OLI-06 MODELADO DE LA CONTAMINACIÓN POR HERBICIDAS EN ZONAS DE OLIVAR BAJO DIFERENTES ALTERNATIVAS DE MANEJO DEL SUELO Cristina Aguilar Porro*, María José Polo Gómez Grupo de Hidrología e Hidráulica Agrícola, Dpto. de Agronomía, ETSIAM, Universidad de Córdoba, España. *
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RESUMEN La necesidad de evaluar los efectos que causan los cambios de uso y manejo en una cuenca, sobre la conservación del suelo y la calidad del agua, ha llevado a recurrir, cada vez con más frecuencia, al uso de modelos de simulación. AnnAGNPS es un modelo hidrológico de cuencas agrícolas, que simula la generación de escorrentía y los flujos asociados de herbicidas que abandonan las distintas subáreas de comportamiento hidrológico homogéneo en que se divide la cuenca y su viaje a través de la misma. Este trabajo analiza la aptitud de AnnAGNPS para caracterizar la transferencia de herbicidas al agua de escorrentía bajo distintas alternativas de manejo de suelo en olivar, en concreto, no laboreo con suelo desnudo, y no laboreo con cubierta entre calles, analizando el control hidrológico sobre la transferencia de sustancias desde el suelo al agua de escorrentía superficial y cuantificando las fracciones de herbicida disuelta y asociada al sedimento en el flujo de escorrentía. Los resultados obtenidos muestran una evaluación adecuada de las tendencias en la transferencia de sustancias, no obstante en cuanto a la precisión de los resultados se necesitan medidas de campo para la calibración y validación de los mismos. Por otro lado, las mayores pérdidas de sustancias se dan siempre en forma adsorbida a los sedimentos, por lo que además de ajustar las fechas de aplicación a condiciones de previsión de no lluvia, todo apunta a que la forma más eficiente de hacer mínimo su aporte al agua de escorrentía superficial es controlando la pérdida de suelo.
INTRODUCCIÓN La contaminación de las aguas procedente de fuentes no localizadas, conocida también con el nombre de contaminación "difusa", es resultado de un amplio grupo de actividades humanas en las que los contaminantes no tienen un punto claro de ingreso en los cursos de agua que los reciben. Por el contrario, la contaminación procedente de fuentes localizadas está asociada a actividades en las que el agua residual va a parar directamente a las masas de agua receptoras, en las que se puede fácilmente cuantificar y controlar dicha contaminación. Obviamente, la contaminación de fuentes no localizadas es mucho más difícil de identificar, medir y controlar. La agricultura como mayor usuario del agua dulce a escala mundial, es también uno de los principales factores de degradación de los recursos hídricos superficiales y subterráneos, como consecuencia de la erosión y escorrentía superficial. Esto justifica la preocupación existente por sus repercusiones en la calidad del agua a escala mundial. El objetivo general de los investigadores que estudian los problemas provocados por la contaminación difusa agraria es disminuir las pérdidas de sedimentos y productos químicos agrarios, sin embargo, esto reviste una gran complejidad debido a la gran cantidad de procesos que han de ser simulados como evapotranspiración, infiltración, flujo subsuperficial, flujo superficial y erosión (Ongley, 1997). La necesidad de evaluar los efectos que causan cambios de uso y manejo de la tierra sobre la conservación del suelo y la calidad del agua ha llevado a recurrir, cada vez con más frecuencia, al uso de modelos de simulación.
AnnAGNPS es un modelo hidrológico de cuencas agrícolas, que simula la generación de escorrentía y los flujos asociados de sedimentos, herbicidas y nutrientes, que abandonan las distintas subáreas de comportamiento hidrológico homogéneo en que se divide la cuenca, celdas, y su consiguiente viaje a través de la misma.
