Efecto de la escorrentía sobre la carga de sedimentos en sus­pensión y fósforo en un arroyo de cabecera de una cuenca ru­ral (NO España)

 

M.L. Rodríguez-Blanco¹, M.M. Taboada-Castro, L. Palleiro-Suárez & M.T. Taboada-Castro

¹ Facultad de Ciencias, Universidad de A Coruña, A Zapateira, 15071, A Coruña, España; teresat@udc.es

 

RESUMEN

Se determinó la carga de sedimentos en suspensión (SS) y fósforo (P) durante even­tos de lluvia-escorrentía en un arroyo de ca­becera, que drena una cuenca rural ubicada en Galicia (NO España). Asimismo, se trató de conocer las principales fuentes de SS y P exportados. Se observaron acusadas dife­rencias en la carga de SS y P entre eventos, lo cual se asocia con el volumen de esco­rrentía, así como con el desarrollo de surcos y cárcavas efímeras en parcelas de cultivo bien conectadas con la red de drenaje. La carga de SS osciló entre 0,8 y 21,0 t mientras que la de P varió entre 2,5 y 20,0 kg. El fósforo parti­culado (PP) mostró relaciones significativas con los SS, lo que indica el origen erosivo de una parte importante de P, especialmente considerando que el PP supone más de un 80% del P exportado en cada evento.

Palabras-clave: cuenca rural, erosión del suelo, escorrentía, fósforo particulado, se­dimentos en suspensión.

 

Effect of runoff on suspended sediment and phosphorus loading in a headwater stream of a rural catchment (NW Spain)

ABSTRACT

This work examines the suspended sedi­ment (SS) and phosphorus (P) load during rainfall-runoff events in a headwater stream which drains a rural catchment located in Galicia (NW Spain). Another objective is to know the major sources of SS and P ex­ported. Important differences in the SS and P load between events were found, which is associated with the runoff volume, as well as to develop of rills and ephemeral gullies in cultivated fields well connected to the drainage network. The SS load ranged be­tween 0.8 and 21.0 t, while the P load varied between 2.5 and 20.0 kg. The particulate phosphorus (PP) showed significant rela­tionship with SS, which indicates the ero­sive origin of P, especially considering that PP means more 80% of P exported each event.

Key-words: particulate phosphorus, run­off, rural catchment, soil erosion, suspended sediment.

 

INTRODUCCIÓN

La erosión del suelo es uno de los pro­blemas ambientales más serios asociados al uso agrícola. En Europa (excluyendo los países del Este) más del 17% de los suelos agrícolas se encuentran con graves proble­mas de erosión (Gobin et al., 2003), lo cual reduce la producción y sostenibilidad agrí­cola. Las consecuencias de la erosión del suelo se manifiestan también fuera de él, causando por ejemplo sedimentación en los cuerpos de agua y colmatación de lagos y embalses. Los sedimentos son, también, un contaminante por su propia composición y por los elementos químicos que pueden lle­var adsorbidos aumentando, entre otros, los niveles de nitrógeno y fósforo en las masas de agua ocasionando su eutrofización.

La transferencia de fósforo desde los sue­los a las aguas está controlada por varios pro­cesos (por ejemplo erosión y lixiviación) y vías hidrológicas de transporte (flujo superfi­cial, subsuperficial y subterráneo). Varios factores a nivel de cuenca, como pendiente, proximidad a la red de drenaje y textura y es­tructura del suelo, junto con factores relacio­nados con el uso del suelo, tales como el tipo de laboreo y las aplicaciones de fertilizantes tienen su contribución en la variación espa­cial del patrón de pérdidas de P (Heathwaite, 1997; Heathwaite & Dils, 2000).

