CARBONO Y FÓSFORO EN SEDIMENTOS DE UN SISTEMA LAGUNAR ASOCIADO A UNA CUENCA DE DRENAJE AGRÍCOLA

Trabajo recibido el 4 de abril de 1991 y aceptado para su publicación el 17 de febrero de 1992.

RESUMEN

INTRODUCCIÓN

En la cuenca que drena hacia el sistema lagunar de Altata-Ensenada El Pabellón se encuentran los municipios de Culiacán y Navolato (en el estado de Sinaloa), donde se localiza la actividad agrícola más intensa y mecanizada del país. Los dos municipios poseen un total de 270,000 hectáreas dedicadas al cultivo de hortalizas [jitomate (Lycopersicon esculentum),chile, pepino, berenjena, etc.], soya, cártamo y arroz; de estos cultivos, Sinaloa es el primer productor nacional (CAADES, 1986).

Entre los productos agroquímicos aplicados en la zona sobresalen los compuestos organofosforados (metamidofos, monocrotofos, clorpirifos, malatión y paratión metílico) y las sales y óxidos con alto contenido de fósforo [Ca(H₂PO₄)₂, (NH₄)H₂PO₄, P₂O₅]. Los primeros se utilizan como insecticidas; los segundos, como fertilizantes (CIAPAN, 1986; UNPH, 1988).

Al intemperizarse los suelos agrícolas fertilizados liberan el fósforo por diversos mecanismos; mediante procesos biológicos se incorpora a la biosfera, y por otra parte la erosión remueve una fracción importante; parte reprecipita como fosfatos de calcio, férrico o/y de aluminio; el resto es transportado al mar (Holtan et al., 1988). La proporción de fósforo que a través de los cuerpos lagunares y estuarinos transita hacia el océano está condicionada por la reactividad de este elemento en ellos. Nixon (1981) ha enfatizado que en los sistemas costeros poco profundos el ciclo del fósforo está dominado por los procesos de intercambio aguasedimentos. La presente investigación trata acerca de la distribución de fósforo y carbono en los sedimentos del complejo lagunar de Altata-Ensenada El Pabellón, un ecosistema ubicado en el valle agrícola de Culiacán y Navolato, en el noroeste del país. Así mismo se plantea identificar en los diferentes puntos de la laguna las condiciones de depositación del fósforo y su relación con las porciones orgánica e inorgánica de este elemento.

La figura 1 es un mapa del área de estudio en el que se representan las estaciones de colecta de los sedimentos. El complejo lagunar de Altata-Ensenada El Pabellón se localiza en la parte central del litoral del estado de Sinaloa (noroeste de México), entre los 107º 30' y los 107º 58' de longitud occidental y los 24º 20' y 24º 40' de latitud septentrional. El sistema lagunar está conectado con varios esteros y lagunas interiores, de las cuales, por su tamaño, destacan Bataoto, Caimanero y Chiricahueto (2, 3 y 18 km 2 de superficie, respectivamente).

Figura 1. Localización del área de estudio, con la posición de las estaciones de muestreo.

Fisiográficamente, el cuerpo lagunar principal es de forma alargada y relativamente estrecha, con su eje mayor paralelo a la costa. Con una extensión aproximada de 360 km², es una laguna somera - profundidad inferior a 8 m - que se comunica al mar a través de dos bocas, una permanente y otra temporalmente abierta.

La cuenca de drenaje tiene una superficie de 17,195 km² (INEGI, 1987), con un escurrimiento promedio de 3,276.2 millones de metros cúbicos por año. Sólo un río (el Culiacán) desemboca en el sistema lagunar, en su porción central, muy cerca de la boca principal (Fig. 1).

Las lagunas poseen una profundidad media inferior a 1 m; contienen sedimentos finos, ocasionalmente fétidos. Son receptoras de las aguas de retorno agrícola; la Bataoto y la Chiricahueto reciben además los efluentes residuales de los ingenios azucareros "Antonio Rosales", de Costa Rica, y "La Primavera", de Navolato. Mediante esteros, las tres lagunas se comunican con el cuerpo principal.