OBJETIVOS El objetivo general de este trabajo es analizar la contaminación de aguas superficiales por herbicidas en zonas de olivar bajo diferentes alternativas de manejo del suelo frecuentes en la zona del Valle del Guadalquivir, en concreto, no laboreo con suelo desnudo, y no laboreo con cultivo de cubierta de cebada entre calles, analizando el control hidrológico sobre la transferencia de sustancias desde el suelo al agua de escorrentía superficial y cuantificando las fracciones de herbicida disuelta y asociada al sedimento en el flujo de escorrentía.
METODOLOGÍA DE TRABAJO El modelado de los procesos de transferencia, transporte y transformaciones de sustancias desde el suelo al agua de escorrentía requiere una caracterización precisa de los procesos hidrológicos y erosivos que conforman los flujos de agua y sedimentos en una cuenca, acoplados a los procesos físicos, químicos y biológicos que cada sustancia puede sufrir. Los modelos integrales a escala de cuenca surgen como respuesta a la necesidad de disponer de herramientas de gestión de los recursos hídricos con criterios conjuntos de calidad y cantidad, y persiguen conseguir dicha caracterización. Se adoptó el modelo AnnAGNPS para simular la producción y transporte de herbicidas en una zona de olivar bajo dos sistemas de manejo de suelo de no laboreo con aporte de herbicidas: 1) suelo desnudo y 2) cubierta entre calles, utilizándose el sistema de laboreo convencional para disponer de valores de referencia para el balance hidrológico y producción de sedimentos (Aguilar, 2004). La elección de AnnAGNPS como modelo de simulación se debió a que es un modelo que está especialmente indicado para cuencas agrícolas, incluye componentes especiales para el manejo de fuentes concentradas de nutrientes, sedimentos y agua añadida y a que es uno de los elegidos por el USDA como modelo de referencia. 1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO AnnAGNPS (Annualized Agricultural Nonpoint Source Pollution Model) es la evolución de AGNPS (modelo de contaminación agraria difusa basado en un único evento de lluvia) en el sentido de que realiza una simulación continua a escala de cuenca. Para ello divide la misma en áreas de comportamiento hidrológico homogéneo, celdas, reflejando de este modo la variedad espacial y temporal asociada a las distintas prácticas de manejo. El modelo simula la generación de escorrentía y los flujos asociados de sedimentos, herbicidas y nutrientes que abandonan las distintas celdas y su consiguiente viaje a través de la cuenca (Cronshey y Theurer, 1998 en Bingner, 2002). Los submodelos integrados en AnnAGNPS (Bingner y Theurer, 2003) para la caracterización de los procesos hidrogeoquímicos son: para la erosión, RUSLE 1.05; para la escorrentía, el método del número de curva del SCS; para el caudal punta de escorrentía, Technical Release 55; para la evapotranspiración, la ecuación de Penman-Monteith; para el transporte de sedimentos, la ecuación de Bagnold; para el cálculo de herbicidas se realiza un balance de masas adaptado del modelo GLEAMS. 2. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO Para la caracterización de la cuenca se empleó una parcela de estudio situada a unos 10 km del municipio sevillano de Herrera, en el polígono 033, parcela 0034. El Modelo Digital de Elevaciones de la cuenca se obtuvo mediante la digitalización del Mapa Geográfico Nacional, a escala 1:10.000. A partir del mismo se generaron pendientes, longitudes de flujo, exposiciones, etc. El clima de la zona se caracterizó como típico Mediterráneo; la pluviometría presenta una distribución irregular entre 400 y 500
mm/año y los valores de temperatura más elevados coinciden con los períodos secos. Los registros diarios de las variables climáticas necesarias se obtuvieron de la estación meteorológica de Santaella (CSIC-IAS). Las principales características edáficas de la zona son: textura franco arcillosa y carácter básico; un horizonte B enriquecido en caliza; adecuada C.I.C; elevados valores de calcio proveniente del material parental del suelo, así como de potasio; pedregosidad nula y elevado contenido de materia orgánica (Aguilar, 2004). El cultivo está formado por olivos de la variedad picual de entre 50 y 70 años en marco de 12x12 metros a 3 ó 4 pies y las aplicaciones fueron a) no laboreo con aplicación de simazina y glifosato en preemergencia y postemergencia de malas hierbas en dosis de 3 y 2.16 kg/ha respectivamente; y b) no laboreo con cultivo de cubierta de cebada entre calles realizando la siega química con glifosato en dosis de 1 kg/ha. 3. SIMULACIÓN En primer lugar se realizó la subdivisión de la cuenca en base a los datos de elevación y la selección de una subcuenca para aplicación del modelo. A continuación se aplicó un generador de la red drenaje en la subcuenca seleccionada para obtener los parámetros que posteriormente se importan al modelo, y por último se ejecutó la simulación.