El fósforo puede alcanzar las aguas tanto en forma particulada como disuelta. En ge­neral, la mayor parte de las pérdidas de P en los suelos agrícolas se producen en la esco­rrentía superficial, excepto cuando existe un flujo preferente a través de macroporos (Si­mard et al., 2000). La mayor parte del P procedente de los terrenos de cultivo alcan­za las aguas en forma particulada, siendo por tanto desprendido y transportado por procesos erosivos (Haygarth & Jarvis, 1999; Chambers et al., 2000; Hodginson & Wit­hers, 2007). La escorrentía desde praderas y terrenos forestales transporta, por lo general, pequeñas cantidades de sedimentos y está, por lo tanto, dominada por la forma disuelta (Sharpley & Rekolainen, 1997; Nash et al., 2000).

Los flujos de P desde el suelo a las aguas pueden ocurrir durante todo tipo de eventos tormentosos, aunque a escala anual la mayor parte del P se transporta durante eventos de baja frecuencia y alta intensidad (Dorioz, 1998; Heathwaite & Dils, 2000; Edwards & Withers, 2007). Esto conlleva a que la ma­yor parte de los SS y P transportados en las cuencas tenga lugar durante eventos que, por lo general, suceden en un corto período tiempo, y por tanto, necesitan de un sistema de muestreo intensivo, lo cual es costoso y laborioso. Esto resulta todavía más laborio­so en una región como Galicia, donde la su­cesión de episodios de lluvia durante la es­tación húmeda es prácticamente continua. Todos estos inconvenientes incitaron a que la mayoría de los estudios sobre procesos de transporte de SS y P hacia las aguas se efec­tuaran a escala de parcela, ladera o pequeña microcuenca y en menor medida a escala de cuenca.

El objetivo de este trabajo reside en cono­cer la cantidad de SS y P exportados durante eventos de lluvia-escorrentía de diferente magnitud (cantidad, intensidad y duración) desde una cuenca rural a un arroyo de cabe­cera. Dicha cuenca es representativa en tér­minos de climatología, uso y manejo del suelo del noroeste de España. En este traba­jo también se pretende identificar las princi­pales áreas que aportan SS y P al arroyo.

 

MATERIAL Y MÉTODOS

Descripción de la cuenca de estudio

El estudio se efectuó en la cuenca del río Corbeira (16 km²), una pequeña cuenca de carácter rural ubicada en las proximidades de la ciudad de A Coruña (Galicia, NO de España). La cuenca, presenta una topografía moderadamente escarpada, con una pen­diente media del 19%. Las condiciones cli­máticas de la zona son de tipo oceánico húmedo con una temperatura media de 13ºC y una precipitación media anual de 1032 mm (1983-2007). Los suelos, clasificados como Umbrisoles y Cambisoles (FAO, 2006) de textura limosa y franco limosa, se desarrollan sobre esquistos básicos pertene­cientes a la formación geológica del Com­plejo de Ordenes (Martínez et al., 1984).

Los usos del suelo consisten básicamente en forestal (65%) y agrícola, principalmente pradera y maíz. Las tierras de cultivo, que representan aproximadamente el 3,7% de la cuenca, son labradas una o dos veces por año en función de la rotación de cultivos; siendo las más extendidas maíz-cereal de invierno, maíz-barbecho y maíz-nabos. Además existen pequeñas huertas familiares en las que se produce alternancia de produc­tos hortícolas. En lo referente a la fertiliza­ción, el procedimiento más extendido es la aplicación de abonos inorgánicos y orgáni­cos (purines y estiércoles) en el momento de la siembra, y después de cada corte de las praderas. En estas últimas, además se apli­can purines varias veces al año, sin tener en consideración el Código de Buenas Prácti­cas Agrícolas (Xunta, 1999).

Medidas de caudal y muestreo de aguas

El monitoreo a la salida de la cuenca con­sistió básicamente en: i) efectuar medidas de caudal en continuo y ii) tomar muestras de agua del arroyo durante eventos de esco­rrentía para el posterior análisis de fósforo y sedimentos en suspensión.

Para llevar a cabo las tareas descritas, se efectuaron medidas de nivel del agua a la salida de la cuenca, empleando para ello, un sensor de presión conectado a un muestrea­dor automático (ISCO 6712). El nivel se convirtió en caudal haciendo uso de la curva de gasto.

