Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
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Economic-Operational Evaluation Methodology for Pasture Rehabilitation Based on Coring with Soil Samplers Tubes

 

iDYusmeli Guerra Caballero1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu*✉:silemsuy@unah.edu.cu

iDYanara Rodríguez-López1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu

iDArturo Martínez-Rodríguez1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu

iDCarlos Fresneda-Quintana2Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodríguez, Cienfuegos, Cuba. E-mail: cfresneda291@gmail.com

iDSheila Sosa-Cueto1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu


1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu

2Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodríguez, Cienfuegos, Cuba. E-mail: cfresneda291@gmail.com

 

*Author for correspondence: Yusmeli Guerra-Caballero. e-mail: silemsuy@unah.edu.cu

Abstract

Given the problem of soil compaction in Cuban grasslands caused by overgrazing, which reduces productivity and degrades the ecosystem, the methodology of drilling technology with punch tubes is proposed. This method, less invasive and expensive than traditional techniques such as subsoiling or plowing, consists of drilling into the soil to extract small plugs of soil, thus improving aeration, water infiltration and root development in the surface layer affected by livestock trampling. The methodology seeks to evaluate the economic and operational viability of this technology in local conditions, demonstrating that it represents an efficient alternative, with low energy consumption and minimal environmental impact for the sustainable rehabilitation of grasslands.

Keywords: 
soil compaction, grassland overgrazing, soil aeration, water infiltration

Received: 08/7/2025; Accepted: 28/10/2025

Conflict of interests: The authors of this work declare no conflict of interests.

Author contributions: Conceptualization: Y. Guerra. Data curation: Y. Guerra. Formal Analysis: Y. Guerra. Investigation: Y. Guerra, Y. Rodríguez, A. Martínez, C. Fresneda, S. Sosa. Methodology: Y. Guerra. Supervision: Y. Guerra, Y. Rodríguez. Validation: Y. Guerra, Y. Rodríguez, A. Martínez, C. Fresneda. Visualization: Y. Guerra, Y. Rodríguez A. Martínez, C. Fresneda, S. Sosa. Writing - original draft: Y. Guerra, Y. Rodríguez, A. Martínez. Writing - review & editing: Y. Guerra, A. Martínez.

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This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)

CONTENT

Introduction

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Grasslands constitute the main food for herbivores destined for human consumption, which have allowed certain regions to be characterized by their abundant and varied livestock production. Likewise, until not many years ago, agriculture has not been given the appropriate technological importance and currently its interest has been directed to crop methodologies and, especially, to the design of agricultural machinery and accessories that seek to improve efficiency in multiple agricultural activities such as planting, fertilizing, aeration, renewal, transportation of products, harvesting among others (Matteucci & Colma, 1997MATTEUCCI, S.; COLMA, A.: “Agricultura sostenible y ecosistemas áridos y semiáridos de Venezuela”, Interciencia, 22(3): 123-130, 1997.).

Grassland conservation is essential to protect wildlife and maintain ecological balance, as they act as natural sponges, absorbing rainwater and preventing flooding.

Botta et al. (2022)BOTTA, G.F.; NARDON, G.F.; GUIRADO CLAVIJO, R.: “Soil sustainability: Analysis of the soil compaction under heavy agricultural machinery traffic in extensive crops”, Agronomy, 12(2): 282, 2022, ISSN: 2073-4395. points out that the constant trampling of the pasture by cattle produces soil compaction, this implies that permeability is gradually lost, preventing water, air and nutrients from entering it, progressively reducing the production of the pasture. To recover grasslands that, due to overgrazing, see their yield reduced as a result of surface compaction, highly invasive and expensive technologies are used in Cuba.

Among the most common are subsoilers and decompactors, which improve soil aeration and drainage by breaking up compacted layers. Chisel plows prepare the soil for planting, while direct seeders allow sowing without the need for prior tillage, reducing erosion. In addition, the compaction rollers ensure good contact between the seeds and the soil, and the sprayers apply phytosanitary products uniformly.

Aeration of agricultural soils

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Soil aeration refers to the supply of oxygen for the proper development of microorganisms and the roots of the plants in the soil. Among the important factors for good plant development is soil aeration, since its pores contain a mixture of water and gases, constituting the soil atmosphere (Curran-Cournane et al., 2011CURRAN COURNANE, F.; MCDOWELL, R.; LITTLEJOHN, R.; HOULBROOKE, D.; CONDRON, L.: “Is mechanical soil aeration a strategy to alleviate soil compaction and decrease phosphorus and suspended sediment losses from irrigated and rain‐fed cattle‐grazed pastures?”, Soil Use and Management, 27(3): 376-384, 2011, ISSN: 0266-0032.).

Importance of soil aeration in grasslands

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Periodic soil aeration is essential to keeping farmland healthy. The health of crops or livestock pastures depends on allowing plants and herbs to form deep, strong root networks. Compacted soil is the result of the passage of tractors and large animals that compress it, which inhibits the growth of roots and the formation of beneficial microorganisms by collapsing the necessary air pockets, the formation of thatch has the same effects. Consequently, the process of reinserting air holes by making holes in the soil has a healthy effect on the growth of agricultural flora by promoting root growth and improving irrigation. The optimal times to aerate the soil depend on the crop and its usual growing season (Bakker & Hidding, 1970BAKKER, J. al; HIDDING, A.: “The influence of soil structure and air content on gas diffusion in soils.”, Netherlands Journal of Agricultural Science, 18(1): 37-48, 1970, ISSN: 0028-2928.).

