Área de Estudio

El área de estudio se localizó entre los 24° 10’ y 25° 56’ N y 101° 16’ y 104° 41’ O (Figura 1), a una altitud de 1170 m. El clima es un Bw (h’) hw (e) (^{García, 1988}), que corresponde a un clima desértico seco con lluvias en verano y variabilidad extrema. La precipitación total anual promedio es 250 mm, concentrada principalmente en los meses de junio a septiembre. Esta precipitación contrasta con la evaporación total anual promedio de 2400 mm (^{García, 1988}). Los municipios que se consideraron para la investigación en la región Lagunera de Coahuila fueron Francisco I. Madero, San Pedro y Torreón, debido a que en estas áreas se han reportado las mayores concentraciones de arsénico en aguas subterráneas (^{Rosas et al., 1999}).

Figura 1 Área de estudio y ubicación de los diferentes sitios de los pozos pedológicos. 

Metodología

El trabajo se dividió en cuatro etapas: 1) selección de sitios de muestreo y caracterización de suelos, 2) determinaciones en laboratorio, 3) determinación de As inicial y dinámica del As en el suelo y 4) análisis estadístico de los resultados.

Selección de sitios de muestreo y caracterización de suelos. Cuatro sitios dentro del área que ocupan los municipios de Francisco I. Madero, San Pedro y Torreón, fueron seleccionados tomando como base el mapa de clases de suelo de ^{Segura et al. (2012)}, siendo la condición principal, que se trataran de suelos agrícolas. Una vez seleccionados los sitios, un pozo pedológico fue excavado en cada uno de ellos, con el fin de caracterizar a los suelos en campo (^{Soil Survey Division Staff, 1993}). Muestras de suelo (2 kg, aproximadamente) de cada horizonte fueron colectadas y analizadas para determinar sus características físicas y químicas con propósitos de clasificación. Los suelos fueron clasificados de acuerdo a la Base de Referencia Mundial del Recurso Suelo (siglas en ingles WRB) (^{IUSS Working Group WRB, 2006}). En cada sitio, se obtuvieron tres columnas de suelo de cada perfil (suelo inalterado), mediante tubos de PVC de cuatro pulgadas de diámetro y una longitud de 90 cm, con el fin de evaluar la dinámica del As.

Determinaciones en laboratorio. Las muestras de suelo, secas a la sombra y a temperatura ambiente, fueron molidas y tamizadas (con malla de 2 mm de Ø). Las determinaciones físicas y químicas de las muestras estuvieron basadas en la Norma Oficial Mexicana NOM-021-RECNAT-2000 (^{SEMARNAT, 2002}) para fines de clasificación de suelos. Las características que se obtuvieron fueron color, tamaño de partículas, densidad aparente, contenido de materia orgánica, pH, conductividad eléctrica, capacidad de intercambio catiónico, cationes intercambiables y solubles, carbonatos y contenido de pentóxido de fósforo (P₂O₅). El arsénico inicial se determinó en los suelos de cada sitio y de sus respectivos horizontes, por el método de espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros, a 525 nm del complejo As-(dietilditiocarbamato), que se forma a partir de AsH3 (arsina), obtenida después de la reducción del arsénico en una solución de Zn (^{SEMARNAT, 2007}; Litter et al., 2009; ^{Iliná et al., 2009}). De cada horizonte se realizaron cuatro repeticiones. Aparte, se obtuvo la concentración de arsénico disponible en los horizontes después de agregar una solución fosfatada a una muestra de suelo y así obtener, previo análisis inicial, la desorción de arsénico con respecto al tiempo de reacción. Para esta etapa se utilizaron 2.5 g de suelo, seco y tamizado, que se colocaron en una bolsa de plástico de 100 cm³ de capacidad, cada muestra se hizo por triplicado. Enseguida se agregó una solución fosfatada (0.25 ml), cuya fuente fue fosfato de amonio, su concentración de 200 mg L^-1; la muestra de suelo con solución se llevó a capacidad de campo con agua destilada. Asimismo, a una muestra sólo se le agregó agua (como testigo). La bolsa con el suelo húmedo se introdujo en un tubo de ensayo de 100 cm³ y se incubó a 30 °C durante 24 h, similar a la metodología que utilizó ^{Rodríguez (1993}) para el caso del fósforo, pero con la modificación que después de cada tiempo de incubación, a la muestra correspondiente, se le determinó el arsénico liberado a la solución del suelo.

