Introducción

La cuenca del río San Pedro, se ubica en los Estados de Durango, Zacatecas y Nayarit, abarca las provincias fisiográficas Sierra Madre Occidental y la Llanura Costera del Pacífico. La primera, es una de las grandes provincias ígneas silícicas del Cretácico-Cenozoico, donde los principales tipos de rocas son andesíticas, dacítico-riolíticas, ignimbritas y basaltos alcalinos, que yacen sobre un basamento del Precámbrico, Paleozoico y Mesozoico; en su zona centro, todas las rocas son calcialcalinas y su composición varía de diorita a granítica, siendo la granidiorítica la dominante (^{Ferrari et al., 2005}).

La Llanura Costera del Pacífico es un sistema fluvio deltaico formada por sedimentos de los ríos San Pedro, Santiago y Acaponeta y se relaciona con transgresiones marinas durante el Pleistoceno tardío y el Holoceno (^{Curray et al., 1969}). Las rocas que conforman esta llanura son ígneas extrusivas del Terciario, depósitos aluviales y palustres, constituidos por arenas, gravas, limos y arcillas del Cuaternario (^{Ferrari et al., 2005}). Los principales suelos son cambisoles y fluvisoles (^{Bojórquez et al., 2006}).

La Llanura Costera es de gran importancia debido a que tiene una alta actividad agrícola, en el área de estudio 125 856 ha son cultivadas y de las cuales el 85% son de riego, y es donde el agua del río San Pedro se utiliza para el riego de frijol (Phaseolus vulgaris), maíz (Zea mayz), sorgo (Sorghum bicolor L. Moench), tabaco (Nicotiana tabacum L.) y tomatillo (Physalis ixocarpa Brot. ex Horn.). Cuando esta agua se utiliza para tal fin, es importante considerar la calidad, ya que de acuerdo con esta es el manejo que se debe dar para prevenir los problemas que pudieran ocasionar.

Los elementos contenidos en las aguas naturales provienen de la disolución o meteorización de las rocas y suelos, y son transportados por las corrientes superficiales y depositados en los suelos de las partes más bajas, ya sea de manera natural o mediante el riego (^{Can-Chulim et al., 2008}). A partir de la composición iónica del agua, se utilizan diversos criterios, índices o asociaciones, que permiten clasificarlas, evaluar riesgos y determinar su calidad para la agricultura.

Entre estos se encuentra el peligro de salinización y el de sodificación por medio de la relación de adsorción de sodio (RAS) y el porcentaje de sodio intercambiable (PSI), el carbonato de sodio residual (CSR) y otros (^{Mandal et al., 2019}). La mayoría se centra en el contenido de Na⁺, en la concentración de Ca²⁺, Mg²⁺ y en el CO₃ ^2- y HCO₃ ^-. Si la concentración de Na⁺ es alto, el peligro de alcalinización es elevado, esto se magnifica cuando existen altos contenidos de CO₃ ^2- y HCO₃ ^-, por la tendencia que tienen estos iones a formar precipitados con el Ca²⁺ y Mg²⁺, además de quedar en suspensión las sustancias más solubles, entre ellas el Na₂CO₃.

^{Yaron y Tomas (1968)} demostraron que altos contenidos de Na⁺ en el agua de riego elevan considerablemente el PSI y cuando esto sucede declinan las propiedades físicas, químicas y nutricionales del suelo. En este estudio se realizó una clasificación hidrogeoquímica, se evaluó la calidad del agua para riego mediante los índices RAS, PSI, CSR, y el proceso de precipitación de los carbonatos mediante el Índice de saturación del agua del río San Pedro en Nayarit; con el objetivo de evaluar los efectos adversos que puede causar el uso de esta agua en la agricultura.

