DOI: http://dx.doi.org/10.13140/G.2.2.15279.33448

ARTÍCULO ORIGINAL

El manejo agrícola modifica propiedades y la disponibilidad de metales pesados en suelos Ferralíticos rojos

The agricultural management modifies properties and the heavy metals availability in Red Ferrallitic soils

M.Sc. Reinaldo Reyes-Rodríguez, Dr.C. Fernando Guridi-Izquierdo, Dr.C. Ramiro Valdés-Carmenate

Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Agronomía, Dpto. Química, Grupo FITOPLANT, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

El manejo agrícola no eficiente y bajo condiciones poco sustentables, provoca efectos desfavorables a los agroecosistemas, constituye fuente de entrada de contaminantes y modificaciones de las propiedades del suelo. En Cuba no está actualizada esta información, representando un peligro para la producción agrícola y la seguridad alimentaria. El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de las prácticas de manejo sobre las propiedades físicas, químicas, físico-químicas y la disponibilidad de metales pesados en cinco manejos diferentes sobre dos tipos de suelos Ferralíticos Rojos de la provincia Mayabeque. Se determinaron la textura, la estabilidad estructural, el pH (en agua y KCl), los contenidos de sodio, potasio, calcio, magnesio, elcarbono orgánico soluble, así como el cadmio, cobre, níquel y plomo biodisponible. Los resultados mostraron diferencias en las propiedades evaluadas, siendo el sistema de manejo Ferralítico Rojo hidratado bajo cultivo de papa FRh (P), el que indujo los indicadores más desfavorables.Los suelos de uso intensivo registraron los mayores valores para Cu²⁺, Pb²⁺ y Ni²⁺, en el caso del Cd²⁺ el manejo del cultivo papa presentó el contenido más elevado, alcanzando un valor superior al referido como máximo permisible en varios países y para los suelos Ferralíticos Rojos de Cuba.

Palabras clave: estructura del suelo, contaminante, indicadora de fertilidad, carbono orgánico.

ABSTRACT

Non efficient agricultural management, especially, under not very sustainable conditions may provoke unfavorable effects to agro ecosystems. This constitutes source of entrance of pollutants and modifications of the natural properties of the soils. It is important to monitoring the impact of management systems as for the availability of heavy metals, as well as for the modifications they cause in soils properties and quality of cultivations. In Cuba, this information is no up dated, which represents a hazard for agricultural production and food security. The objective of this work was to evaluate the effect of management practices on physical, chemical, physical-chemical properties and availability of heavy metals in five different managing on two types of red ferrallitic soils of Mayabeque province. The texture, the structural stability, the pH (in water and KCl), the contents of sodium, potassium, calcium, magnesium, the soluble organic carbon, as well as the cadmium, copper, nickel and lead available were determined. The results showed differences in the evaluated properties, being the management system of Ferrallitic Red hydrated under potato cultivation FRh (P), was the one that induced the more indicators unfavorable. The soils of intensive use registered the biggest values for Cu²⁺,Pb²⁺, and Ni²⁺, in the case of Cd²⁺ the management of the cultivation potato presented the highest content, reaching a superior value to the one referred as permissible maximum in several countries and for Ferrallitic Red soils of Cuba.

Key words: soil structure, contaminants, fertility indicators, organic carbon.

INTRODUCCIÓN

Las prácticas insostenibles de gestión del suelo por la actividad humana sobre ellos está alcanzando niveles críticos; reduciendo, en ocasiones o eliminando las funciones principales del suelo. En Cuba, la contaminación de los suelos es uno de los problemas medioambientales principales, esta situación se acentúa por la acción de sinergia entre múltiples factores: pérdida de diversidad biológica, la erosión, salinización, reducción de nutrientes, el cambio climático, entre otros (Amaral et al., 2013).

