Diana Marcela RUIZ*, Juan Pablo MARTÍNEZ IDROBO, Juan Diego OTERO SARMIENTO and Apolinar FIGUEROA CASAS Grupo de Estudios Ambientales, Universidad del Cauca. Vicerrectoría de Investigaciones, Carrera 2 1A - 25, Popayán, Cauca, Colombia, C. P Rev. Int. Contam. Ambie. 33 (3) , 2017 DOI: /RICA

* Las actividades productivas como la agricultura y la ganadería han transformado las cuencas andinas de América del Sur. El objetivo de este estudio fue evaluar la calidad del agua en la cuenca del río Las Piedras (6626 ha), localizada en la alta montaña colombiana

* Se analizaron los aportes de nutrientes a partir de la producción agrícola, distribución espacial de cultivos, actividades humanas y su influencia en el estado ecológico del río. La evaluación integró los parámetros físicos, químicos y biológicos en índices de calidad del agua, de contaminación y de macroinvertebrados acuáticos.

Identificación y caracterización del área de estudio * Cuenta del Rio Piedras Negras; ubicada en el municipio de Popayán y Totoró (Cauca-Colombia), con una extensión de 6626 ha, una temperatura entre 10.4 °C y 18.4°C, ubicada a una altura que va desde 1980 hasta 3820 msnm, topografia empianada, larga y borrascosa.

* El régimen de precipitación en la cuenca fue registrado: * Lluvia intensa entre octubre y noviembre (260mm y 285 mm) * Lluvia media entre junio y julio (99mm-119mm) * Lluvia leve entre agosto y septiembre (72mm y 89 mm) Lluvia promedio anual en el año 2014: 135mm

El suelo se compone de ceniza volcánica; está mal estructurado y bien drenado con arcilla limosa. Tiene baja acidez (rangos de pH de 5 a 5,9) y alta saturación de aluminio (50-85%). Los principales usos son bosques con 1720 ha (27%), pastizales 3125 ha (52%) y cultivos 267 ha (3%) según Figueroa et al. (2012). Habitan campesinos y comunidades indígenas de la reserva de Quintana y Puracé

Fueron seleccionados tres puntos a lo largo de la cuenca para analizar la calidad del agua

Diversidad biológica La diversidad biológica se analizó de acuerdo con la variación de la diversidad α y β: el índice de Margalef para la riqueza específica y el índice de Shannon Weiner (H') para caracterizar la diversidad de especies en el macroinvertebrado acuático epicontinental (EAM). El índice H'explica la estructura de la comunidad tanto en la abundancia como en la uniformidad de la especie. La relación entre estos índices fue evaluada por el modelo de regresión lineal con el coeficiente de determinación (R2). El análisis de diversidad β se estudió con el coeficiente de similitud de Jaccard.

Evaluación de la calidad del agua * Se tomaron muestras manualmente (a la mitad de la corriente y a media profundidad) por triplicado, en recipientes de vidrio ámbar de 1 L, fueron etiquetados y refrigerados (refrigerador portátil). El período de muestreo fue de siete meses. Las variables analizadas de acuerdo al Índice Nacional de Saneamiento (NSF): pH, nitratos, fosfatos, DBO, OD, coliformes fecales, SDT, turbidez y temperatura. * Para el cálculo de la diversidad y los índices biológicos de calidad del agua se estudió la composición de la comunidad EAM. Las muestras se tomaron manualmente usando redes como lo indicaron Villamarín et al. (2013). * El escurrimiento superficial se obtuvo utilizando simuladores de lluvia (Otero et al., 2011). Los análisis fisicoquímicos de las muestras de agua se realizaron de acuerdo con los Métodos Estándares (APHA et al., 2012), las pruebas bacteriológicas y DBO fueron realizadas en un laboratorio certificado.

