Ciclo de Seminarios 2003 Laboratorio de Agronomía Y Medio Ambiente

Transcripción

1 Ciclo de Seminarios 2003 Laboratorio de Agronomía Y Medio Ambiente Control de la salinidad en agricultura: biodrenaje bioconcentracion biorecuperacion Ramón Aragüés Febrero 2003 Departamento de Agricultura

2 Biodrenaje drenaje del suelo inducido por la evapotranspiración de las plantas Referencias de interés: 1. Número especial de Agricultural Water Management (1999, volumen 39) 2. Número especial de Agricultural Water Management (2002, volumen 53) 3. Iptrid (2002). Biodrainage: principles, experiences and applications. Knowledge synthesis report nº 6, 79 pp.)

3 La causa principal de salinización de los suelos en la agricultura de regadío es la aplicación excesiva de agua de riego en suelos con drenaje limitado. Esta situación conduce a la creación de capas freáticas superficiales que: (1) impiden o limitan el lavado de las sales del suelo (2) inducen el ascenso capilar de agua y sales y subsiguiente evapo-concentración RIEGO RIEGO EVAPOCONCENTRACIÓN Horizonte impermeable Horizonte impermeable salinización Horizonte impermeable Profundidad crítica m (depende de la textura)

4 Esta situación puede producirse asímismo en el secano, y en particular en las áreas de descarga que reciben flujos subterráneos de las áreas de recarga. Así, el cambio en las áreas de recarga de un sistema de vegetación nativa por un sistema de rotación barbecho cultivo aumenta la recarga del acuífero y los flujos laterales subterráneos rezumes salinos en las áreas de descarga VEGETACION NATIVA ROTACIÓN BARBECHO-CULTIVO ET > ET RECARGA SUBTERRANEA < RECARGA SUBTERRANEA AREA DE RECARGA nivel freático actual Evapoconcentración nivel freático original salinización xxxxxxxxxxxx AREA DE DESCARGA

5 PROFUNDIDAD CRÍTICA DEL NIVEL FREÁTICO Tasa máxima de ascenso de agua en un suelo arcilloso y en uno franco arenoso en función de la profundidad del freático (Hoffman&Kruse, Cap. 12 en ASCE nº 71) PROFUNDIDAD DEL FREÁTICO (m) FLUJO ASCENDENTE MÁXIMO DE AGUA (mm/día) arcilloso Franco-arenoso

6 CONCLUSIÓN la prevención de la salinización debida al mecanismo de evapo-concentración exige bajar el nivel del agua subterránea ( freático ) hasta una profundidad para la que el ascenso capilar de agua (y sales) sea irrelevante. CÓMO? 1. Drenaje horizontal/vertical 2. Biodrenaje

7 Drenaje horizontal y vertical A- Drenaje horizontal - Zanjas de drenaje o tuberías perforadas de plástico. - El agua se evacúa por gravedad. - Necesita una cota apropiada del terreno. B- Drenaje vertical - Pozos de bombeo. - El agua se evacúa en contra de la gravedad. - No necesita una cota apropiada, pero consume energía.

8 Drenaje horizontal Finca experimental de Alera (Bardenas)

9 Drenaje vertical PAKISTAN Pozo de bombeo para bajar el nivel del agua subterránea en áreas con problemas de drenaje y encharcamiento de suelos Salida del pozo de bombeo al colector de drenaje

10 Drenaje biológico Implantación de árboles de raíces profundas y elevada ET que bombean el agua del freático, bajando su nivel. La ET provoca la evapoconcentración en la zona de raíces, lo que puede producir la salinización de la solución del suelo y el consiguiente descenso de la ET... Esto es, el drenaje biológico puede ser insostenible a medio/largo plazo si las aguas subterráneas son salinas... Configuraciones drenaje biológico Antes Después Depresión del terreno encharcada Canal Antes Después Antes Después Filtraciones de canales Drenaje paralelo del terreno

11 Suelo salino en India (zona del Punjab prácticamente llana y sin salida de drenaje). La planicie Indostánica tiene una pendiente media del terreno de 20 cm por km (0.02%) Solo es posible el drenaje vertical (bombeo coste de energía) o el biodrenaje biodrenaje biodrenaje

12 Escenarios de plantaciones de árboles en secano (IPTRID, 2002) (a)plantación en el área de recarga: efecto más beneficioso. (b)plantación en el área de cambio de pendiente: efecto relativamente beneficioso. (c)plantación en el área de descarga: efecto muy local, poco beneficioso. Sin árboles (a) (b) (c) Con árboles Freático Flujo subterran.