Materiales y métodos

Diseño de muestreo

Se establecieron nueve sitios de muestreo sobre el cauce del río San Pedro, ubicados en función de la fisiografía, las vías de comunicación y a la zona agrícola de la cuenca. Los sitios fueron El Rosarito (ER), San Pedro Ixcatán (SPI), El Venado (EV), Ruíz (RZ), El Tamarindo (ET), Tuxpan (TUX), El Mezcal (EM), Mexcaltitán (MEX) y Boca de Camichín (BC) (Figura 1).

Figura 1 Sitios de muestreo en el cauce del río San Pedro en Nayarit. 

Se realizaron cuatro muestreos en los meses de octubre 2016, abril 2017, diciembre 2017 y mayo 2018. Cada sitio fue georreferenciado usando un GPS con sistema de coordenadas UTM. Debido a los procesos de formación que afectan a la cuenca, a partir del Rosarito hasta el Mezcal se consideran el primer tramo y son aguas procedentes del cauce natural del río San Pedro. Los sitios Mexcaltitán y Boca de Camichín, por ser una zona de transición entre aguas continentales y aguas de intrusión marina, se consideraron segundo tramo. Se tomaron dos muestras en cada sitio, con recipientes de polietileno de 1 L.

Resultados y discusión

Clasificación hidrogeoquímica. Mediante el diagrama de Piper (Figura 2), MEX y BC se clasifican como cloruradas-sódicas (Cl-Na) y se caracterizan por la intrusión de agua de mar, ya que se encuentran en una zona de transición entre aguas continentales y oceánicas. En los sitios ER al EM, el tipo hidrogeoquímico fue sódico-cálcico-magnésico-bicarbonatadas (Na-Ca-Mg-HCO₃). Según ^{Madrigal-Solís et al. (2017)}, las aguas bicarbonatadas corresponden a agua reciente, que ha tenido poco tiempo de permanencia e interacción con las rocas, esta ausencia de cambios se relacionó con el gradiente altitudinal que no permite largos periodos de contacto con el material geológico.

Figura 2 Clasificación hidrogeoquímica del agua de río San Pedro en Nayarit. 

La composición iónica obedece el siguiente orden: Na⁺ + K⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺; para aniones fue HCO₃ ^- + CO₃ ^2- > Cl^- > SO₄ ^2-, mientras que en MEX y BC fue Cl^- > HCO₃ ^- + CO₃ ^2- > SO₄ ^2- (Cuadro 1). Las bajas concentraciones iónicas se deben al material silicatado que es insoluble. El comportamiento alcalino es ocasionado por las rocas ignimbritas y basaltos alcalinos de la Sierra Madre Occidental. Con base en ^{Vidal-Solano et al. (2005)}, durante el magmatismo postsubducción las ignimbritas en su composición tienen altos contenidos de fierro y álcalis hasta de Na₂O+K₂O= 8-10%, lo cual explica el comportamiento sódico del agua; además, de acuerdo con ^{Aranda-Gómez et al. (2005)}, las rocas basálticas de la SMO son ricas en MgO y SiO₂. Por eso, el Mg²⁺ es de los cationes con mayor contenido.

Régimen físico-químico (pH). Para el tramo ER-EM, en el temporal de lluvias, se obtuvieron aguas de pH neutro a medianamente alcalinos, con valores de 7.3 a 8. En periodo de estiaje el pH fue de medianamente alcalino a fuertemente alcalino, con valores de 7.7 a 8.9. Donde: los resultados más altos se obtuvieron en el cuarto muestreo. Para los sitios de muestreo de MEX y BC, el pH resultó ser de neutro a medianamente alcalino, en MEX el pH_min y pH_max fue de 7.3 y 7.8, y en BC de 7.3 y 7.7 (Cuadro 1).