Economic importance of grasslands

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According to Altesor et al. (2011)ALTESOR, A.; AYALA, W.; PARUELO, J.: “Bases ecológicas y tecnológicas para el manejo de pastizales”, Montevideo (UY): INIA, 2011. grasslands, as extensive ecosystems covered mainly by grass and herbaceous plants, where trees and shrubs are scarce. They play a crucial role in environmental sustainability and the global economy. Grasslands are vital to the livelihoods of millions of people. According to the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), more than 800,000,000 people depend on grasslands for their livelihoods. These ecosystems provide a wide range of services and products, such as food, forage and energy (Prieto & Ernst, 2010PRIETO, G.S.; ERNST, O.: “Manejo del suelo y rotación con pasturas: Efecto sobre la calidad del suelo, el rendimiento de los cultivos y el uso de insumos”, Informaciones Agronómicas del Cono Sur, 45: 22-26, 2010.).

In addition to their importance for human nutrition, grasslands play a crucial role in the conservation of biodiversity. They are home to numerous species of animals and plants, many of which are endemic and found nowhere else in the world. Grassland conservation is essential to protect wildlife and maintain ecological balance (Altieri, 2002ALTIERI, M.A.: “Agroecología: principios y estrategias para diseñar sistemas agrarios sustentables”, Agroecología: el camino hacia una agricultura sustentable, 34, 2002.).

Finally, grasslands play an important role in regulating the water cycle and carbon storage. These ecosystems act like natural sponges, absorbing rainwater and helping to prevent flooding. They also store large amounts of carbon, helping to mitigate climate change (Altieri, 2002ALTIERI, M.A.: “Agroecología: principios y estrategias para diseñar sistemas agrarios sustentables”, Agroecología: el camino hacia una agricultura sustentable, 34, 2002.).

The compaction phenomenon and its impact on pasture degradation

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Soil is a fundamental component of the region's farms and productive lands, making it a key element in the development of their agroecological, agricultural, and livestock systems. The study of soil compression due to trampling by animals during grazing is of great importance regarding their current and future productivity (Botta et al., 2022BOTTA, G.F.; NARDON, G.F.; GUIRADO CLAVIJO, R.: “Soil sustainability: Analysis of the soil compaction under heavy agricultural machinery traffic in extensive crops”, Agronomy, 12(2): 282, 2022, ISSN: 2073-4395.).

Based on the review conducted, the objective of this study is to propose a soil boring technology using coring tubes. This technology involves perforating the soil to extract small plugs of earth, thereby improving aeration, water infiltration, and root development in the surface layer affected by livestock trampling. The methodology seeks to evaluate the economic and operational viability of this technology under local conditions, demonstrating that it represents an efficient, low-energy, and minimal-environmental-impact alternative for the sustainable rehabilitation of grasslands.

Topic development

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Methods

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The methodologies will be used at Granja El Guayabal, part of the Agrarian University of Havana, where fieldwork and experimental research are being conducted. The study will require a 2-hectare area of grassland and a 14 kN traction class tractor. For the work, overlapping and combined row movements will be used, and a turn without overlap, as shown in figure 1.

Figure 1.  Types of turns and forms of movements and types of movements for the tasks to be performed, a) splitting movement in stripes, b) combined movement in stripes and c) form of turning without laso.

To determine the experimental conditions, the procedures established in PG-CA-042 (2013)PG-CA-042: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Determinación de las condiciones de ensayo, Inst. Ministerio dela Agricultura, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Boyeros, La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 1-10 p., 2013., will be followed to characterize the test plot and in which it is established:

Type of soil and its name and terrain relief. The existing maps will be taken where the tests will be carried out, in accordance with the II Genetic Classification of Soils in Cuba (Hernández-Jiménez et al., 2019HERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A.; PÉREZ-JIMÉNEZ, J.M.; BOSCH-INFANTE, D.; SPECK, N.C.: “La clasificación de suelos de Cuba: énfasis en la versión de 2015”, Cultivos Tropicales, 40(1), 2019, ISSN: 0258-5936.).

Determination of volumetric density, γd. Samples shall be taken at several points along both diagonals of the test plot at three depth levels (0 to 0.1 m; 0.1 to 0.2 m; 0.2 to 0.3 m). An auger and 100 cm3 capacity cylinders shall be used, in accordance with NC ISO 11508: (2000)NC ISO 11508: 2000: Determinación de la densidad de la fase sólida o peso específico, Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, Vig. de 2000.. The sample masses shall be determined after drying in a MEMMERT oven at 105°C for 24 h, using a METTELEL TOLEDO precision balance, model B 2002-S (±0.1 g). The values of the dry soil masses between the fixed volume of the cylinders determine the values of γd, averaging for each depth level. It will be calculated by expression 1 γ d = G n V c :

γ d = G n V c
 (1)

where: γd- is the volumetric density of the soil, g cm-3; Gn- is the mass of the soil sample after drying, g; Vc- is the volume of the cylinder for sampling, cm3.

The soil samples in each of the selected points of the experimental area will be placed in previously numbered nylon bags and taken to the soil mechanics laboratory for weighing before and after drying.

Figure 2.  Diagram of points and soil sampling

Determination of soil moisture. It will be determined by the gravimetric method, according to NC 110: (2010)NC 110: 2010: Calidad del suelo. Determinación de la humedad, Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, Vig. de 2010. and at the same points and depths designated for the apparent density of the soil, a part of the soil will be placed in hermetic containers (greater than 250 cm3 capacity), determining its mass at the time of being taken and after being dried, as explained above and averaged by depth levels.

Measurement of the footprint of the perforations

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For the research tests, it was considered to measure the dimensions of the perforation mark, the pulling force necessary to work with the proposed machine, as well as the technical expertise of the machine.

The dimensions of the footprint of the holes made by the implement will be determined by measuring their diameter and depth.

