Desertificación de zonas agrícolas por degradación química en ambientes semi-áridosaplicación Campo de Cartagena (Murcia)

Resumen

El suelo está sometido a una mayor presión por actividades antrópicas día a día, lo cual conlleva a un sinnúmero de cambios de uso ligados a diferentes procesos de degradación, con lo que su capacidad total para realizar sus funciones se ve reducida. Sin embargo, su capacidad de amortiguación y su capacidad de absorber contaminantes hacen que el deterioro no sea a menudo perceptible hasta que se encuentre muy avanzado. Para que el suelo pueda desempeñar sus numerosas funciones, es necesario mantenerlo en buen estado. Sin embargo hay una serie de prácticas inadecuadas, que provocan una degradación del suelo con los consiguientes efectos perniciosos sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas del mismo: erosión, disminución del contenido en materia orgánica, pérdida de calidad y productividad de los cultivos, contaminación difusa y local, sellado, compactación del suelo, pérdida de biodiversidad y salinización, entre otros (COM 2002). De esta forma, cuando la degradación se da en zonas áridas, se denomina desertificación, que es definida en la Convención de las Naciones Unidas como: "degradación de las tierras de zonas áridas, semiáridas y subhúmedas secas resultante de diversos factores, tales como las variaciones climáticas y las actividades humanas". La desertificación a nivel mundial disminuye la productividad de los suelos, reduce la producción de alimentos e incluso repercute negativamente en otras áreas no afectadas directamente por ella, con consecuencias socioeconómicas de extrema gravedad, incluso puede llegar a desestabilizar a sociedades y originar movimientos migratorios (Martínez Sánchez et al, 2005). A escala mundial, cerca de 2000 millones de hectáreas de superficie acusan la degradación generada por las actividades humanas (ONU, 2000). Las necesidades de alimentos para poblaciones cada vez más numerosas están llevando a una intensificación de la agricultura todavía mayor, con lo que se ven reducidas las capacidades del suelo para liberar y absorber nutrientes y sustancias químicas. Con la expansión de las zonas construidas y de las infraestructuras, sobre todo en las grandes aglomeraciones urbanas, se están impermeabilizando suelos que antes tenían usos productivos. Cada año, otros 20 millones de hectáreas de suelo agrícola se degradan hasta tal punto que no sirven para cultivar o se pierden debido a la expansión urbana. Los suelos se están degradando física y químicamente debido a la erosión, el agotamiento (de nutrientes) y la contaminación (AEMA, 2000), ya que el suelo constituye uno de los medios receptores de la contaminación más sensibles y vulnerables. Por ello, en la Cumbre de la Tierra, celebrada en Río de Janeiro en 1992, se reconoció la importancia de la protección de los suelos y de sus usos potenciales en el contexto de un desarrollo sostenible, y quedó reflejada en reuniones posteriores. En 1994 en la Convención de Naciones Unidas de Lucha Contra la Desertificación se reconoció la relación entre desertificación, pobreza, seguridad alimentaria, pérdida de biodiversidad y cambio climático. En la Carta Europea de los Suelos (1972) también se expone la importancia que tiene este recurso limitado, el cual debe ser objeto de investigación científica y de colaboración interdisciplinaria para garantizar su utilización racional y su conservación. En el ámbito europeo se reconoce como un problema prioritario, que exige importantes esfuerzos y atención. En abril de 2002 se presentó el primer documento en el que la Comisión abordó de forma específica la protección del suelo (COM, 2002). En la estrategia propuesta por la Comisión se consideran, para el planteamiento de las medidas más inmediatas, los conocimientos actuales, aunque se propone la utilización de la vigilancia del suelo como base a la preparación de nuevas medidas en el futuro. En este sentido, se plantea la realización de un seguimiento de la evolución de los suelos mediante sistemas de