La mayoría de las sales derivan de una base fuerte como Na⁺, K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺ y un ácido débil como CO₃ ^2- y HCO₃ ^-, de acuerdo a ^{Raviolo y Farré (2017)} la hidrólisis de estas producen disoluciones acuosas básicas, mientras que el NaCl y MgSO₄ derivadas de una base fuerte con un ácido fuerte producen disoluciones neutras. La presencia de Na₂CO₃ proporciona al agua alcalinidad elevada (^{Sen, 2015}), por esta razón el pH del río San Pedro se encuentran por encima de la neutralidad (pH> 7). Los valores normales de pH en el agua de riego van de 6.5 a 8.5, las aguas del río San Pedro en periodo de sequía alcanzaron valores hasta de 8.9, de acuerdo con ^{Hong et al. (2013)} estas tendrán implicaciones sobre la disponibilidad y el manejo de nutrimentos. Si se utilizan para el fertirriego será necesario disminuir el pH entre 5.5 y 6.5.

Conductividad eléctrica. La CE_min y CE_max en el tramo ER-EM fueron de 131 y 367 µS cm^-1, en MEX fue de 2 530 y 16 330 µS cm^-1, y en BC de 23 605 y 43 820 µS cm^-1. Al concluir el temporal de lluvias, las aguas del tramo ER-EM se clasificaron como C1; sin embargo, en periodo de sequía, solo RZ siguió clasificada como C1, los demás sitios se clasificaron como C2. MEX se clasificó en los muestreos 1, 2 y 3 como C4, en el muestreo 4 al igual que todas las muestras de BC se clasificaron como C5 (Cuadro 1). Las aguas clasificadas como C1, pueden usarse para la mayoría de los cultivos, en casi cualquier tipo de suelo con muy poca probabilidad que se desarrolle salinidad. Las aguas denominadas C2 pueden usarse siempre y cuando haya un grado moderado de lavado, en casi todos los casos no se necesitan prácticas especiales de control de la salinidad. El agua del río San Pedro en función de su CE puede utilizarse para el riego desde ER hasta EM. Para CE> 3 000 µS cm^-1 el grado de restricción es severo (^{Castellón-Gómez et al., 2015}), esta situación se presenta para MEX y BC, por eso no se recomienda para el riego.

Contenido de sodio. Los valores de RAS_or, RAS° y RAS_aj fueron menores a 1.6 en las muestras del tramo ER-EM, y se clasificaron como S1, tanto en el temporal de lluvias como en el de sequía. Pueden usarse para el riego en la mayoría de los suelos con poca probabilidad de alcanzar niveles peligrosos de sodio intercambiable. Con la RAS_or MEX se clasificó como S3 en los muestreos 1, 2 y 3, mientras que en el muestreo 4, así como en todas las muestras de BC se clasificaron como S4. Con la RAS_aj, MEX y BC fueron S4 en los cuatro muestreos (Cuadro 2). Las aguas S3 y S4, son inadecuadas para uso agrícola, de acuerdo con ^{Richards (1990)}; ^{Mandal et al. (2019)} pueden producir niveles tóxicos de sodio intercambiable en los suelos y provocar problemas de infiltración, dispersión de las partículas y pérdida de la estructura.

Se calculó la fuerza iónica para determinar el pHc implícito en la RASaj. La fórmula para determinar el coeficiente de actividad de cualquier ion en una solución es la de Debye-Hückel: -logγi= 0.51Zi2I1/2 , siendo la fuerza iónica (I) la única variable I=12∑CiZi2 . De acuerdo con la correlación entre la CE y la I, esta última puede ser determinada a partir de la CE de cualquier solución en su relación funcional I= αf(CE) , donde α es una constante que depende de la composición iónica de las soluciones salinas, y CE es la conductividad eléctrica experimental.

En la Figura 3 se muestra la relación experimental I= αf(CE) de las aguas del río San Pedro (a) para el tramo ER-EM con baja conductividad eléctrica y, (b) para el tramo MEX-BC, aguas con alta conductividad eléctrica. El valor de α para las aguas con baja CE fue α= 0.0129 y para las de alta CE fue α= 0.011. Estas constantes pueden ser utilizadas para aguas con baja y alta CE, no obstante, la I es única para una composición determinada, el valor de esta depende de la concentración de cada componente iónico y de su respectiva valencia.