Análisis antrópico y espacial * Las actividades humanas relacionadas con la producción agrícola se caracterizaron por listas de verificación. * Se genero una matriz para establecer la influencia de los principales indicadores relacionados con la calidad del agua, clasificados en cuatro tipos: clave ( relacionado directamente en la dinámica del sistema), controlador (son las variables que condicionan el sistema), regulatorio (aquellas variables que determinan el cambio en el sistema de acuerdo con su transformación por el efecto de ciertas actividades) y resultado (representan los cambios en el sistema). * La localización espacial de los cultivos en la cuenca favorece la producción de sedimentos de nutrientes y contaminantes en la escorrentía del río. * Para analizar el patrón de distribución del uso de la tierra agrícola en el área de estudio, se realizó una clasificación supervisada de Landsat TM image (2010) con una composición multi-espectral (bandas 4,5,3) utilizando el software ERDAS IMAGINE 9.1. Se obtuvo un mapa de la clasificación del uso de la tierra utilizando Corine Landcover Colombia (nivel 3) y se procesó con el módulo ArcMap Spatial Analysis (Clusters). Utilizando el software se calcularon las siguientes variables: Área de clase total (CA), número de parches (NP), porcentaje de paisaje (PLAND) y índice de agregación (Al) para cuantificar la agrupación de cultivos en tres subzonas (superior, medio e inferior) y su relación con el porcentaje del área ocupada.

Diseño experimental * Utilizando un diseño aleatorizado durante siete meses (junio a diciembre de 2013), se obtuvieron un total de 630 muestras para realizar el análisis físico y químico, integrando 10 variables y tres réplicas en los sitios de estudio. El plan de muestreo de EAM incluyó la exploración de diferentes tipos de hábitats tales como lodo, rocas, vegetación ribereña y emergente, así como rápidos. * Para el área superior, se analizaron las condiciones climáticas según los datos de precipitaciones diarias reportados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM); para el área inferior, la estación climática del Grupo de Investigación del Estudio Ambiental de la Universidad de Cauca, aportó los datos. * El análisis estadístico fue realizado por el software SPSS v.13.0, Statistica v.7.0, Past v.1.44, Estimates v.7.5 y Biodiversity Pro, que incluyeron un análisis de distribución y minería de datos con una prueba de Kruskall Wallis y Mann Whitney U, diferencias (p <0,05) entre las variables, y un análisis multivariante para integrar los parámetros principales.

* Parametros fisicoquimicos La concentración de nitrate (NO–3 ) mg/L oscila de 0.64 a 2.57 mg/L, la de nitritos (NO–2 ) y amonio (NH 4 ), entre mg/L y mg/L respectivamente.

* La concentracion de fosfatos en el agua varia entre 0.09 a 4.29 mg/L. * En escorrentias la concentracion estuvo entre 0.09 a 0.18 mg/L

* El pH vario entre 6.59 y 7.8 unidades en el agua, mientras que en las escorrentias de 6.1 a 6.71 unidades.

* Estos indices muestran una calidad poco aceptable del agua * De acuerdo a Hahn et al. 2012, los resultados sugieren que la contaminación es debida a un exceso de nitrogeno y fosforo * Fueron encontrados organismo de orden Plecoptera, Ephemeroptera, Trichoptera (PET) y Diptera

* El análisis con el índice de Jaccarq mostró la similitud de las comunidades EAM. Los resultados indican que las muestras recogidas en el área inferior son las más disímiles y existe una relación entre los sitios en las áreas superior e intermedia

* Los índices biológicos mostraron que la diversidad es media en las zonas alta y media, mientras que la inferior es la menos diversa * Lo anterior también se observa a través del análisis de los índices de Shannon y Margalef

De acuerdo a la matriz de evaluación, se observaron actividades antropogénicas: * transformación del área ribereña (V1) * sustitución de vegetación nativa por áreas de producción (V2) * fragmentación del paisaje (V3) * técnicas agrícolas (V4) (V6) * la ganadería (V8) * el tráfico vehicular (V9) * la producción de cultivos (V10) * la conservación de los bosques (V11) * la variabilidad del clima local (V12) * la escorrentía, la erosión del suelo y pérdida de nutrientes (V13) * cambios en la calidad fisicoquímica del agua (V14) * modificación de la comunidad EAM (V15).