Se seleccionaron un total de 24 estaciones de muestreo; para su ubicación se consideraron tres condiciones: 1) dimensiones del cuerpo lagunar; 2) diferencias de cada porción lagunar en lo referente a posible influencia de las actividades agrícolas, y 3) que tuvieran regímenes hidrológicos marino, estuarino y fluvial.

Figura 2. Distribución de la concentración de fósforo (orgánico e inorgánico) en el área de estudio.

En cada una de las estaciones, por buceo libre, mediante un tubo de acrílico (de 40 cm de longitud y 6.5 cm de diámetro) se colectaron núcleos de sedimento; por medio de éstos se seleccionó solamente la sección superficial comprendida entre 0 y 5 cm; se colocó en un frasco de polietileno previamente enjuagado y lavado en ácidos nítrico y clorhídrico diluidos (Páez-Osuna et al., 1987).

Se realizaron mediciones de potencial de hidrógeno (pH) y de potencial de oxidación-reducción o redox (Eh) de dos maneras: en las estaciones donde la profundidad era inferior a 1 m, los electrodos se insertaban directamente en el fondo; en las de mayor profundidad, éstos se colocaron en la muestra inmediatamente después de poner los sedimentos en el frasco; para evitar que se aerearan, se adaptó una tapa (con rosca) a los electrodos.

Para la medición del pH se utilizaron dos electrodos: uno de vidrio Orion (9101), y otro de referencia, de unión simple (900100). Para cada medición los electrodos se calibraron con dos soluciones tampón de pH 4 y 7; las lecturas se registraron después de dejar estabilizardurante 15 minutos; mediante un potenciómetro Orion 407.

Para las mediciones del Eh se empleó un potenciómetro Orion modelo 501 con electrodo de platino comercial Fisher y otro de referencia de doble unión Orion (900200), cuyo relleno interior se hizo mediante KCl y el exterior con una solución de KNO₃ al 10%; la diferencia de potencial fue de + 245 mV a 20ºC. La calibración de los electrodos se efectuó con la solución de Zobell (1946). El cálculo del Eh se realizó mediante el algoritmo propuesto por Anatolevich-Solomin (1965), el cual consiste en ajustar las lecturas del Eh (tomadas cada 5 minutos) y el recíproco del tiempo a una recta, determinada por la ecuación

Eh = m (1 / t) + b (1)

m = pendiente de la recta; t = tiempo, en minutos; b = ordenada; o sea, el Eh es igual a b cuando t tiende a infinito. En el presente estudio, la regresión lineal se cuantificó por el método estadístico denominado de los mínimos cuadrados.

TABLA 2. Contenido de fosforo, carbonatos y materia organica en los sedimentos del sistema lagunar de Altata

La textura de los sedimentos se determinó mediante los porcentajes de las fracciones arenosa (62µ- 2 mm.), limosa (2- 62µ ) y arcillosa (< 2µ); éstos se obtuvieron por separación con mallas y decantación (Páez-Osuna et al.,1984 a).

Las pérdidas por ignición (PPI) se midieron por barimetría después de calcinar un triplicado a 550ºC durante dos horas (Páez- Osuna et al., 1984 b).

Para el análisis del fósforo total se tomó una alícuota de 0.5 g de sedimento seco y molido, la cual se calcinó en una mufla a 550º C durante dos horas; posteriormente, con HCI al 1.0 N se diluyeron las cenizas. Para la cuantificación del fósforo inorgánico se tomó una alícuota similar, sin someterla a calcinación (Aspila et al., 1976). A partir del extracto ácido se midió el fósforo por la técnica colorimétrica descrita por Strickland y Parsons (1972).

El carbono (orgánico e inorgánico) se determinó por la técnica de Suzukiet al., (1983), la cual se basa en la medición de CO₂. Para ello se empleó un analizador de carbono Shimadzu TOC-10B. En una primera reacción (con ácido fosfórico) se libera el CO₂ derivado de los carbonatos; se cuantifica así el C inorgánico. En una segunda descomposición (con dicromato de potasio y ácido sulfúrico) se oxida la materia orgánica presente en el material residual; se libera así el CO₂ derivado del carbono orgánico.