13 Conclusiones acerca del bio-drenaje (Iptrid, 2002) 1. El concepto del multiuso de los árboles como vía del drenaje del agua subterránea, mejorador de la biodiversidad, y cultivo productivo está hoy aceptado. 2. El biodrenaje reduce de forma importante los problemas de encharcamiento, tanto en regadío como en secano. 3. En los casos de salinización del suelo debida a freáticos superficiales y consiguiente evapo-concentración, el biodrenaje puede reducir/retrasar dicha salinización. 4. Aspectos positivos: (a) paisaje más natural, (b) desarrollo rural integrado, (c) beneficio económico (madera, frutos, fibras, materia orgánica ), (d) provee sombra, vallado, corta-vientos 5. Aspectos negativos: (a) precisa dedicar parte de las tierras agrícolas al biodrenaje, (b) no es efectivo para eliminar sales, (c) no es sostenible si la salinidad del freático es elevada, (d) no admite el drenaje controlado. 6. La combinación del biodrenaje y el drenaje convencional es una estrategia muy recomendable.

14 Biodrenaje vs. drenaje convencional El biodrenaje o bombeo biológico de las aguas de drenaje realiza de forma conjunta las cuatro funciones necesarias del drenaje convencional: 1. Inducción del flujo de agua en el suelo hacia el sistema de drenaje. 2. Transporte del agua de drenaje a los colectores de drenaje. 3. Bombeo y elevación del agua de drenaje a valores más elevados del sistema de evacuación o transporte por gravedad hacia las zonas de descarga. 4. Descarga final del agua de drenaje a los ríos o embalses de evaporación.

15 Comparación de métodos de drenaje (IPTRID, 2002) Parámetro Drenaje horizontal Drenaje vertical Biodrenaje Coste Medio Medio Bajo (considerando los retornos economicos) Eficiencia - Bien verificado - Necesita cota - Bien verificado - No necesita cota - Relat. poco verificado - No necesita cota Ventajas e inconvenientes - Recupera las áreas encharcadas - Controla el nivel del freático - Controla la salinidad del suelo - Precisa de embalses de evaporación (o vierte a los ríos ) - Recupera las áreas encharcadas - Controla el nivel del freático - Controla la salinidad del suelo - El agua bombeada puede reutilizarse para el riego - Precisa de embalses.. - Recupera las áreas encharcadas - Controla el nivel del freático - Actúa como cortavientos, proporciona madera, frutos - Ocupa tierra agrícola - Control limitado de la salinidad del suelo Operación y Mantenimiento - Periódico (tubos, zanjas ) - Eliminación de sales en los embalses evap. - Periódico (tubos, bombas, filtros ) - Consume energía para el bombeo - Cuidado de los árboles o plantas - Control de plagas y enfermedades Necesidades de tierra y agua Nulas en drenes enterrados, bajas en zanjas de drenaje, medias /altas en embalses evap Muy bajas (solo las áreas de instalación de los pozos de bombeo) - Medias/altas ( 10% del área regada) - Necesita agua para establecer las plantas Impacto ambiental externo Negativo, tanto si se vierte al río como si se almacena en embalses Negativo, salvo reutilización en la finca Nulo; pero el control en el balance de sales puede exigir vertidos

16 Bioconcentración reducción del volumen de agua y masa de sales en los flujos de retorno del riego a través de la evapoconcentración inducida por la evapotranspiración de las plantas Referencias de interés: 1. Iptrid (2002). Biodrainage: principles, experiences and applications. Knowledge synthesis report nº 6, 79 pp.)

