Modelo de simulación para el movimiento de productos químicos en el suelo

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RE VISTA ICA, Vol. 23, Julio - Septiembre 1988 
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MODELO DE SIMULACION PARA EL MOVIMIENTO DE PRODUCTOS QUIMICOS EN 
EL SUELO 
Joaquin Sanabria Rodriguez* 
RESUMEN 
En este trabajo se presenta tin modelo de simulación con sus bases matemáticas, 
supuestos y limitaciones, lo mismo que su solución utilizando el microcomputador. 
Se ilustra mediante graficas el efecto de las propiedades quimicas del producto, de 
las propiedades del suelo y de factores climáticos sobre el movimiento de agroqul-
micos a través del suelo. El modelo puede ser usado para tomar importantes deci-
siones relacionadas con Ia efectividad de los productos y con el impacto ambiental 
de los agroquimicos dada su potencialidad contaminante de aguas subterrãneas y 
superficiales. 
Palabras Claves Adicionales: Supuestos y limitaciones, efectividad, impacto ambiental, 
agroqulmicos, contarninantes, aguas subterráneas y superficiales. 
ABSTRACT 
Simulation Model for Movement of Chemical Products in the Soil 
This paper presents a simulation model with its mathematical basis, assumptions 
and limitations, and its solution by the microcomputer. It is ilustrated by graphs the 
impact of chemical properties, soil properties and climatic factors overthe movement 
of chemicals in soils. The model may be used to make decisions related with the 
product efficiency and with the environmental impact of agrochemicals, given their 
potencial contaminant effect for ground and superficial waters. 
Additional Index Words: Assumptions and limitations, efficiency, environmental impact, 
agrochemicals, contaminants ground and superficial waters. 
* 	l.A., M.S. Sección de Estadistica y Biometria. ICA. CNI Tibaitatá. A.A. 151123 Eldorado-Bogota, Colom- 
bia. 
250 
SANABRIA R., J. Modelo simulación para agroquImicos en el suelo. 
El empleo de agroquImicos es uno de los 
grandes adelantos del siglo veinte que ha permi-
tido el control de plagas, malezas, roedores y 
enfermedades en Ia agricultura moderna; por otra 
parte, el uso de pesticidas ha sido determinante 
en el combate de enfermedades humanas tales 
como Ia malaria, Ia fiebre amarilla y el tifo. Desa-
fortunadamente los agroquimicos se han venido 
convirtiendo en elementos deterioradores del me-
dio ambiente, en virtud del uso irracional que de 
ellos hace el hombre, al desconocer su compor-
tamiento en el suelo. 
La mayoria de los pesticidas se descomponen 
o degradan con el tiempo como resultado de reac-
ciones qulmicas y microbiolOgicas en el suelo. 
Generalmente Ia descomposiciôn quimica es par-
cial, mientras que los microorganismos del suelo 
descomponen completamente muchos pesticidas 
produciendo dioxido de carbono, agua y otros pro-
ductos inorgánicos. El tiempo de degradación es 
medido en unidades de "vida-media", que es el 
nümero de dias requeridos para desactivar Ia mi-
tad del producto inicialmente utilizado (2). 
Una medida de Ia solubilidad del producto qui-
mico es el coeficiente de particiOn (C.P.), definido 
como Ia relaciOn entre Ia concentración del pesti-
cida unido a las particulas sólidas del suelo y ia 
concentraciOn de Ia sustancia en Ia soluciOn del 
suelo. De esta forma, para una cantidad dada de 
pesticida aplicado entre más pequeno sea el OP, 
mayor será su concentraciôn en Ia soluciOn del 
suelo. Pesticidas con pequenos CP son más pro-
babIes de ser lixiviados que aquellos con CF gran-
des (2). 
La profundidad a Ia cual el quimico es traslo-
cado en el suelo depende de factores relaciona-
dos con el suelo, el producto quimico y el clima. 