En los valores más bajos, una réplica de seis determinaciones en las técnicas del fósforo y del carbono reveló un 5-10% de coeficiente de variación, y 2-5% en los niveles más elevados.

En las tablas 1 y 2 se presentan los resultados de los diferentes análisis realizados en las 24 muestras desedimento. Con excepción de las estaciones 1, 7 y 9, el resto de las muestras se colectó de profundidades inferiores a 2 m. En las estaciones cercanas a la población de Altata y las bocas que comunican a la laguna con el mar (estaciones 1, 2, 4, 6, 7, 8 y 9), se tienen sedimentos dominantemente arenosos, cuya humedad se halla entre 19.6 y 29.3%, el pH (diurno) entre 7.41 y 7.69, el Eh (diurno) entre 140 y 205 mV, la materia orgánica como C orgánico entre 0.09 y 0.52%, los carbonatos (como CaCO₃) por debajo de 1.7% y el contenido total de fósforo osciló entre 337 y 513 ppm. En lo que regionalmente se denomina Ensenada El Pabellón (Fig.1), se encontraron sedimentos con mayor contenido de humedad (46.0% en promedio), pH (diurno) relativamente inferior (5.92 - 7.52), intervalo inferior de potencial redox (37-170 mV), concentración mayor de carbono orgánico (0.44 - 1.87%), extensión notoria del contenido extremo superior de carbonatos (0.759.67%), e incremento del total de fósforo: 510 - 719 ppm. Por su parte, en las muestras obtenidas en las lagunas interiores de Bataoto, Caimanero y Chiricahueto se obtuvieron los niveles de concentración más elevados de fósforo total, carbonatos, C orgánico y pérdidas por ignición, y textura más fina (Tablas 1 y 2).

Figura 3. Zonación propuesta para la concentración de fósforo en el complejo lagunar estudiado.

La distribución de la concentración del fósforo (inorgánico y orgánico) revela diferencias muy marcadas en los diversos puntos del complejo lagunar (Fig.2); con excepción de la muestra de la estación 27 (Fig.1), el porcentaje del fósforo inorgánico constituye la mayor parte, con 80-100% del total.

Con el objetivo de establecer si se trata de sedimentos contaminados, el Departamento Pesquero de Canadá (Thomas y Mudroch, 1979) ha adoptado criterios de aceptabilidad para el desecho de materiales de dragado en el mar; entre los parámetros que se enlistan están las pérdidas por ignición (PPI) y el fósforo total. De esta manera, todo material cuya concentración sea menor a 5% de PPI y 420 ppm de fósforo se considera libre de polución; con 5-8% de PPI y 420-650 ppm de fósforo, se considera moderadamente inficionado, mientras que del que se obtengan datos superiores a 8% de PPI y 650 ppm de fósforo se clasifica como fuertemente contaminado.

Figura 4. Zonación propuesta para la concentración de la materia orgánica (como pérdidas por ignición, PPI) en el complejo lagunar estudiado.

Tomando en cuenta estos criterios de aceptabilidad, se propone una zonación para el complejo lagunar de Altata-Ensenada El Pabellón (Figs. 3 y 4). Aunque en general entre las PPI y el fósforo hay cierta semejanza en su distribución, en el caso de las primeras el material con cifras superiores a 8% alcanzan a depositarse en una extensión mayor que el fósforo, sobre todo en los fondos que bordean las cercanías de las entradas que se comunican con las lagunas interiores.

Es evidente que las concentraciones mayores a 650 ppm de fósforo y 8% de PPI se presentaron en las estaciones de las lagunas interiores de Bataoto, Caimanero y Chiricahueto, y sus proximidades, localidades que reciben aguas de escurrimiento agrícola y de dos ingenios azucareros. Cuando se comparan entre sí las lagunas interiores, sobresale la estación 29, cercana a Bataoto, en cuanto a su elevada concentración de fósforo, C orgánico, PPI y menor potencial redox. Esto se debe seguramente a que sobre este punto convergen, además de los drenes agrícolas y de la industria azucarera, efluentes de una fábrica de papel, localizada en la ciudad de Navolato.