17 Componentes de los flujos de retorno del riego: esquema idealizado que muestra la detracción de agua para el riego y los tres componentes de los retornos del riego al colector de drenaje y al río. Los flujos de percolación profunda hacia las aguas subterráneas no se muestran en este esquema. River Río Canal Main principal Canal Lateral 1 2 bottom Final zona of root de zone raíces water freático table buried dren enterrado drain 3 Colector Drainagede outlet drenaje 1 Pérdidas Bypass or operacionales overflow 2 Escorr. Surface sup. runoff (aguas or tailwater cola) 3 Drenaje Subsurface subsuperficial drainage Flujos Irrigation de retorno Return del Flows riego al to río river channel

18 Parámetros de calidad de los tres componentes de los flujos de retorno del riego y cambios de calidad esperables en relación con la calidad del agua de riego. Parámetros de calidad Degradación general de calidad Salinidad Nitrogeno Fósforo Demanda biológica de oxígeno Sedimentos Residuos de pesticidas Elementos traza Organismos patógenos Componentes de los flujos de retorno del riego Pérdidas operac , + 0 0, +, Aguas de cola + 0, + 0, +, , , + 0, + Drenaje subsup , + 0, -, + 0, -, , -, + 0, -, + -, -- 0: Degradación de calidad despreciable +, -: Degradación de calidad (+) (disolución), mejora de calidad (-) (precipitación) ++: Degradación elevada de calidad (concentración, aplicación de agroquímicos, erosión del suelo, disolución de minerales, etc.) --: Mejora elevada de calidad (filtración, fijación, degradación microbiana, etc.)

19 Cómo reducir los flujos de retorno del riego y los impactos externos de la agricultura de regadío? (adaptado de Aragüés, Tanji, World Water Enciclopedia, Marcel Dekker Inc.) SUBSISTEMA DISTRIBUCIÓN Revestimiento de embalses, canales y acequias. Instalación de medidores de caudal. Construcción de embalses de regulación interna. Establecimiento de estructuras institucionales eficientes y de programas de mantenimiento. SUBSISTEMA FINCA Mejorar las prácticas culturales. Adoptar prácticas con menor impacto ambiental. Incrementar la eficiencia y uniformidad del riego. Minimizar la fracción de lavado de acuerdo con las necesidades de lavado de los cultivos. Proporcionar servicios técnicos y adiestramiento a los agricultores; eliminar las restricciones institucionales.

20 SUBSISTEMA DESAGÜE Restringir la evacuación de los FRR para cumplir con los objetivos de calidad en las aguas receptoras de los mismos. Reutilizar para el riego las aguas de drenaje y las aguas residuales; manejo integrado del drenaje a nivel finca. Diseño y manejo del drenaje. Bombeo y evacuación de las aguas subterráneas para reducir su interceptación por el sistema de drenaje. Flujo de las aguas de drenaje a través de filtros verdes y humedales. Tratamientos físicos, químicos y biológicos de las aguas de drenaje: eliminación de partículas; adsorción; desalación; coagulación y floculación; precipitación química; intercambio iónico; oxidación; bio-filtración; plantas de tratamiento con algas-bacterias. Evacuación de las aguas de drenaje al océano, tierra adentro (embalses evaporación) y atmósfera. BIOCONCENTRACIÓN

21 Estrategias para la reducción de los flujos de retorno del riego: diagrama conceptual del concepto de concentración biológica en serie (IPTRID, Knowledge Synthesis Report nº 6, May 2002) Agua de riego Cultivos sensibles a salinidad Volumen de agua Masa de sales Cultivos tolerantes a salinidad Arboles tolerantes a salinidad Concentración salina del agua Halofitas PEQUEÑOS EMBALSES DE EVAPORACIÓN