Del suelo, los factores más influyentes son el pH, 
a densidad aparente, los contenidos de humedad 
a capacidad de campo y punto de march itez per-
manente y el contenido de carbono organico. Del 
producto quimico, Ia solubilidad y persistencia 
medidos como coeficientes de particiOn y vida 
media, respectivamente; y del clima, Ia precipita-
cion y evapotranspiración diarias. Además, es de 
particular importancia Ia profundidad radicular (2). 
Debido al gran nUmero de pesticidas, suelos 
y climas de interés un modelo de simulaciOn es 
de particular utilidad para iIustra Ia influencia de 
los factores envueltos en el proceso. El presente 
trabajo busca, además de ilustrar el modelo de 
computaciOn y analizar el efecto de los factores 
participantes baja condiciones colombianas, pre-
sentar las bases matemáticas del modelo, sus 
supuestos y sus limitaciones. 
MATERIALES V METODOS 
Descripción del Modelo 
El modelo usado para estimar Ia posiciOn del 
quimico en el suelo es una modificaciôn del usado 
por Rao, Davidson y Hammond (1), en el cual se 
asume que los productos qulmicos se mueven 
sOlo en Ia fase liquida del suelo en respuesta al 
movimiento del agua del suelo. En el presente 
modelo se involucra Ia fase sOlida del suelo con 
el concepto de coeticientes de particiOn. Las pro-
piedades del suelo dentro de cada horizonte pue-
den cambiar, pero aqul son asumidas como uni-
formes dentro de cada horizonte. 
Sea d, Ia profundidad del frente del soluto, I 
dias después de Ia aplicaciOn del producto en Ia 
superficie del suelo. Sean I, y Et,, respectivamen-
te, Ia cantidad de agua que infiltra a través de Ia 
superficie del suelo y el potencial de evapotrans-
piraciOn en el dIa I. 
La profundidad del frente del soluto al co-
mienzo del dia i + 1 es dada por: 
q,, 
1 = d, + -cuandoq. 0 
Re 
(1) 
d,,1 d, 	siq0 
Donde q, es Ia cantidad de agua que pasa Ia 
profundidad d,; 0 es el contenido volumétrico de 
agua del suelo a capacidad de campo, y A es el 
factor de retardaciOn para el quimico en el suelo 
(2). 
Asumiendo un modelo lineal de adsorciOn, el 
factor de retardaciOn es dado por: 
(pkD) 
R=1+ 	 (2) 
OCC 
Donde p es Ia densidad aparente del suelo, y 
kDes el coeficiente de sorciOn lineal o el coefi-
ciente de particiOn del quimico en el suelo. El 
coeficiente de particiOn para un compuesto orgá- 
251 
RE VISTA ICA, Vol. 23, Julio - Septiembre 1988 
nico particular, dividido par el contenido de car-
bano organico de ese suelo, es casi constante 
para un arnplia rango de suelos (1, 2). 
Por tanto, en este modelo el coeficiente de 
particiOn está dado par: 
	
kd = k0000 	 (3) 
Donde k 0 es el coeficiente de sorciOn lineal 
dependiente del contenido de carbono orgánico 
(CO) en el suelo. El uso de k 0, como se define 
en la ecuaciOn (3). es aplicable sOlo a compuestos 
orgánicos no polares. 