Dinámica del As en el suelo. Esta etapa consistió en agregar a cada tubo de PVC, con suelo inalterado una solución fosfatada con una concentración de 200 mg L^-1, similar a la del paso anterior, a manera de fertilizante. Cabe aclarar que no se consideró un testigo, puesto que se tomarían como base los resultados de Arsénico inicial que se obtuvieron en el paso anterior. Posteriormente, a cada tubo se le aplicó una lámina de agua de 80 cm, que correspondió a la lámina de riego de un cultivo de la región. La lámina se dividió en tres aplicaciones en fechas diferentes (cada 30 días), en un lapso de noventa días. Transcurrido el tiempo, veinte días después, los tubos fueron cortados, respetando los diferentes espesores de los horizontes de cada suelo. Al suelo de cada horizonte se le determinó el As disponible (para nuestro caso final) para establecer el movimiento del arsénico dentro del perfil de suelo.

Análisis estadístico de los resultados. Los datos obtenidos se analizaron mediante un análisis de varianza y una prueba de medias de Tukey (P ≤ 0.05) y regresiones entre los resultados con el programa estadístico Minitab16 (Minitab Inc., State college, PA, USA).

Caracterización de los Suelo

Los sitios que se seleccionaron en el área de estudio corresponden a cuatro clases de suelo (Cuadro 1). El relieve donde se encuentran es plano con pendiente entre 1 y 2%, sin microrelieves aparentes.

^† Letras distintas en la misma columna de arsénico indican diferencias significativas, según la prueba de Tukey (P ≤ 0.05); DMS = diferencia mínima significativa; WRB = Base Referencial Mundial de Suelos.

Cuadro 1 Clasificación de los suelos del área de estudio y contenidos de arsénico (As) disponible inicial y final (después de agregar una solución fosfatada 200 mg L^-1 e incubar) en el horizonte superficial (0-30 cm). 

Morfología del Suelo

Los suelos presentaron de seis a nueve capas u horizontes de suelo mineral, cuya transición es horizontal y marcada, debido a los cambios en textura y estructura. No se detectaron indicios de procesos pedogenéticos; lo que es, de acuerdo con ^{Pape y Lagger (1994)}, indicativo de un escaso o nulo desarrollo del suelo. En términos generales, la capa superficial de estos suelos presentan colores pardos 10YR 6/3 en seco y de pardo amarillentos 10YR 4/4 a pardo grisáceo oscuro 10YR 4/2 en húmedo. Un factor que puede influir en el color, es el material parental y las condiciones de aridez (^{Brady y Weil, 1999}) que prevalecen en la región. En la capa superficial y en algunos estratos u horizontes subsuperficiales la textura es franco arcillo arenosa, y en otros son francas, francas arenosas o franco limosas, ninguno presentó revestimientos laminares, lo que permite inferir el escaso movimiento de partículas por acción del agua. La presencia de arcilla en estos estratos actúa de manera aglutinante dando estabilidad al suelo (^{Sumner, 2000}).

Estos suelos presentan texturas medias, cuentan con macroporos y microporos, dando como resultado un buen drenaje y aereación (^{Verdonck y Demeyer, 2004}). La reacción que se produjo al agregar H₂O₂ fue lenta y fuerte (burbujas de 3 a 5 mm de Ø), pero conforme se incrementaba la profundidad del perfil la efervescencia disminuyó (reacción lenta y débil), lo cual es un indicativo de las condiciones hidromórficas (^{Stoops, 2010}) a las que estuvieron sometidos los suelos de la región. El suelo de los horizontes del perfil del ejido La Concha, tuvo una reacción rápida y fuerte cuando se agregó acido clorhídrico, situación que denota la presencia de carbonatos de calcio (^{Soil Suvey Division Staff, 1993}). La horizonación que los suelos presentan en este estudio fue Ap-Ak-Ck-Ck₂-Ck₃-Ck₄ (ejido La Concha), Ap-A-C-C₂-C₃-C₄ (ejido Huitrón, Fresno y Sofía), lo que refleja que estos suelos se formaron por diferentes eventos de depósito de materiales (^{Pape y Lagger, 1994}).