INNOVACIÓN Y RELEVANCIA DEL TRABAJO Es de destacar la posibilidad de poner a punto y explotar un modelo de predicción de la respuesta de una cuenca oleícola a las diferentes actividades de manejo, cuyo coste es mucho menor que el de la monitorización, con fines tanto de diagnóstico como de pronóstico a medio y largo plazo. Este modelo permite la combinación de distintas alternativas de ordenación de la tierra, tipo de cultivo y tasas de aplicación de fertilizantes y herbicidas y estudiar su influencia en la conservación del suelo y la calidad del agua. Una vez calibrado el modelo y validados sus resultados para las condiciones medidas, la evaluación de los efectos de un cambio de manejo de suelo, programación de aplicaciones, etc., en combinación con la simulación de diferentes escenarios climáticos, es directa y permite, con un grado de aproximación suficiente, la toma de decisiones con respecto al tipo de manejo, y la elaboración de directrices más generales referentes al uso de herbicidas en el sistema.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES Los resultados que se presentan corresponden al punto de cierre final de la cuenca durante los años 2001 y 2002 y se analizan dos escalas temporales: 1) a escala anual, se evalúan los valores acumulados de las variables en estudio y su evolución interanual; 2) para cada evento de precipitación se agrupan aquellos días consecutivos con ocurrencia de lluvia-escorrentía. En el modelo se considera “escorrentía” aquel suceso de lluvia diaria que produce en el punto de cierre de la cuenca una escorrentía acumulada superior a 0.001 mm. Para cada escala temporal se analiza en primer lugar la producción de escorrentía y, asociada a ésta la producción de sedimentos y herbicidas para el período simulado, comparando los distintos tipos de manejo entre sí. ¾
BALANCE ANUAL
1. Escorrentía y sedimentos Si bien la precipitación anual registrada en la cuenca fue mayor en 2002 que en 2001, la escorrentía producida ese año fue menor para cualquier sistema de manejo del suelo debido a la diferente distribución temporal de la lluvia con lluvias continuas a principios de año en 2001 y grandes episodios
tormentosos a finales, mientras que en 2002 no se produjeron episodios de lluvia de forma aproximadamente continua hasta finales de año, y en cualquier caso de menor cuantía que los registrados en 2001. En cuanto al manejo del suelo, el tratamiento que produjo la mayor escorrentía fue el de no laboreo con suelo desnudo y empleo de herbicidas como se puede observar en la tabla 1. Año 2001
Precipitación Anual (mm) 407.9
2002
427.7
Laboreo E (mm)
Herbicidas C
E (mm)
81.3
0.20
44.9
0.11
Cubierta C
103.8 69.3
E (mm)
C
0.25
67.1
0.16
0.16
40.3
0.09
Tabla 1. Precipitación registrada y escorrentía (E) y coeficiente de escorrentía (C) anuales para cada sistema de manejo
El sistema de cultivo con cubierta de cebada produjo el menor volumen de escorrentía, ya que la cubierta favorece una buena estructura del suelo que evita el sellado del mismo y la posterior formación de costra superficial al secarse la superficie, facilitando la infiltración del agua y disminuyendo de este modo la fracción de escorrentía. Por otro lado, la producción de sedimentos sigue el mismo patrón que la producción de escorrentía como se puede observar en la tabla 2.