La mayor parte de la computaciOn en el mo-
delo es dirigida a la determinaciOn de q, en la 
ecuaciOn (1). Usando valores conocidos de l,y 
ET,, como se describe a continuaciOn: 
Considere un suelo con el frente del soluto a 
una profundidad d,. Debido a Ia evapotranspira-
ciOn, el contenido de agua en el suelo en la zona 
radicular puede ser inferior a 0, Cuando un 
evento de infiltraciOn ocurre, una parte del agua 
es empleada en el incremento del contenido de 
humedad del suelo par encima del frente del so- 
luto hasta 	El exceso de agua (silo hay) con- 
tribuye al movimientodescendente del frente del 
soluto. Asi: 
q, 	j, 
	
= das 	 (4) 
Donde das es el deficit de agua en el suelo 
par encima de a profundidad d, del frente del 
soluto. El deficit de agua en el suelo es dada par: 
das = [0 - Opi] d,. 	si d, < dr 
(5) 
d 5 [Occ Opi}dr, 	 sid:;d, 
Donde d, es Ia profundidad de la zona radicular 
y 0J es el contenido promedio de agua por encima 
de Ia profundidad d,, si d, <d,, a par encima de 
d,, si d, > d,. Si q, en Ia ecuación 4 es mayor que 
cero, OpI es incrementado hasta 0. Si q, es menor 
a igual a cero, Ia profundidad del soluto no cambia 
(d, 	= d,). De otro lada, el ingresa de agua 
incrementa el contenido de agua 8 de la siguiente 
forma: 
e,= 0 - 	 ,sid, .d, 
d, 
Op = °pl 	
d 	
SI d1 > d, 
Con respecta a evapatranspiración en el mo-
delo, el contenido de agua, 0pl, definido en (6), 
es calculado para cada dia. Además, durante el 
tiempa en el cual el frente del soluto está en Ia 
zona radicular (d, 	dr), un segundo contenido 
promedio de agua. 022, es calculado para el suelo 
entre Ia profundidad del soluto y Ia maxima profun-
didad radicular. Si O - 0)2, los dos contenidos 
de agua decrecen juntas para reunir Ia deinanda 
de evapotranspiraciOn. En este casa: 
(7) 
Si Op 	Opp, entonces 0, decrece para reunir 
toda Ia demanda de ET hasta que e1,, = 0; en 
este punto Ia resultante ET es removida uniforme-
mente de Ia zona radicular completa. El contenido 
de agua en Ia zona radicular no debe bajar más 
allá del punta de marchitez permanente. 
Supuestos del Modelo 
- El suelo es homogéneo. El modelo no es el más 
adecuado para describir movimiento en suelos 
que contienen diferentes capas con diferentes 
contenidos de materia orgánica, texturas, a di-
ferentes distribuciones de tamaños de paros. 
- Toda el agua contenida en Ia porosidad del 
suelo participa en el transparte. El agua inicial-
mente presente en el suelo es completamente 
desplazada par el agua que Va entrando en el 
suelo. Este supuesto es razonable para mu-
chas suelos de acuerdo con Ia encontrado par 
Rao et al (1) en varias investigaciones. Si parte 
del agua presente en el suelo es sobrepasada 
durante el flujo del agua que transporta el pesti-
cida, este modelo estaria subestimando Ia 
profundidad del qu imica. 
252 
SANABRIA R., J. Modelo simulaciOn para agroquImicos en el suelo. 
El agua que entra al suelo se distribuye instan-
táneamente hasta capacidad de campo. Este 
supuesto se cumple en forma muy aproximada 
en suelos arenosos. Si el agua se distribuye 
más lentamente en suelos de textura fina, las 
profundidades aqul estimadas deberian ser 
ajustadas en varios dias más tarde que los es-
pecificados por el modelo. 
El agua es removida, en primera instancia, de 
Ia parte más hümeda de Ia zona radicular por 
evapotranspiración. Cuando el contenido de 
agua es uniforme en la zona radicular, Ia per-
dida de agua es uniforme a todas las profundi-
dades. La validez de este supuesto depende 
de Ia distribuciOn de las ralces en el suelo y 
no es estrictamente válido para muchas Si-
tuaciones. 
Movimiento ascendente de agua no ocurre en 
ninguna parte del perfil. Hay pérdida de agua 
de Ia zona radicular por evapotranspiraciOn, 
pero esta humedad no es repuesta por movi-
miento ascendente de agua desde niveles 
inferiores. Este supuesto parece razonable 
para suelos homogeneos y bien drenados. 
El proceso de adsorciOn puede ser descrito por 
un modelo lineal. Si el coeficiente de sorciOn es 
descrito por un modelo no lineal, el coëficiente 
de particiOn decrece con el incremento en con-
centraciOn del producto quimico, de esta ma-
nera Ia profundidad a Ia cual el producto qu imi-
co es lixiviado depende de Ia concentraciOn. 