Figura 3 Relación funcional de la fuerza iónica con la conductividad eléctrica del agua del río San Pedro, Nayarit (a) ER-EM; y (b) MEX-BC. 

^{Leffelaar et al. (1983)} en 50 extractos a saturación de varios perfiles de suelos, obtuvieron un coeficiente de α= 0.0144 y ^{López-García et al. (2016)} en aguas residuales obtuvieron un α= 0.0116. Estos coeficientes de actividad resultaron similares a los determinados en el agua del río San Pedro, por lo tanto, con la CE es suficiente para obtener una fuerza iónica con alto grado de aproximación.

Porcentaje de sodio intercambiable. De acuerdo con las constantes de selectividad de Gapon utilizadas y las diferentes conceptualizaciones de RAS, se obtuvo el PSI_min y PSI_max de las aguas del río San Pedro. Para el tramo ER-EM con baja CE los valores máximos de PSI, que pueden alcanzar las aguas del río al ser aplicadas en los suelos, resultaron por debajo de 3%. Mexcaltitán con las diferentes RAS su PSI fue de 13.3 a 51.8% y BC de 35.7 a 73.1%. En el Cuadro 2 se presentan las medias del PSI para cada sitio de muestreo. Las sales predominantes del agua del río San Pedro son los bicarbonatos de sodio, calcio y magnesio, seguidos del NaCl, y cuando existen los procesos de evaporación aparece el carbonato de sodio.

De acuerdo a ^{López-García et al. (2016)}, debido a la alta solubilidad de las sales de sodio, estas se encuentran disueltas aún en condiciones de evaporación, y el sistema CO₃ ^2--HCO₃ ^- podría convertirse en CaMg(CO₃)₂, lo que aumenta la concentración del sodio en las soluciones y a su vez el PSI. ^{Elbashier et al. (2016)} mencionaron que el PSI del suelo y la RAS son aproximadamente iguales. En la Figura 4 se muestra la relación PSI-RAS para las distintas formulaciones de RAS de las aguas del río San Pedro. Se observa que las variaciones del PSI en los suelos dependen de los valores de K_G, si se analiza la relación KG=RSIRAS , la relación de sodio intercambiable RSI=SI(CIC-SI) , esta en función del sodio intercambiable (SI) y de la capacidad de intercambio catiónico (CIC), y esta última, a su vez depende del contenido de arcillas, o bien, de la textura del suelo.

Por lo tanto, al incrementar la RAS, la magnitud del aumento del PSI estará en función de la textura, tal como se muestra en la Figura 4, donde el PSI_max corresponde a un suelo arcilloso, mientras que el PSI_min a un suelo areno-arcillo-limoso.

Figura 4 Relación PSI-RAS del agua del río San Pedro en Nayarit. 

Los valores de PSI que pueden alcanzar las aguas del río San Pedro del tramo ER-EM no presentan riesgo para la aplicación en los suelos; sin embargo, ^{Castellanos et al. (2000)}, mencionan que algunos suelos pueden presentar problemas de permeabilidad desde 5% de sodio intercambiable, en especial si son arcillosos. La zona agrícola de la cuenca del río San Pedro se caracteriza por tener suelos cambisol y fluvisol de textura gruesa a media (^{Bojórquez et al., 2006}) por lo tanto, el PSI será menor al PSI_max calculado. En la práctica, los valores de PSI reales en suelo comúnmente resultan ser mayores a los calculados por medio de fórmulas, esto se debe a que la solución del suelo casi siempre posee mayor concentración de sodio que el agua de riego.