Año
Laboreo
Herbicidas
Cubierta
S(t/ha) 2001 S/P (kg/ha/mm)
1.66 4.09
1.76 4.32
1.55 3.82
S/E (kg/ha/mm) S(t/ha) 2002 S/P (kg/ha/mm) S/E (kg/ha/mm)
20.51 0.81 1.90 18.13
16.98 0.97 2.28 14.06
23.27 0.84 1.98 20.99
Tabla 2. Producción anual de sedimentos (S). P y E precipitación anual y escorrentía respectivamente
2. Herbicidas La proporción de herbicidas producidos en relación a la cuantía de su aplicación se calcula teniendo en cuenta que en el tratamiento con herbicidas las aplicaciones anuales fueron de 2.16 kg/ha de glifosato y 3 kg/ha de simazina y en el manejo con cubierta de cebada 0.8 kg/ha de glifosato. En cuanto a la simazina la producción obtenida en la simulación es del orden de magnitud de los valores obtenidos en investigaciones anteriores, de este modo, Hall et al. (1991) obtuvieron en suelos desnudos producciones de entre 0.18 y 0.01% para terrenos con pendientes del 3 y 5%, respectivamente. La tabla 3 muestra la producción de herbicidas con respecto a la cantidad aplicada. Las mayores producciones se dieron en el manejo de suelo desnudo con empleo de herbicidas, dándose en todo caso la mayor pérdida adherida al sedimento para cualquier herbicida y sistema de manejo. Herbicidas
Simazina 2001
2002
Mesc/M (%)
Cubierta
Adherido
Disuelto
Adherido
Disuelto
0,16
0,00006
--
--
-7
0,027
4.10-8
Glifosato
Mesc/M (%)
0,30
5.10
Simazina
Mesc /M(%)
0,14
0,00005
--
--
0,57
-6
0,04
8.10-8
Glifosato
Mesc /M(%)
1.10
Tabla 3. Producción de herbicida en relación a la cantidad aplicada (Mesc/M)
¾
BALANCE POR EVENTOS
Para evitar los efectos de escala que surgirían si se analizaran datos diarios correspondientes a posiciones diferentes dentro de un chubasco como resultados independientes, se ha procedido a su agrupación por eventos tal y como se dijo anteriormente, resultando un total de 36.
1. Escorrentía y sedimentos Destacan ciertos eventos en los que el coeficiente de escorrentía superó el 50% en dos de los sistemas de manejo considerados, así como los correspondientes a los posteriores a la realización de las labores, como se puede ver en la figura 1 en los cuales la escorrentía disminuye mucho con respecto al sistema de no laboreo.
0,6
0,5
C
0,4
0,3
0,2
0,1
0 0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
Figura 1. Coeficiente de escorrentía (C) por eventos y sistema de manejo Herbicidas Laboreo Cubierta Realización de la labor
En cuanto a los sedimentos, el tratamiento con herbicidas es el sistema de manejo que más sedimentos produce aunque para ciertos eventos el sistema de cultivo con cubierta supera a los otros dos. Estos eventos se producen a finales de año y coinciden con la labor superficial realizada previa a la siembra de la cebada, que al afectar tan sólo a unos 5 cm de suelo produce la ruptura de los agregados pero no favorece en gran medida la infiltración; al quedar en superficie suelo disgregado muy fácilmente erosionable y al no estar aún la cubierta establecida, la producción de sedimentos puede ser significativa. La figura 2 muestra la producción de sedimentos por unidad de lluvia.