Con el fin de comprender las relaciones entre los componentes de los sedimentos, y de identificar condiciones de depositación de las formas orgánica e inorgánica del fósforo, se elaboró una tabla con los coeficientes de correlación (lineal simple) entre las variables, utilizando las fracciones del fósforo como variables dependientes y las características del sedimento como variables independientes (Tabla 3). El propósito de esta tabla es determinar el grado de relación entre las fases supuestamente presentes y el carácter químico de los sedimentos.

En las fracciones granulométricas se encontró solamente una correlación significativa entre las porciones arcillosas y los porcentajes de arena; en estos últimos el valor del coeficiente es mayor y negativo en ambas formas del fósforo y en el total del mismo; ello se debe a la índole inerte de la arena y a su bajo o nulo contenido de fósforo, lo cual a su vez se debe a que esta fracción se compone predominantemente de cuarzo y feldespatos, como ocurre en otras lagunas costeras (Páez-Osunaet al., 1983).

Figura 5. Potencial redox (Eh) y concentración de fósforo orgánico vs porcentaje de carbono orgánico, en peso. El error en las barras está basado en el coeficiente de variación en una muestra con 100 mV.

Con el potencial redox, solamente la concentración del fósforo inorgánico tuvo un grado significativo de relación lineal: negativo. Es decir, a mayor Eh del material del fondo del complejo lagunar de Altata-Ensenada El Pabellón, corresponde menor concentración de fósforo inorgánico, y viceversa. Sin embargo, esta relación puede ser sólo aparente, por el hecho de que en este sistema los fondos con mayor Eh (en la porción conocida como Altata) coinciden con los que poseen sedimentos predominantemente arenosos (Tabla 1, Fig. 2), y más escasos de fósforo (Fig. 2).

TABLA 3. Grado de relación entre los parámetros de los sedimentos determinados por los coeficientes de coorrelación lineal

El fósforo inorgánico tuvo el mayor coeficiente de correlación lineal cuando se ajusta con el contenido de carbonatos (Tabla 3):

P inorg (ppm) = 35.9 CaCO₃(%) + 408.9 (2)

Esta ecuación permite inferir que los carbonatos tienen una función determinante en la concentración de fósforo inorgánico en los sedimentos de este complejo lagunar; tal asociación también se manifiesta significativamente en el contenido del fósforo total (Tabla 3), por ser su fracción inorgánica dominante (80-100%). En el caso del fósforo orgánico, los carbonatos también tuvieron un coeficiente de correlación significativo (r = 0.55, α= 0.05), aunque menor; ello puede indicar que el fósforo orgánico está directamente relacionado con restos calcáreos carbonatados.

La concentración de carbono orgánico muestra una correlación lineal inversa con el potencial redox en los sedimentos del complejo lagunar (Fig. 5); esto permite categorizar los distintos tipos de fondo del cuerpo de agua; así, mientras que en el material arenoso de la sección denominada Altata se tienen niveles redox comparativamente más oxidantes, en el material fino de los fondos de las lagunas interiores tales niveles son menores, el C orgánico es abundante y la PPI elevada. Esta correlación lineal del Eh y el C orgánico permite reiterar lo sugerido previamente (Pearson y Stanley, 1979) respecto al potencial redox, como parámetro operacional guía de las condiciones biológicas del sedimento y del grado de la carga orgánica a la cual está sujeto.

TABLA 4. Contenido promedio de C orgánico, P total, P orgánico y relación atómica C orgánico: P orgánico en sedimentos marinos y lagunares

El carbono orgánico tiene relación directa con las dos fracciones químicas del fósforo, aunque con la orgánica el coeficiente de correlación es mayor (Tabla 3); esto indica que ambos elementos están relacionados en las partículas del sedimento que componen al material orgánico.