La agricultura actual tiene como tarea fundamental, la producción de alimentos de alta calidad, en un ambiente natural, bajo condiciones sustentables, donde juega un papel importante el manejo agronómico eficiente de los agroecosistemas. Los suelos Ferralíticos Rojos (FR) de la llamada «Llanura Roja de La Habana », antigua provincia La Habana (actual provincias de Mayabeque y Artemisa), resultan por sus características de los mejores suelos agrícolas del país y producen alimentos destinados a una población considerable, en ellos está ocurriendo un proceso de degradación, ya que han estado sometidos durante años a una explotación agrícola intensiva, con modelos de manejo en ocasiones de altos insumos que implican la utilización con fertilización mineral, productos fitosanitarios y el empleo de maquinarias, que constituyen fuentes potenciales de entrada de cationes de metales pesados (Hernández et al., 2013).

La determinación del estado actual de sus propiedades, así como las concentraciones existentes de metales pesados en suelos agrícolas con diferentes manejos es necesaria, ya que incrementa el conocimiento teórico y práctico acerca de la influencia de los sistemas de manejo sobre las propiedades del suelo, para monitorear el estatus de estos agroecosistemas productivos, que conlleven a la toma de medidas para contrarrestar o prevenir la degradación y la contaminación de los suelos Ferralíticos Rojos. El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de cinco sistemas de manejo diferentes sobre las propiedades físicas, químicas, físico-químicas y la disponibilidad de metales pesados en dos tipos de suelos Ferralíticos Rojos de la provincia Mayabeque.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se seleccionaron cinco manejos experimentales diferentes, sometidos a desigual actividad antrópica, correspondientes a dos tipos de suelos Ferralíticos Rojos pertenecientes al agrupamiento Ferralítico según (Hernández et al., 1999). El Sitio 1 Empresa Pecuaria Nazareno (San José de las Lajas),cultivado con pasto naturales por más de 35 años, pertenece a un Ferralítico Rojo típico Éutrico (FRt), sobre roca caliza-margosa, de coordenadas N 22095´62,8´´ y WO 82020´42,7´´. El Sitio 2 (Mangal), dedicado a frutales, en especial mango por más de 35 años, localizado en N 23000´21,3´´ y WO 82009´2,3´´, corresponde a un suelo Ferralítico Rojo hidratado (FRh); el Sitio 3 perteneciente al Bloque # 71 de la Cooperativa de Producción Agropecuaria(CPA) Cuba-Nicaragua(San Nicolás de Bari), corresponde a un suelo Ferralítico Rojo hidratado (FRh); de coordenadas N 22045´50,08´´ y WO 81055´30,2´´, utilizado siempre en Caña de azúcar; el Sitio 4 correspondiente a la Finca # 1 de la Unidad Básica de Producción Agropecuaria (UBPC) “Manuel Enrique Pena Hernández” en San Nicolás de Bari, pertenece a un suelo Ferralítico Rojo hidratado (FRh), de coordenadas N 22046´46,0´´ y WO 81055´15,0´´, bajo cultivo de papa (1990-2012), en la actualidad frijol y boniato y el Sitio 5,corresponde al Bloque # 68 Cooperativa de Producción Agropecuaria (CPA) Amistad Cuba-Nicaragua (San Nicolás de Bari), pertenece a un Ferralítico Rojo típico Éutrico (FRt),de coordenadas N 22046´04,7´´ y WO 81055´57,4´´ dedicado a cultivos varios (frijol-boniato) en los últimos 20 años, antes caña de azúcar. En cada sitio se colectaron muestras en cinco puntos de forma aleatoria, a una profundidad de 0-20 cm. (quince réplicas de cada uno). El contenido de arcilla fue determinado por el método hidrométrico de Bouyoucos (1962), la estabilidad estructural y el índice de agregación por el método propuesto por Yoder (1936). El índice de agregación por el método de Paneque et al. (2010). La determinación del pH por potenciometría y las bases cambiables fueron extraídas con disolución de NH4Ac 1mol•L-1 a pH=7.0. Los cationes K+1 y Na+1 se determinaron por Fotometría de Llama en un Espectrophotometer Flappo 4. Los cationes Ca+2 y Mg+2 se determinaron mediante volumetría de formación de complejos (Paneque et al., 2010). El contenido de carbono orgánico total (Ctotal) por el método de Walkley y Black (1934), con posterior evaluación colorimétrica, en un espectrofotómetro Rayleigh UV-260.