The diameter and depth will be determined using a caliper with an accuracy of 0.1 mm. The diameter will be measured in two diametrical directions, while to determine the depth, a sector of metal bar will be fitted into the holes on which the ground level is marked after its introduction, taking the measurement with the caliper on said bar. The distance between the holes and their distribution on the ground surface will be determined with a ruler graduated with accuracy up to 1 mm.

Methods and means to be used for the experimental measurement of draft force under field conditions.

Figure 3 shows the measurement of the pulling force required to drag the aerator cylinder; a KRD-2 type extensometric dynamometer (2) is inserted between the tractor (3) and the implement being measured.

Figure 3.  Conformation of the aggregate for measuring the pulling force under field conditions

The analog signals captured with the KED-2 dynamometer are sent through a strain gauge connection box model YE 29003A, to the SINOCERA dynamic voltage amplifier model YE 3817C, which amplifies them and sends them to the SINOCERA dynamic data acquisition card model YE 6231, which carries out the analog-digital conversion of the signals and the transferred to the Intel (R) Pentium (R) i3 3.00 GHz processor for registration figure. 4.

Figure 4.  Some components of the strain gauge measurement system: a) strain gauge bridge box model ye 29003a; b) sinocera dynamic voltage amplifier model ye 3817c; c) sinocera dynamic data acquisition card model YE 6231

Technical expertise of the machine

The technical expertise of the machine will include:

  • Expertise on the construction of the machine. It consists of the determination of the fundamental work parameters, the technical description, characteristics and photographs, the construction weight, working width, height, as well as center of gravity and stability according to NC 19-02-13 (1986)NC 19-02-13: Peritaje de la construcción de la máquina. Determinación de los parámetros fundamentales de trabajo, la descripción técnica, características y fotografías, el peso constructivo, ancho de trabajo, la altura, así como centro de gravedad y estabilidad de la máquina., Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, 1986..

  • Expertise on technical security and mechanisms. During the test, the following must be determined: the safety of the parts and assemblies exposed to the action of the environment, periodicity and nature of wear, breakage and its causes, deformation of the parts.

Methodology for the technological and exploitation evaluation used for the decompaction-aeration of grasslands

The evaluation of exploitation indices will be based on Timing Model 1, adapted from Standard NC- 3437 (2003)NC- 3437: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Evaluación tecnológica y de explotación, Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, vig de 2003. and PG-CA-042 (2013)PG-CA-042: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Determinación de las condiciones de ensayo, Inst. Ministerio dela Agricultura, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Boyeros, La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 1-10 p., 2013..

To determine the technological exploitation indices, the times of timing model 1 were classified according to what was established in PG-CA-042 (2013)PG-CA-042: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Determinación de las condiciones de ensayo, Inst. Ministerio dela Agricultura, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Boyeros, La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 1-10 p., 2013..

For the determination of productivity indices

 ⌅

Based on the primary timing data reflected in the summary, the following indices will be determined during the test period:

First you need to calculate the productivity or capacity of the machine, it is the amount of work done by it in a certain unit of time. The amount of work can be measured in hectares worked and in tons of product processed per hour, here it will be determined in ha/h.

Productivity per hour of clean time, (W1):

    W 1 = Q T 1 , ha h
 (2)

Where:

Q- Volume of work carried out with the machine in ha, kg and others

Productivity per hour of operating time. (W02)

W 02 = Q T 02 , ha h
 (3)

Where:

T02- Operating time, h;

T 02 = T 1 + T 2 , h
 (4)

Productivity per hour of productive time. (W04)

W 04 = Q T 04 , ha h
 (5)

Where:

T04- Productive time, h;

T 04 = T 1 + T 2 +T 3 + T 4 , h
 (6)

Productivity per hour of shift time without failure. (Wt)

W t = Q T t , ha h
 (7)

Where:

Tt- Shift time without failure, h;

T t = T 1 + T 2 +T 3 + T 5 +T 6 , h
 (8)

Productivity per hour of operating time. (W 07)

W 07 = Q T 07 , ha h
 (9)

Where:

T07- Operating time, h

T 07 ≡ T 1 +T 2 +T 3 +T 4 +T 5 +T 6 ,   h
 (10)

General rehearsal time. (Tg)

T g ≡ T 1 +T 2 +T 3 +T 4 +T 5 +T 6 +T 8 ;   h
 (11)

Operating coefficients.

Working pass coefficient (K21)

  K 21 ≡ T 1 T 1 +T 21
 (12)

Technological service coefficient (K23)

K 23 ≡ T 1 T 1 +T 23
 (13)

Technical maintenance coefficient (K3)

K 3 ≡ T 1 T 1 +T 3
 (14)

Technological safety coefficient (K41)

K 41 ≡ T 1 T 1 +T 41
 (15)

Technical safety coefficient (K42)

K 42 ≡ T 1 T 1 +T 42
 (16)

Coefficient of utilization of productive time (K04)

K 04 ≡ T 1 T 1 +T 04
 (17)

Coefficient of utilization of operating time (K07)

K 07 ≡ T 1 T 1 +T 07
 (18)

Methodology for evaluating quality in grassland decompaction-aeration

 ⌅

The quality of the decompaction-aeration process is evaluated through a comprehensive protocol based on international regulations that includes three phases: pre-evaluation (analysis of physical properties of the soil), real-time monitoring (recording of operational parameters) and post-evaluation (verification of effects) (Smith, 2020SMITH, R.H.: Soil Compaction and Aeration, Ed. ASABE EP291.3, ISO 5001:2019, USA, 524 p., 2020.).