vigilancia para completar la información disponible con una base científica y para diseñar actuaciones a largo plazo. El principal objetivo de los sistemas de vigilancia es proporcionar información sobre las variables que más influyen en las distintas funciones del suelo, como pueden ser entre otros, la biodiversidad, el contenido en nutrientes, el contenido en materia orgánica y la contaminación por metales pesados y sales solubles. La información que habitualmente se encuentra disponible, como los mapas edafológicos, tiene un carácter generalmente estático, basándose en la suposición de que los suelos y sus propiedades sólo cambian en períodos muy largos, por lo que no indican cambios ni tendencias. Este principio se cumple para suelos naturales, aunque se ha comprobado en numerosos estudios, que en suelos bajo influencia humana se puede dar una evolución de los procesos de degradación en períodos de tiempo ciertamente cortos (Vidal, 2002). La problemática de la degradación de los suelos tiene una relevancia especial en zonas áridas y semiáridas, cuando a los factores antrópicos se unen los períodos de sequía, el empleo de aguas de riego de mala calidad, con el consiguiente riesgo de contaminación, y los efectos del cambio climático. La salinización se considera, junto a la degradación de la cubierta vegetal y la erosión hídrica, como uno de los procesos de degradación primarios de desertificación (AEMA. 2002). Por ello es un factor que hay que tener en cuenta a la hora de evaluar la degradación química del suelo. En la Región de Murcia, a través del proyecto DESERTNET (Martínez Sánchez, et al, 2005), se han monitorizado diversas zonas para observar como se vienen produciendo los fenómenos de desertificación, mediante la propuesta de indicadores de degradación química. Por otra parte, el Ministerio de Medio Ambiente en el Mapa de desertificación provincial (MMA, 2006), realizado con criterios de degradación física fundamentalmente, clasifica la Región con un riesgo de desertificación entre alto y muy alto. Concretamente, casi la totalidad de la superficie del Campo de Cartagena está clasificada como de alto riesgo de desertificación con marcado déficit hídrico. Por ello, la evaluación espacio-temporal de los procesos de degradación en estas zonas semiáridas debido a causas antrópicas fundamentalmente es importante. El Campo de Cartagena es una zona con clara aptitud agrícola alcanzando a cubrir aproximadamente el 10% de la Región de Murcia (SE- España). Esta comarca es un área agraria de las más representativas y dedica alrededor del 85% de su superficie a las actividades agrícolas (CREM, 1998). El campo tiene una compleja estructura socio-económica dentro de la cual las actividades de tipo agrícola poseen un papel preponderante, representando del 50 al 60% sobre el resto de sectores. Alrededor del 85% de esta superficie corresponde a una planicie de ligera vergencia hacia el Mar Menor, zona árida con escasos recursos hídricos superficiales (utilizados íntegramente para el riego), su temperatura media anual es alrededor de 17.5 ºC y cuyas precipitaciones presentan una media de 300 mm y una evapotraspiración potencial de 900 mm anuales y un déficit hídrico alrededor de 600 mm/año (Sánchez Toribio et al., 1996), según el Soil Survey Staff (1999), un edafoclima caracterizado por un Régimen de humedad del suelo arídico (SMR) y Régimen de Temperatura de Suelo Térmico (STR). Una parte de este territorio tiene aportaciones de agua de riego por el Trasvase Tajo- Segura. Las actividades agrícolas del campo de Cartagena se remontan a cientos de años atrás. Las distintas civilizaciones establecidas aquí han subsistido gracias a la fertilidad de sus suelos. Sin duda, esta zona al igual que muchas otras de la cuenca mediterránea ha sido sometida a una nueva forma de agricultura, la intensiva., creando un escenario potencial hacia la disminución de la fertilidad natural de los suelos. El sistema administrativo, Plan Hidrológico del Segura (2005), clasifica el uso del suelo en relación con el agua de riego, en unidades de Demanda