Si al carbono orgánico se le designa formalmente como la variable independiente, la ecuación lineal que se ajusta a estos parámetros es:

P org (ppm) = 86 C org (%) - 0.44 (3)

Esto evidentemente revela que la cantidad de fósforo orgánico (P org) en estos sedimentos es directamente proporcional al contenido de carbono orgánico (C org).

La relación atómica C org: P org basada en la pendiente de la ecuación (3) es de 300: 1; al calcular la misma por separado para las muestras de las lagunas interiores que se comunican al cuerpo lagunar principal, tal relación es de 260:1, lo cual significa que, al transportarse desde aquéllas hacia éste, parte del fósforo se utiliza más que el carbono en la columna de agua o/y al depositarse sobre el fondo.

La relación de 260: 1, calculada en promedio para las muestras de las tres lagunas interiores, es referida como el valor típico de la proporción C org: P org de los suelos moderadamente fértiles (Barrow, 1961), lo cual es de esperar, puesto que en estas pequeñas lagunas se vierten los materiales y aguas de escurrimiento de los suelos agrícolas del Valle de Culiacán

En la tabla 4 se muestran las concentraciones promedio de C org, fósforo y la relación C org: P org de los sedimentos del complejo lagunar de Altata y de varios tipos de fondos marinos y costeros. En general, el complejo lagunar costero mexicano afectado por actividades agrícolas muestra valores inferiores o comparables a los encontrados en otros ecosistemas marinos y costeros. Llama la atención que el valor de la relación C org: P org es el mismo que el de los sedimentos costeros anóxicos de Long Island Sound, Estados Unidos (Krom y Berner, 1981), aunque cuando se comparan con los de las lagunas interiores del complejo lagunar de Altata, en éstas es algo menor, mientras que las concentraciones de fósforo total y carbono orgánico son significativamente mayores. Por otra parte, el fósforo orgánico, al igual que en los sedimentos de las diferentes regiones citadas, en los fondos lagunares representa entre un 10 - 20% del total.

La distribución de la concentración de fósforo revela diferencias muy marcadas en las diversas secciones del complejo lagunar de Altata-Ensenada El Pabellón; mientras que en los fondos arenosos de las estaciones próximas a Altata y a la boca principal su contenido es menor, en los fondos lodosos de Ensenada El Pabellón se hallan cantidades intermedias, de las que una proporción importante es fósforo orgánico, y en las lagunas de Bataoto, Caimanero y Chiricahueto se encontraron proporciones mayores. En estas lagunas interiores se superan incluso las 650 ppm de fósforo y el 8% de pérdidas por ignición. Los criterios para desecho de material de dragado consideran estos niveles como el valor inicial de la contaminación. Esta anomalía se debe a que las lagunas reciben los escurrimientos de los suelos agrícolas y de dos ingenios azucareros.

Las concentraciones del fósforo inorgánico, que es la fracción dominante (80-100%) en los sedimentos, en general estan determinadas por el contenido de carbonatos, lo cual indican que el fosforo se encuentra como parte de compuestos carbonatados.

Cuando se comparan las concentraciones promedio del fósforo y del carbono orgánico de los sedimentos del complejo lagunar, éste muestra valores similares o inferiores a los obtenidos en otros ecosistemas costeros; si se consideran por separado las muestras de las lagunas interiores (Bataoto, Caimanero y Chiricahueto), el contenido de fósforo y el de carbono orgánico son significativamente mayores.

Por lo anterior, se recomienda investigar en este cuerpo lagunar los procesos de mezclado estuarino en las fases disuelta y suspendida, para conocer la función que estos procesos desempeñan en el intercambio y en el balance del fósforo.

A Luis Valdez, por su valiosa colaboración en la colecta de los sedimentos. A la bióloga Mariana Hernández Garza y Ma. Margarita Cordero Ruiz, por su participación en la elaboración del texto. Trabajo apoyado parcialmente por la Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología, Delegación Sinaloa (Contrato B7-Y-BE-ASO1-Y-0-7). Se agradece el interés y al apoyo brindados por el arquitecto Jesús Okamura, Delegado Estatal de SEDUE, y por el biólogo Santana Félix, Subdelegado de Ecología.

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