El muestreo de aguas se realizó automáti­camente con el muestreador, el cual ha sido programado para activarse cuando el nivel de agua se incremente 2-3cm respecto al an­terior al evento.

Análisis de laboratorio

En las muestras de agua recogidas durante los eventos se analizaron los siguientes pa­rámetros: sedimentos en suspensión (SS), fósforo total (PT) y fósforo disuelto (PD). El fósforo particulado (PP) se obtuvo por dife­rencias de las dos fracciones anteriores.

Los sedimentos en suspensión se deter­minaron por el método gravimétrico, para lo cual se filtraron 100 ml de muestra a través de un filtro (0,45 µm) previamente pesado. El residuo retenido se seca a 105ºC durante 24 h y posteriormente se pesa. El peso del residuo seco y el volumen de muestra pro­porcionan la concentración de sedimentos en suspensión (mg L^-1).

Las concentraciones de PT se determina­ron por el método colorimétrico del ácido ascórbico (Murphy & Riley, 1962), previa digestión con persulfato amónico en placa calefactora según el método APHA (1998). El PD (< 0,45 µm) fue determinado por ICP-MS.

Estimación de la escorrentía y de la carga de SS y P durante los eventos

Los eventos de escorrentía se identifica­ron como incrementos en el caudal que su­peran en 1,5 el caudal de base al inicio de la precipitación. El hidrograma de cada crecida se separó en 2 componentes (escorrentía y flujo base) usando el procedimiento clásico de Hewlett & Hibbert (1967).

La carga de sedimentos y fósforo expor­tado en cada evento se calculó a partir de los registros de caudal en continuo y de las con­centraciones instantáneas de SS y P. Con el propósito de conocer la influencia de la es­correntía en la carga de SS y P, así como con el fin de explicar las diferencias de se­dimentos y fósforo entre eventos, se estimó la proporción de carga (de cada elemento) exportada como flujo base y como escorren­tía en cada evento. Para ello, en primer lugar se estimó la concentración media de SS y P en flujo base por interpolación lineal entre las concentraciones existentes al inicio y al final del evento. Posteriormente, se estimó la carga correspondiente al flujo basal como el pro­ducto del flujo base por la concentración me­dia de SS ó P del flujo base. Por último, la carga atribuida a la escorrentía resulta de la diferencia entre la carga total del evento y la carga correspondiente al flujo basal.

Estimación de las pérdidas de suelo por flujo concentrado

Después de cada evento importante de precipitación se realizaron inspecciones vi­suales en la cuenca, prestando especial aten­ción a las zonas agrícolas, con el fin de infe­rir las posibles áreas fuente de sedimentos y fósforo. Cuando se observó la formación de surcos y cárcavas efímeras se determinó el suelo perdido, midiendo la longitud y sec­ción de cada uno de estos canales, así como los depósitos de sedimentos.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Precipitación y escorrentía de los eventos

En la tabla 1 se recoge una síntesis de las principales características de 5 episodios de lluvia-escorrentía acaecidos durante el año 2005. Se observa una gran variabilidad tanto en la precipitación acumulada durante los siete días anteriores al evento (14,2-84,6 mm) como en la cantidad (18,8-51,0 mm) e intensidad (5,2-14,8 mm h^-1) de lluvia que los generó. Asimismo, se aprecian diferen­cias en cuanto al volumen de escorrentía (0,6-2,5 mm). Además, se advierte que las relaciones entre la precipitación y escorren­tía son complejas. Por ejemplo, el evento 1 con una precipitación 18,8 mm produjo un volumen de escorrentía de 1,3 mm, mientras que el evento 2 con una precipitación de 47,4 mm generó una escorrentía de 1,2 mm.

 

Tabla 1-Principales características de los eventos de precipitación-escorrentía. P: precipitación que oca­siona el evento. I₃₀: intensidad máxima de la precipitación en 30 min. PA7: precipitación en los siete días anteriores al evento.