La "vida-media" para Ia degradaciôn del quimi-
co es constante a 10 largo del tiempo y de Ia pro-
fundidad del suelo. La rata de degradaciOn 
depende, entre otros factores, de Ia tempera-
tura y contenido de agua del suelo; por tanto, 
Equipo de Computación Requerido 
El equipo requerido para Ia utilizacián del mo-
delo de simulaciOn es el siguiente: 
- Microcomputador IBM-PC u otro equipo com-
patible con al menos 256K de memoria. 
- Una unidad de disco blando (diskette"). 
- Tarjeta graficadora. 
- Coprocesador numérico 8087 con el fin de 
acelerar los cálculos. 
- Sistema operativo PC-DOS 2.0, o una versiOn 
más reciente. 
Ejemplo de aplicaciOn: 
Para ilustrar la aplicacion del modelo y obser-
var efectos del suelo y del agroquimico sobre el 
movimiento de productos quimicos en el suelo, 
se simularon 4 situaciones consistentes en el em-
pleo de 2 pesticidas, Diuron (herbicida) y Furadán 
(insecticida), en un suelo de Tibaitatá y otro de 
Palmira, cultivados con papa y soya, respectiva-
mente. 
Las caracterIsticas de los suelos y de los pro-
ductos qulmicos requeridos por el modelo se pre-
sentan en las Tablas 1 y 2. 
TABLA 1. Caracteristicas del suelo requeridas para Ia simulación 
Contenidoagua Densidad Max. prof und. 
Suelo 	 carbono %en Vol. aparente efectiva 
orgánico 0.1 bar 	15 bares g!cc (cm) 
Tibaitatá 	 4.26 36.6 	 32.0 0.95 120.0 
Palmira 	 2.43 37.50 	29.24 1.71 60.0 
cambios estacionales de Ia rata de degrada-
ciOn son esperados. Además, Ia actividad mi-
crobial decrece con el aumento en profundi-
dad. No existe suficiente informaciOn para ob-
tener relaciones matemáticas de estos efectos, 
Ia cual es indispensable para Ia predicciOn del 
comportamiento de pesticidas en el campo. 
TABLA2. Caracteristicas del producto quimico requeridos 
para lasimulaciôn. 
	
Producto 	Coeficiente de particiôn Vida-media 
	
quimico 	 ml/gdeC.O. 	(dias) 
DiurOn 	 383 	 328 
	
Furadán 	 29 	 37 
253 
REVISTA ICA, Vol. 23, Julio - Septiembre 1988 
RESULTADOS V DISCUSION 
Las Figuras 1 y 2 muestran el comportamiento 
de DiurOn y Furadán en el suelo de Tibaitatá. La 
parte superior de cada figura representa Ia preci-
pitaciOn durante el periodo en que se desarrollô 
el cultivo. En Ia parte inferior se indica Ia profun-
didad del producto en funciOn del tiempo en dias; 
el producto en estudio es comparado con un pro-
ducto de carácter polar (Nitrato), que no es adsor-
bido por el suelo y, por tanto, presenta una mayor 
profundidad a través de los dias. Las Figuras 3 
y 4 representan el comportamiento de DiurOn y 
Furadén, respectivamente, en un suelo de Palmi-
ra. 
Comparando las Figuras 1 y 3 contra 2 y 4 
se observa que DiurOn penetra menos que Fura-
dan tanto en Tibaitatá coma en Palmira. DiurOn, 
en ninguno de los casos alcanza los 5 cm de 
profundidad, al cabo de 120 dias después de su 
aplicaciOn. Furadán, en Tibaitatä, después de 120 
dias de aplicado se encuentra aproximadamente 
a 5 cm de profundidad, y al mismo nümero de 
dias en el suelo de Palmira se halla a casi 10cm 
de profundidad. 
Las diferencias presentadas entre los dos pro-
ductos en un mismo suelo se deben principal-
mente al coeficiente de particiOn CF., que para 
DiurOn es 383 mg.'g de C.O. y para Furadán es 
29 mg/g de CO.; ésto implica que Diurón tiene 
Ia propiedad de adherirse a las particulas sólidas 
del suelo en una mayor proporciOn que Furadàn, 
resultando en una penetraciOn minima del herbi-
cida en el suelo. 