Agraria, UDAS. Teniendo en cuenta todo lo expuesto hasta ahora, el Campo de Cartagena es un laboratorio idóneo para el estudio de los procesos de desertificación, que no son muy importantes desde el punto de vista físico, dada la poca pendiente del terreno, pero que si que pueden resultar importantes desde el punto de vista de degradación química. Por ello el trabajo medular de esta investigación se centra en el estudio de la variabilidad de los diferentes procesos mediante la aplicación de los indicadores de desertificación que ya han sido definidos, así como la propuesta de incorporación de otros nuevos indicadores y su relación con los diferentes usos del suelo. Objetivos Los objetivos que han motivado la realización de este estudio, son los siguientes: Objetivo Principal: " Evaluación de la Desertificación vía degradación química del suelo en zonas agrícolas mediante aplicación de Indicadores y su validación en las zonas regables del Campo de Cartagena. Objetivos específicos: " Determinación de Zonas Críticas en base a Indicadores de Desertificación. " Relación entre las Zonas Críticas a la desertificación y los Usos del suelo. " Definición de nuevos indicadores de degradación química para el seguimiento de la desertificación. " Estudio de la variación temporal de salinización y alcalinización en un periodo de estudio comprendido entre 1993 y 2005. " Evaluación del estado actual de salinización y alcalinización de los distintos puntos de muestreo de la zona estudiada en base a los indicadores DESERTNET. " Estudio de la variación temporal del contenido en estos nutrientes en un período de estudio comprendido entre el año 1993 y 2005. " Puesta a punto de una metodología para la determinación de Boro en el suelo. " Determinar la distribución espacial de Boro en el Campo de Cartagena. " Evaluar el comportamiento cinético de adsorción-desorción de Boro en los suelos del Campo de Cartagena. " Determinación de la influencia antrópica en la posible contaminación química del suelo. Conclusiones Salinización Existen diferencias importantes en cuanto al estado de salinización en los años 1993 y 2003. La salinización disminuye o sufre un ligero aumento en las UDAS 58 y 59. En la UDA 57 es donde hay mayores diferencias. Junto al Mar Menor, el contenido en sales disminuye o aumenta muy poco. Sin embargo la parte central de la zona de estudio es donde tienen lugar los mayores aumentos. El indicador salinización ha resultado ser una herramienta útil para detectar las zonas afectadas por procesos de desertificación por degradación química del suelo. Las zonas críticas, con velocidad de salinización grave o muy grave, se encuentran en la UDA 57 en el término municipal de Torrepacheco. Alcalinización Los procesos de alcalinización alta y muy alta se dan en la UDA 57. En las UDAS 58 y 59 y en zonas no asignadas, las clases representadas corresponden a alcalinización ligera o moderada. Estado de Fertilidad del suelo en macronutrientes Los suelos del Campo de Cartagena tienen baja fertilidad en Fósforo. Los suelos más ricos en Fósforo asimilable se encuentran en la UDA 58 y los mas pobres en la Zona no Asignada y en la UDA 57. Los suelos estudiados presentan una fertilidad media-alta en Potasio, estando los valores más bajos en la UDA 57 y en la Zona no Asignada. Estado de Fertilidad en micronutrientes El estado de fertilidad en hierro asimilable es deficiente en su mayoría, medio en algunos puntos y no parecen puntos ricos en hierro. En cuanto al estado del manganeso mayoritariamente es deficiente o medio, suelos ricos aparecen en las UDAs 58 y 59. En cuanto al cobre presenta un estado medio-rico, esta reapartido mas regularmente. El cinc es el micro elemento que se presenta como suelos ricos-medios, siendo mayoritario en las UDAs 58 y 59. El B asimilable se presenta en estados medio-alto-muy alto. Los valores muy altos son más abundantes en la UDA 57, pero están muy repartidos. En cuanto al cadmio asimilable y al plomo asimilable su estado es bajo, en general, excepto en aquellos puntos con influencia minera que pueden ser