; Sulfato (SO 4 = ) por el método turbidimétrico; Calcio (Ca++), Magnesio (Mg), y iones Bicarbonato (HCO 3 - ) por titulación con ácido sulfúrico por el método del EDTA; Cloruro (Cl - ), por el método de Mhor y Sodio (Na+), Potasio (K), por el método de absorción atómica. Las técnicas de análisis fueron las recomendadas en el Standard Methods for Examination of Water and Wastwater (APHA, AWWA, WEF, 1992). Parámetros determinados en situ. RESULTADOS Y DISCUSIONES La temperatura es el potencial calorífico referido a un cierto origen. Las aguas subterráneas tienen una temperatura poco variable y responden a la media anual de las temperaturas atmosféricas del lugar. La temperatura del agua en la región varió de 23.5 a 28.8 ºC (Tabla 1), y su comportamiento está relacionado a las influencias climáticas, ya que son aguas expuestas a las condiciones atmosféricas. El ph que se define como ph = -log [H + ], crece 8 % al crecer la temperatura y por tanto hay que darlo referido a una cierta temperatura. Según Schoeller (1962), para el agua pura a 25 ºC el ph = 7 y a 18 ºC el ph = Al parecer los valores registrados de ph

6 se mantienen por arriba de la media cuando no son usados, tal es el resultado de los pozos No. 7,8,9 y 11 y no así los pozos 1,2,3,5,10 y 12 que fueron usados para riego con mayor frecuencia en todo el estudio. La conductividad es la capacidad de un agua para conducir electricidad y crece con la temperatura (2% por ºC), por lo que es preciso tomar una temperatura de referencia, que suele ser 18 ºC o 25 ºC. En la zona de estudio, no existió una variación estacional y los rangos oscilaron de 351 µmhos a 1257 µmhos, en las cuatro épocas (Tabla 1). Para el pozo No. 8, se reportó el valor más bajo con 351 µmhos. El pozo con valor más alto fue el No.12 para las 4 épocas. El valor promedio fue de 829 µmhos (Tabla 1) y se observaron los siguientes comportamientos: Por debajo del promedio los pozos No. (4, 7, 8 y 9) y por arriba los pozos no. (1, 2, 3, 5, 6, 10, 11 y 12). En general se puede decir que los pozos con mayor frecuencia de uso tuvieron los valores mas altos que aquellos no fueron usados. La presencia de Oxígeno Disuelto en agua, produce un medio oxidante y juega un papel de gran importancia en la solubilización o insolubilización de iones que cambian con facilidad de valencia así como con la actividad de los microorganismos. Su ausencia produce un medio llamado anaerobio. Se consume con facilidad si existen sustancias oxidables, tales como Materia Orgánica, Fe ++, NH 4 +, NO 2 -, etc., en especial por acción biológica. La concentración a saturación del oxígeno en el agua en contacto con el aire es en el orden de 10 ppm. El agua puede estar incluso sobresaturada en oxígeno, pero en el terreno el oxígeno se consume y su renovación es difícil o imposible. La mayoría de aguas subterráneas tienen entre 0 y 5 ppm, frecuentemente por debajo de 2 ppm. El mayor problema que representa el oxígeno disuelto en el empleo del agua es que produce corrosividad. Su ausencia puede ser origen de malos gustos (fermentación anaerobia). Para la región de estudio, existió variación estacional entre todas las épocas del estudio. El mínimo correspondió a 0.20 ppm (pozo No. 7) y el máximo de 5.20 ppm (pozo No.8) (Tabla 1). Ambos pozos no se usaron para el riego de hortalizas en el período de estudio y en especial el No. 7 que en ocasiones presentó malezas alrededor del mismo, no así el No. 8 que se mantuvo despejado de estas. Parámetros Químicos. El ion fosfato, aunque está presente en sales solubles, la mayoría en bajas concentraciones y en general precipita como Ca 3 (PO 4 ) 2, se hidroliza con facilidad y contribuye a la alcalinidad del agua. La presencia de Calcio limita su contenido y el dióxido de carbono disuelto, lo favorece. No existió variación estacional, en la época de transición del 97 los valores estuvieron entre 0 valor mínimo, (Tabla 1) y 0.05 ppm, con excepción del pozo No. 6 con 1.62 ppm. Para la época de estiaje los valores dieron cero a excepción de los pozos No. 6 y 7 con valores de 1.05 y 0.84 respectivamente. En la época de lluvia en la mayoría de los pozos dieron valores de cero, mientras que en los pozos No. 4 y No. 6 la concentración fue de 0.76 y 14.19, valor máximo (Tabla 1) respectivamente. Por último en la época de transición del 98 la variación en la concentración de los pozos es de entre 0.67 y 1.10 ppm, con excepción del pozo No. 12 el cual dio cero.