Key indicators such as effective depth (penetrometric rod ±1 mm), diameter of perforations (digital caliper ±0.05 mm) and resistance to penetration (electronic penetrometer 0-1000 layer) are measured, with strict controls on humidity (12-18%) and speed (3.5-5 km/h). To determine the working depth, at least 25 measurements are carried out distributed along the diagonals of the field 14 m from its ends (figure 5). These measurements allow a reliability of 95% and an error of 0.5 according to González-Cueto et al. (2017)GONZÁLEZ-CUETO, O.; MACHADO-TRUJILLLO, N.; GONZÁLEZ-ÁLVAREZ, J.A.; ACEVEDO-PÉREZ, M.; ACEVEDO-DARIAS, M.; HERRERA-SUÁREZ, M.: “Evaluación tecnológica, de explotación y económica del tractor XTZ-150K-09 en labores de preparación de suelo”, Ingeniería Agrícola, 7(1): 49-54, 2017, ISSN: 2227-8761..

Figure 5.  Scheme of depth measurement in the field

Uniformity is quantified by the Spatial Distribution Index (SDI ≥85%) using geostatistical analysis, while changes in apparent density (minimum 8% reduction) and aggregate stability were statistically validated (ANOVA, p<0.05), ensuring reliable and reproducible results for process optimization.

Determination of aggregate stability

 ⌅

The dynamic stability is determined by statistically comparing the average values of the depth and its error (deviation) for each row of the working organs and for each working pass in the tests carried out. The measurement is repeated 15 times to achieve generalizable results. If there is no significant difference between these values for each row and for each pass, it can be stated that there is adequate transversal dynamics. Longitudinal dynamic stability is checked if these values of the average deviation at depth do not exceed 15%. To determine the aforementioned parameters, Statgrafics statistical software version 5.1 will be used.

Conclusions

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  • Drilling with punched tubes facilitates aeration of the root profile, reduces the apparent density of the soil and favors the regeneration of palatable grasses, increasing biomass and plant cover on degraded surfaces.

  • Soil aeration and reduced compaction increase water infiltration, reduce erosion and promote soil biodiversity.

  • The drilling technique with punched tubes is aligned with sustainable management practices when combined with plowing work plus grading in appropriate phases, strategic use of fertilizers and control of undesirable forage plants.

  • Success depends on variables such as water availability, forage prices, input costs and climate variability. A phased approach is recommended (pilots by quarters), monitoring of soil indicators (moisture, porosity, organic matter) and adjustment of drilling density and frequency. Incorporate incentives for rehabilitation, species diversification, and a risk mitigation plan (e.g., density variation, input reserves).

References

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BAKKER, J. al; HIDDING, A.: “The influence of soil structure and air content on gas diffusion in soils.”, Netherlands Journal of Agricultural Science, 18(1): 37-48, 1970, ISSN: 0028-2928.

BOTTA, G.F.; NARDON, G.F.; GUIRADO CLAVIJO, R.: “Soil sustainability: Analysis of the soil compaction under heavy agricultural machinery traffic in extensive crops”, Agronomy, 12(2): 282, 2022, ISSN: 2073-4395.

CURRAN COURNANE, F.; MCDOWELL, R.; LITTLEJOHN, R.; HOULBROOKE, D.; CONDRON, L.: “Is mechanical soil aeration a strategy to alleviate soil compaction and decrease phosphorus and suspended sediment losses from irrigated and rain‐fed cattle‐grazed pastures?”, Soil Use and Management, 27(3): 376-384, 2011, ISSN: 0266-0032.

GONZÁLEZ-CUETO, O.; MACHADO-TRUJILLLO, N.; GONZÁLEZ-ÁLVAREZ, J.A.; ACEVEDO-PÉREZ, M.; ACEVEDO-DARIAS, M.; HERRERA-SUÁREZ, M.: “Evaluación tecnológica, de explotación y económica del tractor XTZ-150K-09 en labores de preparación de suelo”, Ingeniería Agrícola, 7(1): 49-54, 2017, ISSN: 2227-8761.

HERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A.; PÉREZ-JIMÉNEZ, J.M.; BOSCH-INFANTE, D.; SPECK, N.C.: “La clasificación de suelos de Cuba: énfasis en la versión de 2015”, Cultivos Tropicales, 40(1), 2019, ISSN: 0258-5936.

MATTEUCCI, S.; COLMA, A.: “Agricultura sostenible y ecosistemas áridos y semiáridos de Venezuela”, Interciencia, 22(3): 123-130, 1997.

NC 19-02-13: Peritaje de la construcción de la máquina. Determinación de los parámetros fundamentales de trabajo, la descripción técnica, características y fotografías, el peso constructivo, ancho de trabajo, la altura, así como centro de gravedad y estabilidad de la máquina., Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, 1986.

NC 110: 2010: Calidad del suelo. Determinación de la humedad, Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, Vig. de 2010.

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NC ISO 11508: 2000: Determinación de la densidad de la fase sólida o peso específico, Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, Vig. de 2000.

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REID, R.S.; GALVIN, K.A.; KRUSKA, R.S.: “Global significance of extensive grazing lands and pastoral societies: an introduction”, En: Fragmentation in semi-arid and arid landscapes: Consequences for human and natural systems, Ed. Springer, pp. 1-24, 2008.

SMITH, R.H.: Soil Compaction and Aeration, Ed. ASABE EP291.3, ISO 5001:2019, USA, 524 p., 2020.

Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
 
Puntos de vista

Metodología de evaluación económico-operativa para la rehabilitación de pastizales degradados basada en horadación con tubos sacabocados

 

iDYusmeli Guerra Caballero1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu*✉:silemsuy@unah.edu.cu

iDYanara Rodríguez-López1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu

iDArturo Martínez-Rodríguez1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu

iDCarlos Fresneda-Quintana2Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodríguez, Cienfuegos, Cuba. E-mail: cfresneda291@gmail.com

iDSheila Sosa-Cueto1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu


1Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: yanita@unah.edu.cu, armaro646@gmail.com, sheilasc@unah.edu.cu

2Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodríguez, Cienfuegos, Cuba. E-mail: cfresneda291@gmail.com

 

*Autora para correspondencia: Yusmeli Guerra Caballero. E-mail: silemsuy@unah.edu.cu

Resumen

Ante el problema de la compactación del suelo en pastizales cubanos causada por el sobrepastoreo, que reduce su productividad y degrada el ecosistema, se propone la metodología de una tecnología de horadación con tubos sacabocados. Este método, menos invasivo y costoso que las técnicas tradicionales como el subsolado o el arado, consiste en perforar el suelo para extraer pequeños tapones de tierra, mejorando así la aireación, la infiltración de agua y el desarrollo de las raíces en la capa superficial afectada por el pisoteo del ganado. La metodología busca evaluar la viabilidad económica y operativa de esta tecnología en condiciones locales, demostrando que representa una alternativa eficiente, de bajo consumo energético y mínimo impacto ambiental para la rehabilitación sostenible de los pastizales.

Palabras clave: 
compactación del suelo, sobrepastoreo de pastizales, aireación del suelo, infiltración de agua

Introducción

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Los pastizales constituyen el principal alimento de los herbívoros destinados al consumo humano, los que han permitido que ciertas regiones se caractericen por su abundante y variada producción ganadera. Asimismo, hasta hace no muchos años a la agricultura no se le ha dado la apropiada importancia tecnológica y actualmente su interés se ha direccionado a las metodologías de cultivos y muy en especial, al diseño de maquinaria y accesorios agrícolas que buscan mejorar la eficiencia en múltiples actividades agrarias tales como siembra, abonado, aireación, renovación, transporte de productos, cosecha entre otras (Matteucci & Colma, 1997MATTEUCCI, S.; COLMA, A.: “Agricultura sostenible y ecosistemas áridos y semiáridos de Venezuela”, Interciencia, 22(3): 123-130, 1997.).

La conservación de los pastizales es esencial para proteger la vida silvestre y mantener el equilibrio ecológico, ya que actúan como esponjas naturales, absorbiendo el agua de lluvia y previniendo inundaciones (Reid et al., 2008REID, R.S.; GALVIN, K.A.; KRUSKA, R.S.: “Global significance of extensive grazing lands and pastoral societies: an introduction”, En: Fragmentation in semi-arid and arid landscapes: Consequences for human and natural systems, Ed. Springer, pp. 1-24, 2008.).

Botta et al. (2022)BOTTA, G.F.; NARDON, G.F.; GUIRADO CLAVIJO, R.: “Soil sustainability: Analysis of the soil compaction under heavy agricultural machinery traffic in extensive crops”, Agronomy, 12(2): 282, 2022, ISSN: 2073-4395. señala que el constante pisoteo por parte del ganado al pastizal produce compactación del suelo, esto implica que la permeabilidad se pierda paulatinamente, impidiendo que agua, aire y nutrientes ingresen en él, reduciendo progresivamente la producción del pastizal. Para la recuperación de pastizales que, debido al sobrepastoreo, ven reducido su rendimiento producto de la compactación superficial, en Cuba se emplean tecnologías altamente invasivas y costosas.

Entre las más comunes se encuentran los subsoladores y descompactadores, que mejoran la aireación y el drenaje del suelo al romper las capas compactadas. Los arados de cincel preparan el suelo para la siembra, mientras que las sembradoras directas permiten sembrar sin necesidad de labranza previa, reduciendo la erosión. Además, los rodillos compactadores aseguran un buen contacto entre las semillas y el suelo, y los pulverizadores aplican productos fitosanitarios de manera uniforme.

La aireación de los suelos agrícolas

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no va espacioLa aireación del suelo se refiere al abastecimiento de oxígeno para el buen desarrollo de los microorganismos y de las raíces de las plantas que posee el suelo. Entre los factores importantes para un buen desarrollo de las plantas, está la aireación del suelo, ya que los poros de este contienen una mezcla de agua y gases, constituyendo la atmosfera del suelo (Curran-Cournane et al., 2011CURRAN COURNANE, F.; MCDOWELL, R.; LITTLEJOHN, R.; HOULBROOKE, D.; CONDRON, L.: “Is mechanical soil aeration a strategy to alleviate soil compaction and decrease phosphorus and suspended sediment losses from irrigated and rain‐fed cattle‐grazed pastures?”, Soil Use and Management, 27(3): 376-384, 2011, ISSN: 0266-0032.).

Importancia de la aireación del suelo en pastizales

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La aireación periódica de la tierra es fundamental para mantener sanas las tierras de cultivo. La salud de las cosechas o pastizales para el ganado depende de permitir a las plantas y hierbas formar redes de raíces profundas y fuertes. La tierra compactada es el resultado del paso de tractores y animales grandes que la comprimen, lo que inhibe el crecimiento de las raíces y la formación de microorganismos benéficos al colapsar las bolsas de aire necesarias la formación de paja tiene los mismos efectos. En consecuencia, el proceso de reinsertar de agujeros de aire al hacer orificios en la tierra tiene un efecto saludable en el crecimiento de la flora agrícola al promover el crecimiento de las raíces y la mejora del riego. Los momentos óptimos para airear la tierra dependen del cultivo y de su temporada de crecimiento habitual (Bakker & Hidding, 1970BAKKER, J. al; HIDDING, A.: “The influence of soil structure and air content on gas diffusion in soils.”, Netherlands Journal of Agricultural Science, 18(1): 37-48, 1970, ISSN: 0028-2928.).