medios e incluso altos. En función de los indicadores de desertificación se han podido identificar zonas criticas 1) afectadas por procesos de salinización y alcalinización, 2) afectadas por muy altos valores de B y 3) zonas con altos valores de plomo y cadmio asimilables que seria preciso investigar. Procesos Específicos de Degradación Química del Suelo Salinización La velocidad de salinización puede ser considerada como grave si se tiene en cuenta la extensión del periodo de evaluación, el cual es de diez años. En forma resumida a partir de los resultados del RAS medido en las muestras de la campaña 2003 se tiene que el 94% de los puntos de muestreo se hallan entre los estados Ligero y Moderado repartidos a partes iguales, los puntos de muestreo restantes se lo reparten los estados Alto y Muy Alto con un 4.8% y 1.2% respectivamente. Alcalinización El estado de alcalinización Ligero dentro del esquema de aplicación de los Indicadores bien puede asociarse con la Clase 1 definida en el proceso de cartografía superficial, lo cual indica que sólo el 6.9% de la superficie de la zona de estudio estaría afectada en forma ligera mientras que a partir de los indicadores éste porcentaje alcanza el 47%. No obstante, las clases restantes bien representan el estado de alcalinización Moderada y estarían ocupando el 93.1 % restante. Sales Solubles en los Extractos de SP Cationes Entre las especies iónicas analizadas el Na+ y Ca++ son los solutos con mayor presencia en los extractos de la pasta de saturación (SP). El extracto de pasta de saturación (SP) fue obtenido a partir de cada una de las ochenta y cinco (85) muestras de suelo colectadas en el área de estudio. El Na+ y el Ca++ son los cationes mayoritarios con las más altas concentraciones y se encuentran distribuidos ordinalmente de la siguiente manera: Na+ en cuarenta y ocho (48) de los puntos de muestreo y Ca++ en treinta y uno (31). El K+ y el Mg++ son cationes mayoritarios preponderantes en los puntos restantes, encontrándose distribuidos a partes iguales. Aniones Los NO3-, los SO4-- y los Cl- son los aniones con las mayores concentraciones en los extractos de la pasta de saturación (SP). El extracto de pasta de saturación (SP) fue obtenido en las ochenta y cinco (85) muestras de suelo colectadas en el área de estudio. Los NO3-, los SO4-- y los Cl-, están distribuidos aproximadamente a partes iguales. Los NO3- son los aniones de mayor concentración en treinta y uno (31) de las muestras colectadas. Los SO4-- son los aniones de mayor concentración en veintinueve (29) de las muestras correspondientes a los puntos de muestreo y en los veinticinco (25) puntos restantes, los Cl- son los de mayor concentración. Si bien es cierto los NO3- se suelen agrupar dentro de los componentes minoritarios, en este caso adquieren relevancia de anión mayoritario debido a las concentraciones medidas en cada una de las muestras. Los fluoruros aparecen en gran parte de las muestras por debajo de los límites de detección al igual que los PO4--. Sales Solubles en los Extractos 1:1 Cationes Entre éstas especies iónicas, el Na+ y Ca++ son los solutos con las mayores concentraciones en los extractos 1:1 (w suelo/v agua), datos obtenidos a partir de las ochenta y cinco (85) muestras de suelo colectadas en el área de estudio. Este es un comportamiento muy similar al mostrado en los extractos de pasta saturación (SP). El Na+ es el catión mayoritario que presenta las mayores concentraciones en cuarenta y uno (41) de los puntos de muestreo, siete menos que los que se presentaron en los extractos de pasta saturada (SP) y el Ca++ en cuarenta y tres (43) de ellos. El Ca++ incrementa su porcentaje de participación como catión dominante en relación a su presencia en los extractos de saturación (SP). El K+ es catión mayoritario dominante en solo uno de los puntos de muestreo y el Mg++ no aparece como dominante en ninguno de ellos. Tomando como referencia esta separación geoquímica de las muestras, a partir de su dominio en los extractos 1:1 (w suelo/v agua) y con el propósito de complementar su descripción, en