La determinación del contenido de carbono orgánico soluble (COS), se realizó con el mismo procedimiento descrito antes, a partir del extracto obtenido con una disolución de c (NaOH)= 0,5 mol.L-1 (calidad PA). Para la evaluación de las proporciones COS/Ctotal y CAH/COS, se precipitaron los ácidos húmicos (AH) en el extracto y se evaluó el carbono, con igual metodología que en el caso del COS. El carbono en forma de AH (CAH) se calculó por diferencia entre el COS y el contenido en el sobrenadante. Para la extracción de los metales pesados disponibles se empleó una disolución 0,0500 mol L-1 de la sal disódica del EDTA. Los contenidos en el extracto de los cationes Cd2+,Cu2+, Ni2+ y Pb2+por Espectrofotometría de Absorción Atómica en un Espectrometer Nov AA 350 Analitik Jena. Los análisis fueron realizados por triplicado y los valores calculados a partir de curvas de calibración de los respectivos patrones. Se empleó un diseño experimental aleatorizado y los resultados fueron tabulados y graficados mediante el software Microsoft  Office Excel de Windows XP y procesados estadísticamente mediante un análisis de varianza (ANOVA) en su clasificación simple utilizando el paquete estadístico Statgraphics Plus v: 5.1 (Statistical Graphics Crop, 2000). La comparación de medias fue realizada mediante la prueba de comparación múltiple de Tukey p< 0,05 (Tukey, 1958).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La Figura 1 muestra los contenidos de arcilla, arena y limo encontrados, el mayor porcentaje corresponde a la arcilla, seguido por arena, y después el limo,  se concluye que estos suelos se clasifican como arcillosos y por pertenecer al agrupamiento Ferralítico según Hernández et al. (1999), la caolinita es la arcilla predominante, la cual posee baja capacidad de intercambio catiónico y de retención hídrica, siendo menor la formación de asociaciones organominerales (complejos) (Martín y Duran, 2011).

Los valores del porcentaje de arcilla encontrados para el sistema de manejo caña (FRh), pudiera ser un indicio de erosión interna y de compactación debido al cultivo intensivo y no poseer sistema de riego.

En la Figura 2. Se representan los valores del Kes (coeficiente de estabilidad estructural en tamiz seco), Keh (coeficiente de estabilidad estructural en tamiz húmedo) y Ie (índice de agregación o estabilidad del suelo), para los cinco sitios evaluados.

En cuanto al Kes los valores más elevados se presentan en los manejos con menor actividad antrópica, FRh (M) y FRt (PN). Para el coeficiente de estabilidad en húmedo (Keh), en esos manejos se registraron los valores inferiores, al igual que en Índice de estabilidad estructural, siendo los manejos intensivos aplicados durante largos períodos de tiempo, los que han incidido negativamente en la estabilidad estructural de los suelos estudiados. La afectación menos marcada se obtuvo en el manejo FRt (CV), debido a que en los últimos años se le han realizado aportes de fuentes de materia orgánica, y el uso de enmiendas orgánicas influye favorablemente sobre los indicadores de estabilidad de agregados en suelos cultivados. Los elevados valores del índice de estabilidad estructural encontrado en el FRh (P) y en sentido general los manejos agronómicos intensivos, indican que la estructura del suelo ha presentado modificaciones desfavorables debido a la explotación intensiva lo cual puede estar influido, por los bajos contenidos de carbono orgánico total y COS, los cuales promueven la estabilidad de los agregados, la formación y conservación de la estructura (Hernández et al., 2013).

La Tabla 1 muestra los resultados de las propiedades químicas y físico-químicas evaluadas en los manejos estudiados.

En cuanto al pH al agua los manejos del FRh (M) y FRt (PN), de baja actividad antrópica, presentaron valores entre 6 y 7, mientras que los de cultivo intensivo (Agrogénicos), presentaron valores por encima de 8. Los suelos Ferralíticos conservados por muchos años presentan un pH entre 6 y 7 y los de uso agrícola prolongado tienden a alcanzar valores superiores a 7 (Hernández et al., 2013).

El pH en KCl fluctuó entre 6,2 y 6,3 en los suelos poco antropizados y entre 7,00 y 7,25 para los de cultivo intensivo. Las prácticas de fertilización, la calidad de las aguas y la intensidad de los riegos en los manejos intensivos, pueden ser las causas de tal variación del pH a lo largo de muchos años de explotación, en especial en el sistema de cultivo de papa.