Importancia económica de los pastizales

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Según Altesor et al. (2011)ALTESOR, A.; AYALA, W.; PARUELO, J.: “Bases ecológicas y tecnológicas para el manejo de pastizales”, Montevideo (UY): INIA, 2011. los pastizales, como ecosistemas extensos cubiertos principalmente por pasto y herbáceas, donde los árboles y arbustos son escasos. Desempeñan un papel crucial en la sostenibilidad ambiental y la economía global. Los pastizales son vitales para la subsistencia de millones de personas. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), más de 800 000000 de personas dependen de los pastizales para su sustento. Estos ecosistemas proporcionan una amplia gama de servicios y productos, como alimentos, forraje y energía (Prieto & Ernst, 2010PRIETO, G.S.; ERNST, O.: “Manejo del suelo y rotación con pasturas: Efecto sobre la calidad del suelo, el rendimiento de los cultivos y el uso de insumos”, Informaciones Agronómicas del Cono Sur, 45: 22-26, 2010.).

Además de su importancia para la alimentación humana, los pastizales juegan un papel crucial en la conservación de la biodiversidad. Son el hogar de numerosas especies de animales y plantas, muchas de las cuales son endémicas y no se encuentran en ningún otro lugar del mundo. La conservación de los pastizales es esencial para proteger la vida silvestre y mantener el equilibrio ecológico (Altieri, 2002ALTIERI, M.A.: “Agroecología: principios y estrategias para diseñar sistemas agrarios sustentables”, Agroecología: el camino hacia una agricultura sustentable, 34, 2002.).

Por último, los pastizales desempeñan un papel importante en la regulación del ciclo del agua y el almacenamiento de carbono. Estos ecosistemas actúan como esponjas naturales, absorbiendo el agua de lluvia y ayudando a prevenir inundaciones. También almacenan grandes cantidades de carbono, ayudando a mitigar el cambio climático (Altieri, 2002ALTIERI, M.A.: “Agroecología: principios y estrategias para diseñar sistemas agrarios sustentables”, Agroecología: el camino hacia una agricultura sustentable, 34, 2002.).

El fenómeno de compactación y su impacto en la degradación de pastizales

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El suelo es una de las partes fundamentales de las haciendas y terrenos productivos de la región, por lo que éste se convierte en elemento principal en el desarrollo de sus sistemas agroecológicos, agrícolas y pecuarios, el estudio de la compresión del suelo debido al pisoteo, por parte de los animales, durante el pastoreo es un tema de gran importancia en lo referente a la productividad actual y futura de los mismos (Botta et al., 2022BOTTA, G.F.; NARDON, G.F.; GUIRADO CLAVIJO, R.: “Soil sustainability: Analysis of the soil compaction under heavy agricultural machinery traffic in extensive crops”, Agronomy, 12(2): 282, 2022, ISSN: 2073-4395.).

Tomando como base la revisión realizada, el objetivo del estudio es proponer la metodología de una tecnología de horadación con tubos sacabocados, que consiste en perforar el suelo para extraer pequeños tapones de tierra, mejorando así la aireación, la infiltración de agua y el desarrollo de las raíces en la capa superficial afectada por el pisoteo del ganado. La metodología busca evaluar la viabilidad económica y operativa de esta tecnología en condiciones locales, demostrando que representa una alternativa eficiente, de bajo consumo energético y mínimo impacto ambiental para la rehabilitación sostenible de los pastizales.

Desarrollo del tema

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Métodos

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Las metodologías serán utilizadas en la Granja El Guayabal, perteneciente a la Universidad Agraria de la Habana, donde se realizan los trabajos de campo y la investigación experimental. Para el estudio se necesitará un área de 2 ha de pastizales y un tractor de clase traccional de 14 kN. Para la labor se utilizarán movimientos de hileras superpuestas y combinadas, y un giro sin solape, como se muestra en la figura 1.

Figura 1.  Tipos de giros y formas de movimientos y tipos movimientos para las labores a realizar, a) movimiento hendiendo en franjas, b) movimiento combinado en franjas y c) forma de giro sin laso.

Para la determinación de las condiciones de experimentación se procederá según lo establecido en la PG-CA-042 (2013)PG-CA-042: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Determinación de las condiciones de ensayo, Inst. Ministerio dela Agricultura, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Boyeros, La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 1-10 p., 2013., para caracterizar la parcela de prueba y en la cual se establece:

Tipo de suelo y su denominación y relieve del terreno. Se tomaran los mapas existentes donde se ejecutarán los ensayos, conforme a la II Clasificación Genética de los Suelos en Cuba (Hernández-Jiménez et al., 2019HERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A.; PÉREZ-JIMÉNEZ, J.M.; BOSCH-INFANTE, D.; SPECK, N.C.: “La clasificación de suelos de Cuba: énfasis en la versión de 2015”, Cultivos Tropicales, 40(1), 2019, ISSN: 0258-5936.).

Determinación de la densidad volumétrica, γ d . Las muestras se tomarán en varios puntos a lo largo de ambas diagonales de la parcela de ensayo, a tres niveles de profundidad (0 a 0,1 m; 0,1 a 0,2 m; 0,2 a 0,3 m). Se utilizará una barrena y cilindros de 100 cm3 de capacidad, según la norma NC ISO 11508: (2000)NC ISO 11508: 2000: Determinación de la densidad de la fase sólida o peso específico, Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, Vig. de 2000.. Las masas de las muestras se determinarán después de secarlas en una estufa MEMMERT a 105°C durante 24 h, utilizando una balanza de precisión METTELEL TOLEDO, modelo B 2002-S (±0,1 g). Los valores de las masas de suelo secas entre el volumen fijo de los cilindros determinan los valores de γ d , promediándose para cada nivel de profundidad. Se calculará por la expresión 1 γ d = G n V c :

γ d = G n V c
 (1)

donde: γd- es la densidad volumétrica del suelo, gcm-3 ; G n - es la masa de la muestra del suelo después de secada, g; V c - es el volumen del cilindro para la toma de muestra, cm3.