Carbonato de sodio residual. El CSR indica que los sitios ER al EM y MEX en los muestreos 1, 3 y 4 se clasificaron como agua de buena calidad (<1.25). En el muestreo 2, MEX se clasifica como condicionada; BC en los cuatro muestreos se clasificó como no recomendable (Cuadro 2). Los valores positivos indican que existe mayor contenido de CO₃ ^2- y HCO₃ ^- que Ca²⁺ y Mg²⁺; sin embargo, esta diferencia no fue significativa para restringir el uso de estas aguas para el riego. En periodo de sequía se obtuvieron valores más elevados que en el de lluvias, esto es porque los caudales se reducen y las concentraciones de Ca²⁺ y Mg²⁺ por tener menor solubilidad que las sales de Na⁺, precipitan en forma de carbonatos. ^{Dhembare (2012)} menciona que cuando se obtienen valores negativos se deben a que el Ca²⁺ y Mg²⁺ no precipitan y permanecen en solución. ^{Castellón-Gómez et al. (2015)} mencionan que las aguas con altos valores de CSR no son riesgosas si se utilizan en fertirriego, ya que los CO₃ ^2- y HCO₃ ^- pueden ser destruidos mediante la adición de ácidos.

Índice de saturación (IS). En el temporal de lluvias para los sitios ER al EM se obtuvieron valores negativos, lo que indica que las aguas del río San Pedro al ser aplicadas en el riego disolverán CaCO₃ del suelo. En periodo de sequía, en el segundo muestreo, en los sitios ER, SPI y EV el agua mostró una tendencia a precipitar CaCO₃ en el suelo, esto sucedió también en el muestreo 4 desde ER hasta ET, los demás sitios obtuvieron valores negativos. En las aguas de MEX y BC, se obtuvieron valores positivos, a excepción de MEX en el muestreo 1 (Cuadro 2).

La predominancia de bicarbonatos en las aguas del río San Pedro sugiere cierto peligro para ser utilizadas para el riego. De acuerdo con ^{Hannam et al. (2019)}, las aguas con elevadas concentraciones de HCO₃ ^-, tienden a precipitar el calcio en forma de carbonatos, a medida que se concentra la solución del suelo. Con base a la solubilidad de las sales de CO₃ ^2- y HCO₃ ^-, que pueden formarse con los cationes mayoritarios en el agua, el CaCO₃ será el primero en precipitar, seguido del MgCO₃, procesos que ocurren de manera general a pH> 8.2, por lo que al aplicar el riego con aguas con este pH habrá precipitados. El IS indica que en el temporal de lluvias las aguas del río San Pedro disolverán calcita del suelo, no obstante, en el proceso de evaporación, los CO₃ ^2- y HCO₃ ^- tenderán a precipitar, tal como en el periodo de sequía. ^{López-García et al. (2016)}, mencionan que la precipitación de la calcita ocasiona que el Ca²⁺ deje de participar en el complejo de intercambio, y tome mayor participación el Na⁺. La presencia del Na⁺ en el complejo de intercambio catiónico influye de manera determinante en las propiedades fisicoquímicas del suelo, ya que alto contenido de este ion en el agua eleva considerablemente el PSI y este a su vez el pH.

Conclusiones

El agua del río San Pedro en Nayarit del tramo El Rosarito (ER) hasta El Mezcal (EM) fue de tipo sódico-cálcico-magnésico-bicarbonatada y presentan mayor alcalinidad (pH> 7); son de baja conductividad eléctrica por el poco tiempo de permanencia, la insolubilidad de los minerales silicatados de la Sierra Madre Occidental y la ausencia de fuentes de contaminación significativas; son de buena calidad para el riego de cultivos. En el tramo MEX-BC fue clorurada-sódica por la mezcla con el agua de intrusión marina y no son aptas para su uso agrícola.

El CSR y el índice de saturación indican que estas aguas tienden a precipitar CaCO₃ cuando ocurre el proceso de evaporación y en la temporada de sequía. Los suelos agrícolas del área están formados por sedimentos aluviales del río San Pedro, por lo tanto, en longitud de tiempo geológico-histórico los perfiles pedogeoquímicos de los suelos se enriquecen de manera constante con calcita microscópica.