14 12
Sevento /Pevento
10 8 6 4 2 0 0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
Figura 2. Producción de sedimentos por mm de lluvia por eventos y sistema de manejo
2. Herbicidas Destacan los eventos posteriores a la fecha de aplicación de los herbicidas, tras los cuales se produce un gran aumento en la producción de ambos herbicidas tanto adheridos como disueltos. Para el sistema de no laboreo con control químico se trata de los eventos 6 y 18 correspondientes a finales de Marzo tras la aplicación de glifosato el 15 de dicho mes y eventos 11 y 27, correspondientes a mediados de Octubre tras la aplicación de simazina el 1 de dicho mes como se puede observar en la figura 3. 350 300
Mevento/Pevento
250 200 150 100 50 0
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
Figura 3. Producción de herbicida por mm de lluvia (Mevento/Pevento) para el sistema de no laboreo con empleo de herbicidas Glifosato adherido Simazina adherida Aplicación de glifosato Aplicación de simazina
Si se representa la producción de glifosato por eventos para ambos sistemas de manejo en los que se aplica, se obtiene la figura 4. En ella se observa que la producción sigue la misma tendencia aunque la cantidad producida es mucho mayor en el sistema de no laboreo con empleo de herbicidas que en el de cultivo con cubierta de cebada.
300
14 12
250
10
200
8 150
6
100
4
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
9
11
0 7
0 5
2 3
50
Mevento /Pevento Cubierta
16
1
Mevento /Pevento Herbicidas
350
Figura 4. Producción de glifosato por mm de lluvia (Mevento/Pevento) simulada por eventos para ambos sistemas de manejo
CONCLUSIONES • En cuanto a la respuesta hidrológica del sistema, el modelo evalúa de forma adecuada las tendencias en la transferencia de sustancias al agua de escorrentía. No obstante en cuanto a la precisión de los resultados se necesitan medidas de campo para realizar la calibración y validación de los mismos. • Con respecto a la importancia relativa de la fracción adherida y disuelta, las mayores pérdidas de sustancias se dan siempre en forma adsorbida a los sedimentos, por lo que además de ajustar las fechas de aplicación a condiciones de previsión meteorológica de no lluvia, todo apunta a que la forma más eficiente de hacer mínimo su aporte al agua de escorrentía superficial es controlando la pérdida de suelo. • Con respecto al manejo de suelo, para las condiciones simuladas, el sistema de no laboreo con empleo de herbicidas es el que produce mayor aporte de herbicidas al agua de escorrentía superficial a escala de cuenca, debido a su mayor producción de sedimentos. Estos resultados están siendo ampliados al total de datos climáticos disponibles en la zona. La calibración y validación de los mismos permitirá cuantificar los aportes de herbicida al flujo de escorrentía superficial en cada sistema.
AGRADECIMIENTOS Este trabajo está siendo financiado por la Consejería de Agricultura y Pesca a través del Proyecto CAO01-001-C4-04, “Minimización de la contaminación por fitosanitarios” llevado a cabo por el Grupo de Hidrología e Hidráulica Agrícola de la Universidad de Córdoba”
REFERENCIAS
AGUILAR,C. 2004. TPFC Evaluación de la contaminación difusa en zonas de olivar con diferentes alternativas de manejo del suelo. Universidad de Córdoba BINGNER, R.L. 2002. AGNPS watershed modeling technology components. Joint public university of NavarraUSDA workshop on non-point source pollution using USDA-AGNPS. Watershed modeling technology applications of the AGNPS in Navarra. Pamplona. BINGNER, R.L. y THEURER, F. 2003. AnnAGNPS Technical processes. Manual técnico del AnnAGNPS.
HALL, J.K., MUMMA, R.O., WATTS, D.W. 1991. Leaching and runoff losses of herbicides in a tilled and untilled field. Agriculture, ecosystems & environment 37, 303-314. ONGLEY, E.D. 1997. Lucha contra la contaminación agrícola de los recursos hídricos. Estudio FAO Riego y drenaje 55. Capítulo 2. Publicación electrónica. http://www.fao.org/docrep/W2598S/W2598S00.htm.