Las muestras de suelo en cada uno de los puntos seleccionados del área experimental se colocarán en sacos de nylon previamente numerados y se llevarán al laboratorio de mecánica de suelos para su pesado antes y después del secado.

Figura 2.  Esquema de puntos y toma de muestras de suelo

Determinación de la humedad del suelo. Se determinará por el método gravimétrico, según la NC 110: (2010)NC 110: 2010: Calidad del suelo. Determinación de la humedad, Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, Vig. de 2010. y en los mismos puntos y profundidades designadas para la densidad aparente del suelo se colocará una parte del suelo de aquellos en recipientes herméticos (superiores a 250 cm3 de capacidad), determinándose su masa al instante de ser tomadas y después de ser secadas, según lo explicado anteriormente y promediándose por niveles de profundidad.

Medición de la huella de las horadaciones

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Para las pruebas de investigación se consideró medir las dimensiones de la huella de horadaciones, la fuerza de tiro necesaria para trabajar con la máquina propuesta, así como el peritaje técnico de la máquina.

Las dimensiones de la huella de las horadaciones efectuadas por el implemento se determinarán mediante la medición del diámetro y profundidad de las mismas.

El diámetro y la profundidad se determinarán empleando un pie de rey con precisión de 0,1 mm. El diámetro será medido en dos direcciones diametrales, mientras que para la determinación de la profundidad se encajaran en los agujeros un sector de barra metálica en la que se marca el nivel del suelo posterior a su introducción, tomándose la medición con el pie de rey sobre dicha barra. La distancia entre los orificios y su distribución en la superficie del suelo se determinarán con una regla graduada con exactitud hasta 1 mm.

Métodos y medios a emplear para la medición experimental de la fuerza de tiro en condiciones de campo.

En la figura 3 se muestra la medición de la fuerza de tiro requerida para el arrastre del cilindro aireador, se intercala un dinamómetro extensométrico (2) tipo KRD-2 entre el tractor (3) y el implemento objeto de medición.

Figura 3.  Conformación del agregado para la medición de la fuerza de tiro en condiciones de campo

Las señales analógicas captadas con el dinamómetro KED-2 son enviadas a través de una caja de conexiones de puentes extensométricos modelo YE 29003A, al amplificador de tensiones dinámico SINOCERA modelo YE 3817C, el cual las amplifica y envía a la tarjeta de adquisición de datos dinámica SINOCERA modelo YE 6231 que efectúa la conversión análogo-digital de las señales y las transfiere al procesador Intel (R) Pentium (R) i3 3.00 GHz para su registro Figura. 4.

Figura 4.  Algunos componentes del sistema de mediciones extensométricas: a) caja de puente extensométrico modelo ye 29003a; b) amplificador de tensiones dinámico sinocera modelo ye 3817c; c) tarjeta de adquisición de datos dinámica sinocera modelo YE 6231

Peritaje técnico de la máquina

El peritaje técnico de la máquina comprenderá:

Peritaje de la construcción de la máquina. Consiste en la determinación de los parámetros fundamentales de trabajo, la descripción técnica, características y fotografías, el peso constructivo, ancho de trabajo, la altura, así como centro de gravedad y estabilidad de acuerdo a la NC 19-02-13 (1986)NC 19-02-13: Peritaje de la construcción de la máquina. Determinación de los parámetros fundamentales de trabajo, la descripción técnica, características y fotografías, el peso constructivo, ancho de trabajo, la altura, así como centro de gravedad y estabilidad de la máquina., Inst. Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, 1986..

Peritaje de seguridad técnica y de los mecanismos. Durante la prueba debe ser determinado: la seguridad de las piezas y conjuntos expuestos a la acción del medio, periodicidad y carácter del desgaste, roturas y sus causas, deformación de las piezas.

Metodología para la evaluación tecnológica y de explotación empleada para la descompactación-aireación de pastizales

La evaluación de los índices de explotación se basará en el Modelo 1 de Cronometraje, adaptado de la Norma NC- 3437 (2003)NC- 3437: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Evaluación tecnológica y de explotación, Oficina Nacional de Normalización, La Habana, Cuba, vig de 2003. y PG-CA-042 (2013)PG-CA-042: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Determinación de las condiciones de ensayo, Inst. Ministerio dela Agricultura, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Boyeros, La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 1-10 p., 2013..

Para la determinación de los índices tecnológico de explotación se clasificaron los tiempos del modelo 1 de cronometraje según lo establecido en PG-CA-042 (2013)PG-CA-042: Sistema de Gestión de la calidad. Prueba de máquinas agrícolas. Determinación de las condiciones de ensayo, Inst. Ministerio dela Agricultura, Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Boyeros, La Habana, Cuba, La Habana, Cuba, 1-10 p., 2013..

Para la determinación de los índices de productividad

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En base a los datos primarios del cronometraje reflejados en el resumen, durante el período de prueba se determinarán los siguientes índices:

Primero se necesita calcular la productividad o capacidad de la máquina, es la cantidad de trabajo realizado por la misma en una determinada unidad de tiempo. La cantidad de trabajo puede ser medida en hectáreas laboradas y en toneladas de producto procesadas por hora, en el presente se determinará en ha/h.