 

En cuanto al flujo, la mayor parte es de origen basal, excepto en el evento 2 donde el porcentaje de escorrentía (59%) supera al flujo base (41%). El predominio de flujo base se puede atribuir, en gran parte, a la abundante vegetación y a la escasa superficie impermeable (<5%), lo que dificulta la llegada rápida de la escorrentía al arroyo. Este comportamiento, típico de los ríos gallegos, se ha observado también en la cuenca del río Carballas (A Coruña), que es similar a la del río Corbeira en cuanto a tamaño, usos, tipo de suelos y condiciones climáticas (Álvarez et al., 2001).

Exportación de sedimentos en suspen­sión y fósforo

En la tabla 2 se muestra para cada even-to la concentración máxima de SS y P, así como la carga total de éstos y la corres­pondiente al flujo de escorrentía, es decir, al flujo rápido. Se aprecian importantes diferencias entre eventos, tanto en la con­centración máxima como en la carga de SS (0,8-21,0 t) y P (2,5-20,0 kg). Por otra parte, se observa que aproximadamente el 91% de la carga de SS yel 79% de la de P se asocia con la escorrentía a pesar de que, como se indicó anteriormente, existe una mayor proporción de flujo base, lo que demuestra la importancia de los even­tos en el arrastre de estos materiales. Las concentraciones y cargas más elevadas de SS y P (tabla 2) coinciden con los mayo­res volúmenes de escorrentía (tabla 1). Sin embargo, el evento 2, con el doble de escorrentía que el evento 5 (1,2 frente a 0,6 mm), presentó una carga de SS y P in­ferior a la de éste. Esto da una idea de la multitud de factores que inciden en la concentración y exportación de SS y P a escala de cuenca.

 

Tabla 2-Concentración máxima y carga de SS y P en los eventos.

 

Las mayores cargas de sedimento en sus­pensión, con valores de 9,0 y 21,0 t para los eventos 3 y 4 respectivamente, se produje­ron en los episodios de mayor escorrentía (tabla 1). En esta cuenca, la escorrentía su­perficial con mayor efecto sobre el arrastre de sedimentos ocurre en los terrenos de cul­tivo desprotegidos de vegetación que pre­senten costra superficial (Taboada-Castro et al., 2008). Así, la elevada carga de SS de los eventos 3 y 4, respecto a los restantes, puede deberse al aporte de sedimentos procedentes de surcos y cárcavas efímeras desarrollados en una parcela encostrada y de acusada pen­diente (clase 5 de la FAO), próxima al arro­yo. La cantidad de sedimentos aportada por estos canales ascendió a 8,3 y 14,9 t para los eventos 3 y 4, respectivamente. La excelente conectividad de esta parcela con la red de drenaje favoreció que la práctica totalidad del suelo erosionado alcance el arroyo. Así, en el evento 3 de las 8,5 t de suelo perdido aproximadamente 0,2 t permanecieron en la parcela, y en el evento 4 quedaron retenidas 0,45 t de las 15,4 t originadas por estos ca­nales. Teniendo en cuenta la carga de sedi­mentos en el arroyo durante estos eventos y la cantidad de sedimentos aportada por los surcos y cárcavas, claramente se deduce que éstos constituyen la principal fuente de se­dimento exportado.

La producción de sedimentos en el año 2005 fue de aproximadamente 5 t/km². Este valor es del orden del encontrado por Rial et al. (2003) para una cuenca de Galicia simi­lar a la del presente estudio. También se aproxima a los valores recogidos por Díaz-Fierros (1986) para algunos ríos gallegos (5­10 t/km²/año) y para ríos europeos de ámbi­to atlántico, siendo indicativo de una baja exportación de sedimentos en la cuenca. La carga de sedimentos de los eventos estudia­dos asciende a 37 t, de modo que aproxima­damente la mitad de los sedimentos expor­tados durante el año 2005 han ocurrido en estos 5 eventos, los cuales representan me-nos del 3% del período anual. La elevada contribución de un reducido número de eventos a la exportación de materiales se ha constatado en diversas ocasiones, tanto en cuencas agrícolas (Steegen et al., 2000; Ca­salí et al., 2008) como forestales y bajo di-versos ámbitos climáticos (Gallart et al., 2002; Salant et al., 2008).