7 En la concentración del ion sulfato, no se observó variación estacional en las cuatro épocas, el valor mínimo correspondió al pozo No. 7 con 2.00 ppm. y el máximo para el pozo No.6 con ppm (Tabla 1). Los pozos que se encontraron por debajo del valor medio fueron el No. (4,8 Y 9); por arriba se encontraron los pozos No. (1,2,5,6,10,11 y 12) y variaron los pozos No. (3 y 7). Los pozos que mostraron mayor concentración fueron los pozos que se usaron para el riego agrícola, así como, los considerados de observación en el período de estudio. Respecto a los iones Ca ++, Mg ++ y HCO 3 -, las concentraciones obtenidas en el período de estudio, son características propias de aguas subterráneas en ambientes kársticos (Tabla 1). La variación del ion Sodio (Tabla 1), estuvo asociado al ion cloruro, por lo que la variación en su comportamiento es debida probablemente a la concentración del agua de lluvia, al abono aplicado y al tipo de riego utilizado. La mayor parte de las concentraciones de potasio se encontraron dentro de lo normal con valores en la mayoría de los pozos con valores menores a 10 mg/l; en el caso del pozo No. 6 que tuvo la concentración mas alta (59.27 mg/l) en la época de lluvia 97, se debió probablemente al efecto de la aplicación del abono y al aporte de agua de lluvia, que favorece la infiltración. Tabla 1. Resumen estadístico de los análisis fisicoquímicos Media STD Mínimo Valor Máximo valor Temperatura PH Cond. Elect Oxi. Disuelto Ca Mg Na K HCO = SO Cl PO Familia de aguas. El diagrama de Palmer-Piper, permite representar a un mismo tiempo varias muestras y por consiguiente facilita la comparación de sus calidades químicas basadas en los iones predominantes. Por lo tanto, aguas del mismo tipo aparecerán en el diagrama formando agrupamientos de puntos.

8 Para elaborar este diagrama se utilizaron los valores de los diferentes iones obtenidos para cada uno de los 12 pozos de las épocas en estudio. Así en la época de transición 97 Fig.1 (a), se observó que 6 pozos correspondieron a la familia Cálcica-Bicarbonatada y 3 pozos a la familia Mixta-Bicarbonatada; para la época de estiaje Fig. 3 (b), predominó la familia Cálcica-Bicarbonatada y sólo un pozo correspondió a la familia Mixta-Carbonatada; en la época de lluvias Fig. 3 (c), 8 pozos correspondieron a la familia Cálcico-Carbonatada y 3 a la Mixta-Bicarbonatada; y en la época de transición 98 Fig.1 (d), 9 pozos correspondieron a la familia Cálcico-Carbonatada y los 3 restantes a la familia Mixta-Carbonatada, porque el ion bicarbonato es el que se encuentra en un 50 % o más del total de los aniones (Fig. 3). Calidad de agua para riego. Para determinar si el agua de la región es adecuada para riego, que es el uso más importante de los pozos, se utilizó el diagrama de Wilcox. Este se basa en la relación de la conductividad eléctrica expresada en micromohos por centímetro a 25 ºC, y de la concentración relativa del sodio con respecto al calcio y magnesio denominado índice (RAS) o relación de adsorción de sodio; esta relación se expresa por medio de la siguiente ecuación: Na + RAS= (Ca ++ +Mg ++ ) / 2 donde el sodio, el calcio y el magnesio se expresa en miliequivalentes por litro. Para obtener los valores de la relación de adsorción de sodio se utilizaron los valores de los diferentes iones (en miliequivalentes por litro) de cada uno de los 12 pozos de las épocas en estudio. Los valores de la conductividad eléctrica (a 25 ºC) para cada uno de los 11 pozos durante las épocas en estudio, así como los valores obtenidos de la relación de adsorción de sodio fueron graficados, obteniéndose la clase de agua para riego; la cual está definida por los parámetros C, S y subíndices en cada uno de ellos. Los pozos No. 4,7,8 y 9 corresponden al tipo C 2 S 1, agua con una salinidad media y baja en sodio (Fig. 4), para todas las épocas en estudio, a excepción del pozo No. 4 que durante las épocas de transición del 98 correspondió al tipo C 3 S 1 en donde se situaron los pozos restantes para todas las épocas en estudio. El tipo C 3 S 1 corresponde a un agua altamente salina y no debe usarse en suelos con drenaje deficientes; aún con drenaje adecuado se requiere un manejo especial para el control de la salinidad, además se deben seleccionar plantas que sean bastantes tolerables a las sales.