Características físicas y químicas de los suelos. Los suelos del área de estudio presentaron clases texturales en las que dominan los francos, aunque en combinaciones de franco arenoso, franco arcillo arenoso y franco limosa. Sin embargo, la distribución del tamaño de partículas entre capas no presentó una secuencia en relación con la profundidad. ^{De Paepe (1991)} reporta que los procesos de sedimentación difíciles de definir se conocen como camas corrientes o laminación cruzada, las cuales se pueden formar por la acción del agua o el viento, lo que tiene relación con el modo de formación de estos suelos. La densidad aparente (Da) varía en promedio de 1.12 a 1.69 g cm^-3, valores que se encuentran dentro del intervalo de suelos no compactados (^{Porta et al., 2003}); suelos que corresponden a texturas franca finas y arenosas.

El contenido de materia orgánica (MO) fue bajo (0.20-2.023%) y decrece irregularmente con la profundidad. De acuerdo a los contenidos de MO que establece ^{Sumner (2000)}, los valores de MO de esta investigación son pobres, lo cual refleja la escasa o nula aplicación de MO en forma de estiércol o abonos. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) varia de media (20 cmol₍₊₎ kg^-1) a baja (14.20 cmol₍₊₎ kg^-1) (^{SEMARNAT, 2002}). Los horizontes subsuperficiales presentan una CIC de 17.4 cmol₍₊₎ kg^-1. El catión más abundante es el calcio (9.8 a 22.17 cmol₍₊₎ kg^-1), mientras que el magnesio (0.16 a 1.72 cmol₍₊₎ kg^-1), potasio (0.35 a 3.37 cmol₍₊₎ kg^-1) y sodio (0.23 a 2.27 cmol₍₊₎ kg^-1) se encuentran en cantidades bajas. Por ello la saturación de bases es de 100 %. Lo anterior está relacionado con el bajo número de cargas que estos suelos presentan y que se saturan rápidamente con los pocos cationes presentes.

Clasificación de los suelos. Los suelos se clasificaron como Fluvisoles (Cuadro 1), dentro de tres diferentes subunidades (Fluvisoles cálci-arídicos, Fluvisoles aridi-háplicos y Fluvisoles eutri-háplicos) (^{IUSS Working Group WRB, 2006}), lo que refleja como características importantes que están formados por sedimentos aluviales de texturas finas y se encuentran en zonas con pendientes generalmente suaves.

El arsénico en los suelos. La capa superficial de los suelos en estudio (0-30 cm de profundidad), presentan contenidos de arsénico disponibles bajos, que no se consideran como contaminantes (Cuadro 1), de acuerdo a lo que establece la NOM-147-SEMARNAT/ SSA1-2004 (^{SEMARNAT, 2007}) para este metaloide. Aunque, después de agregar una solución fosfatada a estos suelos, la cantidad de As se incrementó de manera diferente en cada uno de los suelos. No obstante, estos resultados son menores que los 22 mg kg^-1, de arsénico en el suelo que indica la NOM-147-SEMARNAT/ SSA1-2004 (^{SEMARNAT, 2007}), y que los 20 mg kg^-1 para suelos en otros países (^{ARSLAND, 2006}), como valores máximos permisibles para la salud humana en suelos agrícolas.