Las gráficas permiten ver que el nitrato pre-
senta una penetración y una velocidad de despla-
zamiento apreciablemente mayores que los pro-
ductos en estudio, dada que por su naturaleza 
inorgánica y polar se ioniza y se desplaza en Ia 
soluciOn del suelo, sin que se presente mayor 
adsorción a las particulas sOlidas del suelo. 
0 
.0 I 
.1L11 11111 __ 
0 	 50 100 150 200 
Tiempo diferido {dIas) 
0 t.... 
10 - 
E 
0 
20 
C 	30 
CL 
40 - - 
50. I 
Ic Profundidad 
radicu tar 
FIGURA 1. Precipitación y profundidad de penetración an función del tiempo en dias, 
para Ia simulación de Diurón an un suelo de Tibaitatá con un cultivo de pa-
pa. 
254 
SANABRIA R., J. Modelo simulación para agroquImicos en el suelo. 
2.0 
0.0 
	
0 	 50 	 100 	 150 	 200 
Tiempo diferido Id (as) 
15 
0 
0 
20 
	
25 I 	 Rc 
FIGURA 2.Preciptación y profundidad de penetracióo en función del tiempo en dias, 
para Ia simulación efectuada con Furadán en un suelo de Tibaitati. 
3.0. 	 I 	 I 
U 
I 
L __________ 
0 	 30 	 60 	 90 	 120 	 150 
Tiempo diferido (dias) 
0 
10 
E 
U 
20 
30 
0 
CL 
40 
50 
FIGURA 3. Precipitación y profundidad de penetración en función del tiempo, para Ia s 
mulación de Diurón an un suelo de Palmira. 
255 
REVISTA ICA, Vol. 23, Julio - Septiembre 1988 
3.0 
0.0 
30 	 60 	 90 	 120 	 150 
Tiempo diferido (d(asl 
0 
10 
E 
C., 
. 20 
0 
0 
30 
0 
0 
40 
50 
Prof uod idad 
radicular 
FIGURA 4. Precipitación y profundidad de penetración an función del tiempo an dias, pa-
ra Ia simulación efectuada con Furadán en un suelo de Palmira. 
De otra parte, se puede observar, contras-
tando Ia precipitaciOn con Ia de movimiento del 
quimico, que todo movimiento del producto qul-
mico en el suelo es efecto de un evento de preci-
pitaciOn - infiltraciOn. 
Con el objeto de observar el efecto de las 
propiedades del suelo y de Ia precipitaciOn sobre 
el movimiento de agroquimicos, se comparan las 
Figuras 1 y 2 contra 3 y 4; se ye cOmo los dos 
productos quimicos alcanzan profundidades y pe-
netran a mayor velocidad en el suelo de Palmira. 
Mientras DiurOn, en Tibaitatá, al cabo de 120 d las, 
ha logrado menos de 2 cm, en Palmira, en el 
mismo nümero de dias, ha alcanzado casi 5 cm 
y Furadän, en Tibaitatá, a los 120 dias, está a 5 
cm y en Palmira, al cabo del mismo nUmero de 
dias alrededor de 10 cm de profundidad. 
Las anteriores observaciones dan pie para 
pensar que el mayor contenido de carbono orgá-
nico del suelo de Tibaitatá tiene un efecto signifi-
cativo sobre el desplazamiento de los productos 
quimicos en el suelo, pudiéndose afirmar que a 
mayor contenido de materia organica del suelo 
menor será Ia penetración y Ia velocidad de pene-
traciOn de los agroquimicos en el mismo, debido 
a Ia inmovilizaciOn del producto dentro de las mo-
léculas de materia orgánica. La mayor profundi-
dad lograda por los dos agroquimicos en el suelo 
de Palmira tambiOn puede deberse a Ia mayor 
precipitaciOn presentada en este sitio durante el 
perlodo en que se IlevO a cabo Ia simulaciOn. 