9 (a) Epoca de transición 97 (b) Epoca de estiaje 97 ( c) Epoca de Lluvia 97 (d) Epoca de transición 98 Figura 3. Diagrama Palmer-Piper de Familias de aguas en la región de estudio El tipo C 3 S 1 corresponde a un agua altamente salina y no debe usarse en suelos con drenaje deficientes; aún con drenaje adecuado se requiere un manejo especial para el control de la salinidad, además se deben seleccionar plantas que sean bastantes tolerables a las sales. Con respecto al sodio, éste se encuentra en poca cantidad y puede usarse para riego en casi todos los suelos, con poco peligro de que el sodio intercambiable llegue a niveles perjudiciales; sin embargo, las plantas sensibles al sodio como algunos frutales (fruto con hueso), pueden acumular concentraciones dañinas de sodio.

10 Figura 4. Diagrama de Wilcox en la época de transición de 1998 CONCLUSIONES Las variaciones de los iones Ca ++, Mg ++, Na +, y Cl -, se presentaron entre los pozos para una misma estación de muestreo, mientras que entre las estaciones no se nota este patrón de comportamiento. Las concentraciones en el acuífero se encontraron dentro de los valores considerados como normales para aguas subterráneas en ambientes krásticos. En el caso del Mg, K +, Cl - y NO = 3, a pesar de que las concentraciones obtenidas fluctuaron con valores aceptables, para uso agrícola, su presencia indica que existe un aporte debido a la actividad desarrollada en la zona de estudio, ya que las excretas contienen estos iones en su composición nutricional y lo que las plantas no consumen es lixiviado hacia el nivel freático con el tipo de riego, la precipitación pluvial y ferti-irrigación practicada. La calidad del agua para riego en la región de estudio se encuentra con un alto peligro de salinización para los pozos (1, 2, 3, 5, 6, 10, 11 y 12) y con un peligro de salinización

11 media para los pozos (4, 7, 8 y 9) en todas las épocas. Se pudo observar en los diagramas de Wilcox, que el paso de una época a otra, implica un peligro de salinización del agua; esto indica, que existe un incremento en la contaminación de la calidad del agua para riego que puede relacionarse con la fertilización y el tipo y frecuencia de irrigación. RECOMENDACIÓN Se recomienda un estudio sobre las características físicas y químicas del suelo para determinar en forma precisa, la cantidad de nutrientes que aborbe y determinar las necesidades de requerimiento nutricionales de las plantas para proveer en forma optima la cantidad requerida y así evitar en lo posible la infiltración de los excedentes que no son aprovechados en la relación suelo- planta. AGRADECIMIENTO Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por el financiamiento otorgado al proyecto de investigación interinstitucional (ITA - FIUADY), "Manejo integrado de los desechos orgánicos de las granjas porcinas", Clave 2191P-B9507. Responsable: M en C. Roberto Sanginés García, Instituto Tecnológico Agropecuario No. 2 de Conkal, Yucatán, México. REFERENCIAS APHA, AWWA, WEF. (1992).Standard Methodos for the Examination of Water and Wastewater, Greenberg, A. E., L. S. Clesven and A. D. Eaton Washington, U. S. A. ASAE (American Society of Agricultural Engineers). (1988). Citado por Scialabba, N Buckman, H. O., Brady, N. C. (1966). Citado por Alonzo, S. J., utilización del método de composteo para el tratamiento de desechos porcinos en el estado de Yucatán. Tesis de maestría, Universidad Autónoma de Yucatán, Yucatán, México. Cabrera, S. A. y Pacheco, A. J. (1995). Variación de la calidad del agua en terrenos karsticos. Boletín académico. Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán. No. 27, abril., pp INEGI. (1994). Gobierno del estado de Yucatán, Anuario Estadístico. INEGI. (1995). Mapa Hidrogeológico de la Península de Yucatán, Secretaría de Programación y Presupuesto, Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática.

12 Pacheco, A. J., Cabrera, S. A. (1996). Efecto del uso de fertilizantes en la calidad del agua subterránea en el estado de Yucatán. Ingeniería Hidraúlica en México. Vol. XI, No. 1, enero-abril., pp Scialabba, N. (1994). Los residuos del ganado y el medio ambiente. Oficina para el Medio Ambiente, Servicio del Medio Ambiente y Recursos Naturales, Dirección de investigación, Extensión y Capacitación, Departamento de Desarrollo Sostenible. Septiembre 19-22, 25 p.