22 (Manejo integrado del drenaje a nivel finca (valle central de California) (IPTRID, 2002) Ejemplo del uso combinado del biodrenaje y del drenaje convencional dentro de la finca para evitar la descarga de agua sales y selenio al río. La finca de 250 ha dispone de varios sistemas independientes de drenaje subsuperficial que descargan en varios pozos colectores: tres sistemas drenan tres parcelas de 63 ha con hortícolas, un sistema drena 52 ha de cultivos tolerantes a salinidad (alfalfa, algodón ), un sistema drena 5 ha con hierbas tolerantes a salinidad y el último sistema drena 2 ha de halofitas y 0.8 ha de un embalse de evaporación ( evaporador solar ). Las tres parcelas de hortícolas se riegan con agua del canal o pozo (baja salinidad), la parcela de alfalfa y algodón se riega con una mezcla de agua del canal y agua de drenaje procedente de las parcelas de hortícolas y el resto se riegan con las aguas de drenaje crecientemente salinas procedentes de las parcelas anteriores. Con este sistema de reutilización secuencial de las aguas de drenaje se consume el 90% del agua de drenaje, y el resto se evapora en el evaporador solar.

23 Los autores concluyen que el sistema es económicamente viable y que se produce la desalinización de las parcelas de hortícolas. Cultivos sensibles a salinidad Hortícolas (63 ha) Cultivos tolerantes a salinidad 52 ha Evaporador solar (0.8 ha) Halofitas (2 ha) Hierbas tolerantes a salinidad (5 ha) Cultivos sensibles a salinidad Hortícolas (63 ha) Hortícolas (63 ha) Árboles-barrera (interceptores) Pozo colector de las aguas de drenaje Riego

24 Biorecuperación recuperación de suelos sódicos inducida por la disolución de calcita provocada por las raíces de las plantas Referencias de interés: 1. Qadir et al. (2001). Amelioration strategies for sodic soils: a review. Land Degrad. Develop. 12: Qadir M, Oster J.D. (2002). Vegetative bioremediation of calcareous sodic soils: history, mechanisms, and evaluation. Irrig. Sci. 21: Qadir M., Qureshi R.H., Ahmad N. (2002). Amelioration of calcareous saline sodic soils through phytoremediation and chemical strategies. Soil Use and Manag. 18:

25 Bioremediación / Fitoremediación / Recuperación biológica / vegetativa Cultivo de ciertas plantas tolerantes a salinidad-sodicidad para la recuperación de suelos calcáreos sódicos o salino-sódicos sin aplicación de enmiendas químicas siempre que exista drenaje y lavado de sales. Mecanismos de la biorecuperación: 1. Efecto químico de las raíces: incremento de la presión parcial de CO 2 en la zona de raíces que aumenta la solubilidad de la calcita. 2. Efecto físico de las raíces: incremento de la estructura del suelo como resultado del crecimiento de las raíces.

26 Efecto químico de las raíces Incremento disolución calcita CO 2 Respiración + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3- + H + Disolución calcita Ca HCO 3 - Descomposición Materia orgánica Arcilla-Na + 2Na + + 2HCO 3- + Arcilla-Ca 2+ lavado Efecto físico de las raíces Mejora de la estructura del suelo por: (1) producción in-situ de polisacáridos. (2) eliminación del aire atrapado en los poros conductores del suelo. (3) secado diferencial en la interfase raíz-suelo. (4) creación de macroporos.

27 Tolerancia de los cultivos a la sodicidad

28 ph suelo en suspensión 1:2 IPTRID Knowledge Synthesis Report N 6, may 2002) Tolerancia de los árboles a la alcalinidad del suelo (IPTRID, 2002) Arboles para madera Arboles frutales

29 Ventajas y limitaciones de la biorecuperación frente a la recuperación química Ventajas 1. Necesidades económicas iniciales bajas. 2. Incremento de la estabilidad de los agregados y de la macroporosidad. 3. Mayor disponibilidad de nutrientes para las plantas. 4. Zona del suelo recuperada más extensa y uniforme. 5. Ingresos económicos provenientes de los cultivos utilizados en la recuperación. Limitaciones 1. Recuperación más lenta que la química. 2. Tolerancia limitada de los cultivos a elevadas salinidad y/o sodicidad. 3. Presencia apropiada de CaCO 3 esencial.