adelante se denominarán así: subgrupo del sodio (Na+), subgrupo del Calcio (Ca++) y subgrupo del Potasio (K+). Todas estas agrupaciones han sido establecidas en concentraciones mM/L. Aniones Los Cl-, los NO3- y los SO4-2 son los aniones con mayor presencia en los extractos 1:1 (w suelo/v agua) obtenidos de las ochenta y cinco (85) muestras de suelo. El primero es el anión mayoritario en cuarenta y uno (39) de los puntos de muestreo, el segundo en veintiséis (28) de ellos y el último en los dieciocho (18) puntos restantes, con lo cual se convierte en el soluto aniónico dominante. Los Br- y el B conforman los elementos minoritarios. Elementos Minoritarios Los datos de Br y B son valores estratégicos en el desarrollo de una panorámica de la contaminación del suelo debida a estos dos elementos dentro de la zona de estudio. Sus concentraciones son mucho mas elevadas de las habituales para suelos agrícolas. Los datos y su análisis sugieren que la distribución y las concentraciones observadas tanto para el Br- como el B en el Campo de Cartagena posiblemente estén asociadas una fuente de salinización por aguas de riego o enmendantes orgánicos. Interrelaciones Iónicas y Posibles Fuentes de las Sales A partir del análisis de los diferentes indicadores utilizados y el tratamiento estadístico de los datos para caracterizar las posibles fuentes de salinización de los suelos del Campo de Cartagena se pueden resumir las siguientes conclusiones: En primer lugar aparece una fuente geogénica, ya que los materiales primarios son depósitos de margas que presentan en forma natural Ca+2, Mg+2, Na+ y SO4 y Cl. Este rasgo está caracterizado por los valores de la ratio Mg/Ca muy típicos para reacciones de materiales calcáreos con el agua. Estos suelos están dedicados a la actividad agrícola con un riego mínimo y localizado, lo cual asociado al carácter climático de la zona de estudio potencia el proceso de salinización gravemente, ya que facilita la concentración de sales en superficie en periodos secos; sales que serán lavadas durantes los periodos húmedos, con el agravante de que pueden alcanzar niveles mucho más profundo dentro de la columna, o bien ser movilizadas por aguas de escorrentía hasta las zonas topográficamente más bajas.. En segundo lugar se tiene una fuente salina adicional que bien podría estar asociada a algunas aguas de riego, o enmendantes de origen orgánico, lo que estaría aportando Na+, Cl-, Br- y B. Y en tercer lugar se presentan sectores con unas concentraciones anómalamente altas de NO3- y K+, los cuales estarían siendo aportados por fertilizantes o enmendantes de carácter inorgánico. Selección y adaptación de los métodos de extracción y determinación de B en los suelos del Campo de Cartagena -obtención de datos base de boro asimilable en los suelos del Campo de Cartagena - La utilización del método de extracción de B mediante Agua Fría y agitación por 23 horas con la subsiguiente determinación espectrofotometríca mediante el método de la Azomethina ofrece una alternativa viable al tradicional método del agua caliente en el proceso de determinación de B en los suelos del campo de Cartagena. Cabe destacar que el sistema de filtrado a través de resinas de intercambio catiónico con detección espectrofotométrica, usando la Azometina-H, desarrollado en el presente trabajo es económico, de fácil manejo y libre de interferencias. Los cationes de las sales son eliminados de la solución, con lo que se logra un incremento de la sensibilidad en relación con otras metodologías espectrofotometrícas, lo que además lo hace exacto y preciso con sensibilidades adecuadas para su aplicación a las determinaciones de Boro en muestras de suelos con elevadas concentraciones de sales con resultados altamente fiables. Adicionalmente, el método permite la determinación de Boro con una intensidad de lectura aproximada de 25 muestras/hora. Los métodos de extracción alternativos para el tradicional del agua caliente muestran resultados con un buen grado de correlación con el tradicional método del agua caliente, por su simplicidad se