Por otra parte, cuando se agregó fósforo a los diferentes suelos en estudio, la concentración de As se incrementó en proporciones que varían de 33 a 662%, comportamiento similar fue reportado por ^{Álvarez-Benedí et al. (2003)}. El mayor porcentaje de incremento de As se alcanzó en el suelo de la Concha (662%), lugar donde se tuvo el menor contenido disponible inicial de este metaloide (0.64 mg kg^-1); donde a su vez, se han reportado concentraciones altas de As en pozos de agua (^{Rosas et al., 1999}). Situación similar a lo establecido por ^{Álvarez-Benedí et al. (2003)}, quienes indican que en zonas con suelos de concentraciones bajas de As, las aguas del subsuelo presentan niveles altos de este metaloide, estableciendo una relación presencia-ausencia. Por otra parte, diferentes investigadores demostraron que las partículas de suelo influyen en la movilidad del arsénico dentro del suelo (^{Smith et al., 2002}; ^{Bissen y Frimmel, 2003}) y, por lo tanto, en su disponibilidad en el sistema agua-suelo-planta (^{Zhao et al., 2009}), lo cual se podría reflejar en las concentraciones de As en las aguas subterráneas. En función de lo anterior, es probable que la presencia de arsénico en los suelos, esté en función de la subunidad en la que se encuentre, si se considera que a nivel de subunidad, características químicas o mineralógicas de los horizontes del suelo determinan su pertenencia a algún nivel jerárquico dentro del sistema de clasificación (^{IUSS Working Group WRB, 2006}). El Fluvisol calci-arídico (FLccad) tiene horizontes con concentraciones (de 11.3 a 14.5 %) de carbonato secundario o CaCO₃; aparte, presenta la mayor cantidad del ión calcio (22.17 cmol₍₊₎ kg^-1). Estas características también podrían estar influyendo en la existencia de arsénico en este suelo. ^{García et al. (2010)} indican que la presencia de arsénico se relaciona con la existencia de calcio en el suelo, puesto que el ión arseniato tiende a reaccionar con los iones calcio y formar arseniato de calcio (^{Navarro et al., 2004}). A diferencia del Fluvisol aridi-háplico (FLadha) donde no se presenta acumulación de calcio, sino que otra característica edáfica como el tipo de arcillas podría estar influyendo en la sorción y desorción del As (^{Bissen y Frimmel, 2003}); ya que en los sitios de intercambio de los minerales secundarios se pueden adsorber los iones arseniatos (^{Smith et al., 2002}).

Dinámica del arsénico en el perfil de suelo. El incremento de arsénico (Cuadro 2), a través del perfil de los suelos que se estudiaron, fue diferente para cada uno de ellos, sin detectarse ninguna tendencia con la profundidad o el tamaño de las partículas de cada una de las capas.

^† Letras distintas en la misma columna de arsénico indican diferencias significativas, según la prueba de Tukey (P ≤ 0.05); FLccad = Fluvisol calci-arídico; FLadha = Fluvisol aridi-háplico; FLeuha^‡ = Fluvisol eutri-háplico Fresno norte; FLeuha^§ = Fluvisol eutri-háplico Sofía de Arriba; DMS = diferencia mínima significativa; A = arena; L = limo; R = arcilla.

Cuadro 2 Arsénico (As) disponible en suelo de los diferentes horizontes de cada sitio. 

De acuerdo con los resultados, existió un aumento en la concentración de As del primer horizonte al segundo en la mayoría de los suelos (a excepción de Fresno del Norte) (Cuadro 2), aunque al relacionar el contenido de As con la profundidad y los diferentes tamaños de partículas, no se explica el comportamiento (R² < 0.5563) de este metaloide. En cambio, cuando se relacionan estos resultados con el P disponible en cada capa, se observa una tendencia positiva, pero con un R² menor que 0.1059; a manera de ejemplo se muestra el caso del suelo de la Concha (Figura 2). Si se considera a la solución fosfatada que se agregó al suelo, de 200 mg L^-1, se tiene que al reaccionar el fósforo con las partículas del suelo, el arsénico se libera de los sitios de intercambio, como lo establecen ^{Peryea (1998)}, ^{Álvarez-Benedí et al. (2003)} y ^{Pigna et al. (2010)}, situación que no se detecta cuando se agregó agua únicamente (testigo) donde la concentración de As fue similar a la inicial. Por ello en las primeras capas la concentración de fósforo disminuye y se incrementa el arsénico; mientras que conforme aumenta la profundidad las concentraciones de uno y otro elemento se reducen y estabilizan por las diferentes reacciones de adsorción y desorción que se presentan (^{Violante y Pigna, 2002}). La diferencia en el comportamiento del As a través del perfil puede deberse a la diferencia en la mineralogía de las diferentes capas que constituyen los suelos (^{Bissen y Frimmel, 2003}). Aunque estos suelos son de origen aluvial y los horizontes tuvieron el mismo modo de formación, es necesario realizar estudios de su mineralogía para entender mejor el comportamiento de este metaloide (^{Smedley y Kinnibugh, 2002}).

Figura 2 Relación entre arsénico disponible y el fósforo disponible en el suelo de la Concha, Coahuila.