 

Figura 1-Relación entre las concentraciones de SS y PP a escala de evento.

 

En lo que respecta al P, se advierte que el PP constituye la fracción mayoritaria y re­presenta más de un 80% de la carga de P en todos los eventos (tabla 2), lo que es indica­tivo del importante papel de los sedimentos en el transporte de P en esta cuenca. La fi­gura 1 muestra la relación entre SS y PP pa­ra cada evento. Se observa claramente que, en todos los eventos, existe una relación po­sitiva y significativa entre ambas variables (r²> 0,90; p<0,05). Estas fuertes correlacio­nes evidencian la afinidad del P por las par­tículas.

Las cargas más elevadas de P se obtuvie­ron en los eventos 3 (11,0 kg) y 4 (20,0 kg), durante los cuales se desarrollaron surcos y cárcavas efímeras, como se indicó anterior­mente. Considerando la estrecha relación entre SS y PP, junto con la alta carga de se­dimentos en estos eventos, se podría deducir que los sedimentos aportados por estos ca­nales actuaron como vectores del P exporta­do al arroyo, y por tanto, podría concluirse que, en ambos casos, el P procede princi­palmente de los surcos y cárcavas generados en terrenos de cultivo.

Un hecho que llama la atención es la me-nor exportación de SS y P del evento 2 fren­te al evento 5 (tabla 2), aun cuando el pri­mero generó el doble de escorrentía (tabla 1), tal como se mencionó anteriormente. Es­to podría ser debido a que el evento 2 se produjo a principios de otoño cuando los te­rrenos de cultivo, que son las principales áreas fuente de SS en esta cuenca, todavía mantienen una buena cubierta vegetal, lo que dificulta el arrastre de sedimentos y, por consiguiente de PP al arroyo.

La exportación anual de fósforo referida al año 2005 (0,1 kg/ha año) fue inferior a la encontrada habitualmente en la bibliografía (0,2-6,0 kg/ha año) para cuencas agrofores­tales de Europa (Salvia-Castellví et al., 2005; Hodginkson et al., 2007; Kronvang et al., 2007). Los cinco eventos analizados en este estudio representan aproximadamente el 20% de la carga anual de P, lo que una vez más indica la importante contribución de un pequeño número de eventos a la ex­portación anual, tal como han señalado otros autores (Pionke et al., 2000; Edwards & Withers, 2007).

 

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos en este trabajo revelan que en los eventos estudiados, en general, predomina el flujo base frente a la escorrentía, si bien la carga de SS y P siem­pre es más elevada en esta última, mostran­do la importancia de los episodios de esco­rrentía sobre el arrastre de materiales. Se ob­servaron acusadas diferencias entre eventos, tanto en cuanto a la concentración máxima como a la carga de SS y P. El P está domi­nado por la fracción particulada, la cual mantiene una correlación positiva con los SS, indicando su origen erosivo. Las mayo­res cargas de SS y en consecuencia PP, han ido acompañadas del desarrollo de surcos y cárcavas efímeras en parcelas de cultivo bien conectadas con la red de drenaje, lo que permite considerar a estas áreas como las principales fuentes de SS y P en la cuen­ca del río Corbeira.

La exportación anual de SS y P es relati­vamente baja y está regida por un reducido número de episodios de escorrentía que cau­san erosión del suelo superficial.

 

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido realizado dentro de los proyectos REN2003-08143, financia­do por el MEC y FEDER, y PGIDT04PXIC10309PM financiado por la Xunta de Galicia. Los autores agrade­cen al MEC la concesión de una beca FPI (BES-2004-4927) a ML. Rodríguez-Blanco.

 

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