selecciono trabajar con el método del agua Mili Q fría y desboronizada para la rutina de determinación de B de las muestras individuales del Campo de Cartagena. Estudio adsorción/desorcion de boro en los suelos del Campo de Cartagena Adsorción Las muestras de suelo del Campo de Cartagena son mejor descritas en el orden dado: el 69% según el modelo de Langmuir-Freundlich, el 25% según el modelo de Langmuir y el 6% según el modelo de Langmuir Doble Capa (two surface). El modelo de Freundlich es que peores resultados ofrece para al descripción del proceso de adsorción de B en los suelos de la zona de estudio. Todas las isotermas son cóncavas hacia el eje de abscisas, por lo que se puede indicar que la adsorción de B por los suelos es favorable. Las isotermas ascienden con gran pendiente para valores bajos de Ce y qe, lo que indica que inicialmente existen numerosos centros activos disponibles para unirse a los iones metálicos. Al aumentar Ce, la pendiente de la curva va disminuyendo hasta formar prácticamente una meseta, lo que refleja la saturación del adsorbente. Los modelos linearizados de de Langmuir y Freundlich ofrecen una buena representación grafica de los datos, siendo el modelo de Langmuir el que mejor los representa, sus coeficientes de correlación son buenos. Del ajuste al modelo de Freundlich se tienen valores de n comprendidos entre 1 y 10 en todos los casos, lo que indica que el B se adsorbe favorablemente por suelos adsorbentes objeto de estudio (Mckay et al., 1982; Nassar et al., 1995). El modelo de Langmuir-Freundlich es el que mejor ajusta, en la mayoría de los casos, las isotermas de adsorción. Este modelo equivale al modelo de Freundlich a bajas concentraciones del B en disolución, lo que indica que el proceso de adsorción se está llevando a cabo por mecanismos puramente físicos y no existe un cambio en la configuración de las moléculas una vez que son adsorbidas. Para altas concentraciones de B en disolución, la ecuación del modelo de Sips (Langmuir-Freundlich) se aproxima al modelo de Langmuir. En este caso, se puede indicar que son los grupos activos los que participan en la adsorción, lo cual indicaría que el proceso de adsorción del B está controlado por una combinación de los dos mecanismos, adecuadamente representados por el modelo de Langmuir-Freundlich. Relaciones entre los Parámetros de Adsorción de Boro y las Propiedades de los suelos Los resultados obtenidos revelan algunas relaciones entre las propiedades físico químicas de los suelos y el B extraíble y los diferentes parámetros cinéticos (ej.: Smaxs) determinados. Igualmente la presencia de las diferentes especies iónicas indican algún grado de dependencia. Se ha observado que el carbono orgánico tiene seria influencia en el procesos de adsorción de B lo cual puede ser debido a la formación de complejos orgánicos y el B. Igualmente, este grado de correlación directo entre el B y las arcillas sugiere que las moléculas de ácido bórico se pueden adsorber directamente sobre las superficies de los minerales de arcilla. Dentro de los minerales de arcilla identificados las esmectitas son las que mejor coeficiente de correlación presentan con el B extraíble, le siguen en su orden las arcillas intercaladas (mixed layers), la caolinita y la palygorskita. Desorción Una comparación de la ecuación de Freundlich tanto para el proceso de adsorción como para el de desorción indica que para los suelos analizados del Campo de Cartagena presentan principalmente un tipo de desorción, reversibilidad incompleta, este tipo de desorción muestra una desviación aguda a la isoterma correspondiente de adsorción lo cual corresponde a un comportamiento histérico. El recobro del B adsorbido en las cuatro etapas de desorcion variaron entre un 63% al a un 91% para los diferentes suelos. Esta amplia variación observada durante el recobro de B depende en gran medida del tipo de suelos. Características de desorción de los suelos identificadas a mediante el índice de desorción y calculada como la ratio de la pendiente de Freundlich para la adsorción y desorción: ndes/nads.