* La organización social y las técnicas agrícolas afectan la conservación de los bosques y esto con la sustitución de la vegetación nativa por las áreas de producción, influyen en la variabilidad climática local y la escorrentía, la erosión del suelo y la pérdida de nutrientes

1. La concentración de OD fue de 8.23 mg/L cuando la temperatura se registro a 12.3 °C (oct y nov, periodo de lluvias), mientras que con un incremento de 5°C (ago y sep) se registro una concentración de 7 mg/L 2. Se registro un valor mínimo de pH de 6.59 y un valor promedio 3. La turbiedad del agua varia respecto a la altura de la cuenca, siendo menor en la parte alta (1.3 NTU), los valores de turbiedad registrados en la parte baja fueron de 4.7 NTU. En octubre fue registrado un valor de 5.90 NTU, debido a las lluvias intensas y escorrentías. Lo anterior no afecto el desarrollo de la biota y la calidad del agua se mantuvo dentro de los valores estándar para consumo, uso agrícola y actividades de ganadería

* El análisis de nutrientes mostró una relación directa entre la concentración de fosfatos (1mg/L) y las actividades agrícolas, siendo este parámetro un indicador de contaminación * La concentración de nitratos y fosfatos fue alta en los días de poca lluvia * Se observo una correlación entre la concentración de los nitratos, conductividad y SST, siendo estos mas altos en la parte baja de la cuenca * Las actividades agrícolas en la parte baja de la cuenca se presentan en mayor numero, debido a esto la concentración de complejos organometalicos resulto alta en relación a las áreas con baja actividad agrícola

* Los parámetros físicoquímicos estan relacionados con las condiciones biológicas en el río (Lock et al., 2011, Molozzi et al., 2012). La diversidad de hábitats y el suministro de alimentos favorecen la aparición de especies tales como Atopsyche, Tri-corythodes, Elmoparnus, Chimarra, Corydalus, Limnocoris. La presencia de organismos como Thraulodes, Anchytarsus, Hidropsyche, Helicopsique y Rhagovelia en los sitios de muestreo indica alteración en la calidad biológica causada por la disponibilidad de materia orgánica, lo que aumenta la presencia de familias Chironomidae, Muscidae y Tipulidae.

* En base a la respuesta a la contaminación orgánica (aproximación saprofítica), el área inferior se caracteriza por altas concentraciones de materia orgánica, favorecida por la actividad agrícola y los campos de pastos situados en la zona media. * En general, la calidad del agua en el río Las Piedras fue buena. Sin embargo, hubo un aumento en las concentraciones de amoníaco, nitrito y pH en noviembre, y consecuentemente la alteración del índice de calidad del agua NSF (73.98). Otra variable importante fue la contaminación bacteriológica con presencia de coliformes fecales en toda la cuenca. Este fue un hallazgo relevante considerando que el agua se utiliza principalmente para el consumo humano y la agricultura por parte de la población local.

* La agricultura es el factor principal de la contaminación y la degradación de los recursos hídricos, lo que afecta a la disponibilidad futura de agua potable. Específicamente las técnicas de plantación, el uso de insumos químicos, el suministro de agua y el riego de cultivos están modificando las características físico-químicas y biológicas del río. La presencia de concentraciones de coliformes y nutrientes también limita el suministro para uso doméstico, situación que la industria del suministro de agua considera como la gestión del agua.

* REFERENCES * Andrade A. and Stigter T. (2009). Multi-method assess- ment of nitrate and pesticide contamination in shallow alluvial groundwater as a function of hydrogeological setting and land use. Agr. Water. Manage. 96 (12), DOI: /j.agwat * APHA (2012). Standard methods for the examination of water and wastewater. 22a ed. American Public Health Association. Washington, USA, 1350 pp. * Baigorria G. A. and Romero C. C. (2007). Assessment of erosion hotspots in a watershed: integrating the WEPP model and GIS in a case study in the Peruvian Andes. Environ modell. Softw. 22 (8), DOI: /j.envsoft * Balthazar V., Vanacker V., Molina A. and Lambin E. F. (2015). Impacts of forest cover change on ecosystem services in high Andean mountains. Ecol. Indic. 48, DOI: /j.ecolind