De Ia observaciOn de las 4 gráficas también 
se puede establecer Ia existencia de una interac-
ción entre las propiedades del suelo y las propie-
dades del agroquimico; es asi como se aprecia 
que el contenido alto de materia orgánica de Tibai-
tatá (4.26% de C.O.) junto con el también elevado 
coeficiente de partición de DiurOn (383 ml/g C.O.) 
conducen a una penetraciOn minima del producto 
en este suelo. 
De otro lado, el mismo producto qulmico en 
el suelo de Palmira con menor contenido de ma-
teria orgánica (2.43%. de CO.) alcanza mayor 
penetraciOn (aproximadamente 5 cm a los 120 
dias). De manera similar, el menor contenido de 
materia organica del suelo de Palmira junto al 
bajo coeficiente de particiOn de Furadán (29 ml/g 
de CO.) provocan mayor penetraciOn de este in-
secticida en el suelo de Palmira con respecto al 
de Tibaitatá. 
256 
SANABRIA R., J. Modelo simulaciön para agroquImicos en el suelo. 
El comportamiento del agroquImico en el 
suelo tiene dos tipos de implicaciones: implicacio-
nes agronómicas desde el punto de vista de ef i-
cacia de Ia aplicaciOn, e implicaciones ecolOgicas, 
desde el punto de vista de contaminación de 
aguas superficiales o subterráneas y de alta resi-
dualidad en el suelo. 
Implicaciones Agronomicas 
En las Figuras 1 y 3 se observa que DiurOn 
permanece en el suelo superficialmente, 10 cual 
es secundario puesto que es un herbicida de con-
tacto que actUa sobre el follaje de las plantas; 
pero si se tiene en cuenta su larga vida media 
(328 dias), se infiere que este producto puede 
ser inconveniente para el desarrollo de futuros 
cultivos en el mismo sitio. 
La Figura 2 muestra cOmo el Furadán en el 
suelo de Tibaitatá está alcanzando una profundi-
dad maxima de 5 cm al cabo de 150 dias de 
aplicado; esto indica que estaria protegiendo ral-
ces y tubérculos de papa contra Premnoirvpes io-
rux en aproximadamente 12%, si se tiene en 
cuenta que Ia profundidad radicular de Ia papa 
en este suelo es de alrededor de 40 cm. 
En la Figura 4 se observa cOmo el Furadán 
estaria protegiendo sOlo el 33% del volumen de 
ralces de un cultivo de soya establecido en el 
suelo de Palmira utilizado para Ia simulaciOn. La 
eficiencia de las aplicaciones de Furadán en estos 
suelos se mejorarla con mayores precipitaciones 
a las presentadas durante las simulaciones o con 
suministro de riego; también se podrian mejorar 
aplicando el producto en forma subsuperficial. 
Además, es recomendable hacer varias aplicacio-
nes durante el ciclo del cultivo, teniendo en cuenta 
que Ia vida media de Furadán es sOlo de 37 d las. 
Implicaciones Ecotôgicas 
El hecho de que el DiurOn no penetre en el 
suelo, sumado a su elevada residualidad, hacen 
de este herbicida un contaminante potencial de 
aguas superficiales cuando el producto es arras-
trado por aguas de escorrentia. El Furadán podria 
ser un contaminante potencial de aguas subterrá-
neas bajo r.ondiciones de alta precipitaciOn, de-
bido a su bajo coeficiente de particiOn (29 mg/g 
de CO.), especialmente en suelos con conteni-
dos de materia orgánica inferiores a los del suelo 
de Palmira. Esta efecto contaminante es ate-
nuado por su baja vida media de 37 dias. 
Este modelo de simulaciOn es de gran utilidad 
en Ia observaciOn y análisis de los factores suelo, 
clima y producto que iritervienen en el suelo, si 
se tiene en cuenta que es prácticamente imposi-
ble observar el fenOmeno en condiciones reales. 
Para Ilegar a hacer una estimaciOn del grado de 
imprecisiOn o error del modelo, es indispensable 
su validaciOn mediante experimentos efectuados 
con columnas de suelo a nivel de lahoratorio. 
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