Productividad por hora de tiempo limpio, (W1):

W 1 = Q T 1 , ha h
 (2)

donde:

Q = volumen de trabajo realizado con la máquina en ha, kg y otros

Productividad por hora de tiempo operativo. (W02)

W 02 = Q T 02 , ha h
 (3)

donde:

T02 = tiempo operativo, h;

T 02 = T 1 + T 2 , h
 (4)

Productividad por hora de tiempo productivo. (W04)

W 04 = Q T 04 , ha h
 (5)

donde:

T04- tiempo productivo, h;

T 04 = T 1 + T 2 +T 3 + T 4 ,   h  
 (6)

Productividad por hora de tiempo turno sin fallo. (Wt)

W t = Q T t , ha h
 (7)

donde:

Tt = tiempo turno sin fallo, h;

T t = T 1 + T 2 +T 3 + T 5 +T 6 , h  
 (8)

Productividad por hora de tiempo de explotación. (W 07)

W 07 = Q T 07 , ha h
 (9)

donde

T07= tiempo de explotación, h;

T 07 ≡ T 1 +T 2 +T 3 +T 4 +T 5 +T 6 ,   h
 (10)

Tiempo general del ensayo. (Tg)

T g ≡ T 1 +T 2 +T 3 +T 4 +T 5 +T 6 +T 8 ;   h
 (11)

Coeficientes de explotación.

Coeficiente de pases de trabajo (K21)

  K 21 ≡ T 1 T 1 +T 21
 (12)

Coeficiente de servicio tecnológico (K23)

K 23 ≡ T 1 T 1 +T 23
 (13)

Coeficiente de mantenimiento técnico (K3)

K 3 ≡ T 1 T 1 +T 3
 (14)

Coeficiente de seguridad tecnológica (K41)

K 41 ≡ T 1 T 1 +T 41
 (15)

Coeficiente de seguridad técnica (K42)

K 42 ≡ T 1 T 1 +T 42
 (16)

Coeficiente de utilización del tiempo productivo (K04)

K 04 ≡ T 1 T 1 +T 04
 (17)

Coeficiente de utilización del tiempo de explotación (K07)

K 07 ≡ T 1 T 1 +T 07
 (18)

Metodología para la evaluación de la calidad en la descompactación-aireación de pastizales

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La calidad del proceso de descompactación-aireación se evalúa mediante un protocolo integral basado en normativas internacionales que incluye tres fases: pre-evaluación (análisis de propiedades físicas del suelo), monitoreo en tiempo real (registro de parámetros operativos) y post-evaluación (verificación de efectos) (Smith, 2020SMITH, R.H.: Soil Compaction and Aeration, Ed. ASABE EP291.3, ISO 5001:2019, USA, 524 p., 2020.).

Se miden indicadores clave como profundidad efectiva (varilla penetrométrica ±1 mm), diámetro de horadaciones (calibrador digital ±0.05 mm) y resistencia a la penetración (penetrómetro electrónico 0-1000 capa), con controles estrictos de humedad (12-18%) y velocidad (3,5-5 km/h). Para determinar la profundidad de trabajo se procede realizando 25 mediciones como mínimo distribuidas en las diagonales del campo a 14 m de sus extremos (Figura 5). Estas mediciones permiten una confiabilidad de 95% y un error de 0,5 según González-Cueto et al. (2017)GONZÁLEZ-CUETO, O.; MACHADO-TRUJILLLO, N.; GONZÁLEZ-ÁLVAREZ, J.A.; ACEVEDO-PÉREZ, M.; ACEVEDO-DARIAS, M.; HERRERA-SUÁREZ, M.: “Evaluación tecnológica, de explotación y económica del tractor XTZ-150K-09 en labores de preparación de suelo”, Ingeniería Agrícola, 7(1): 49-54, 2017, ISSN: 2227-8761..

Figura 5..  Esquema de la medición de profundidad en el campo

La uniformidad se cuantifica mediante el Índice de Distribución Espacial (IDE ≥85%) usando análisis geoestadístico, mientras que los cambios en densidad aparente (mínimo 8% de reducción) y estabilidad de agregados se validaron estadísticamente (ANOVA, p<0,05), asegurando resultados confiables y reproducibles para la optimización del proceso.

Determinación de la estabilidad del agregado

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La estabilidad dinámica se determina comparando estadísticamente los valores medios de la profundidad y su error (desviación) para cada hilera de los órganos de trabajo y para cada pase de trabajo en las pruebas realizadas. La medición se repite 15 veces para lograr resultados generalizables. Si no existe diferencia significativa entre estos valores para cada hilera y para cada pase, se pude afirmar que hay una adecuada dinámica transversal. La estabilidad dinámica longitudinal se comprueba si dichos valores de la desviación media en las profundidades no supera el 15%. Para determinar lo parámetros antes mencionados se utilizará del software estadístico Statgrafics versión 5.1

Conclusiones

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  • La horadación con tubos sacabocados facilita la aireación del perfil radicular, reduce la densidad aparente del suelo y favorece la regeneración de gramíneas palatables, aumentando la biomasa y la cobertura vegetal en superficies degradadas.

  • La aireación del suelo y la reducción de compactación aumentan la infiltración de agua, reducen la erosión y favorecen la biodiversidad del suelo.

  • La técnica de horadación con tubos sacabocados se alinea con prácticas de manejo sostenible cuando se combina con labores de aradura más gradeo en fases adecuadas, uso estratégico de fertilizantes y control de plantas forrajeras indeseables.

  • El éxito depende de variables como disponibilidad de agua, precios del forraje, costos de insumos y variabilidad climática. Se recomienda un enfoque escalonado (pilotos por cuarteles), monitoreo de indicadores de suelo (humedad, porosidad, materia orgánica) y ajuste de densidad de horadación y frecuencia. Incorporar incentivos para la rehabilitación, diversificación de especies y un plan de mitigación de riesgos (p. ej., variación de densidad, reservas de insumos).