Para el Ca²⁺, el valor más elevado se encontró en el FRh (P), lo que pudiera asociarse al pH de este manejo, el contenido menor se encontró en el manejo FRh (C), atribuible al sistema de cultivo en secano y deficiente fertilización. En cuanto al Mg⁺² los manejos de baja actividad antrópica presentaron valores superiores, en cuanto al análisis en función del tipo de suelo, el manejo FRh (C) reportó el menor contenido.Al estudiar larelación Ca/Mg el manejo del suelo FRh(P), presento diferencias significativas al resto de los manejos. Se demostró que los manejos intensivos indujeron un incremento en este indicador, una relación Ca/Mg entre 2-6, se considera normal para la producción agrícola.

Los contenidos de Na⁺ y K⁺ registraron una marcada diferencia del manejo FRh (P), que duplica a lo encontrado en los restantes manejos, llama la atención también que el valor más pequeño se haya registrado en el suelo FRh (C), valores semejantes para suelos, con baja actividad antrópica reportaron (Pérez et al., 2012). En el caso del sodio en el manejo FRh (P) se clasifica de alto, aspecto que debe prestársele atención, dado el carácter fitotóxico de los tenores de sodio por encima de 0,5 cmol kg^-1.

La suma de las bases cambiables evaluadas nos indica una disminución en la CIC para el manejo FRh (C), unido al bajo contenido de Calcio y el pH ligeramente alcalino, pudiera tener un efecto en los rendimientos agrícolas y una posible degradación del suelo (Zeng et al., 2011). Estos resultados demuestran que el tipo de uso del suelo, puede cambiar la estructura, sus propiedades químicas, físico-químicas y biológicas.

En la Tabla 2 se indican los valores encontrados en la evaluación de las fracciones del carbono orgánico estudiadas.

En el contenido de C_total, los suelos con baja actividad antrópica duplicaron los valores, con respecto a los encontrados en los suelos con cultivo intensivo. En ese sentido la preservación de la materia orgánica del suelo es crucial para garantizar la sustentabilidad de los ecosistemas agrícolas a largo plazo, así como para la calidad del ambiente (de Moraes et al., 2014).

En cuanto al COS se observan diferencias significativas de los manejos FRh (M) y FRt (PN) con respecto al resto, lo cual corrobora lo indicado por (Hernández et al., 2013), la pérdida de las reservas de carbono y de COS (30-75 %) en suelos Ferralíticos Rojos en los horizontes (0-30 cm), es el resultado del uso agrícola intensivo, con cultivos de pocas raíces, hortalizas o tubérculos como la papa. Esta disminución pudiera influir en un incremento de la biodisponibilidad de cationes de metales pesados.

En el caso del carbono como ácidos húmicos (AH) se observa que los manejos FRt (CV) como FRt (PN) presentaron diferencias significativas con relación al resto de los manejos evaluados, siendo el manejo FRh (P) el que presenta menor valor. Esto indica que este tipo de manejo es el que ha provocado una afectación más importante en la preservación del carbono orgánico estable del suelo, lo que está en correlación con la disminución de la estabilidad estructural de este suelo (Fageria, 2012).

Relaciones entre COS/C_totaly C_AH/COS en los diferentes manejos objeto de estudio

Los resultados obtenidos en la evaluación de las relaciones entre COS/C_total y C_AH/COS en los diferentes manejos se muestran en la Figura 3 (A y B).

En cuanto a la relación COS/C_total, el manejo FRh (P), registró el menor valor, lo que se interpreta como una afectación en la calidad del carbono de este suelo. La causa puede ser la agricultura intensiva utilizada, el no uso de enmiendas restauradoras de materia orgánica, ya que existe una correlación entre el uso de la MOS como indicador universal de la calidad (fertilidad) y los AH como marcador químico de la estabilidad, determinando en las propiedades físicas, químicas, y biológicas (Canellas y Santos, 2005).

En cuanto a la relación COS/C_totalse destaca el manejo FRh (P), el cual registró el valor más bajo, lo que se considera una seria afectación en la calidad del carbono de este suelo.Estos resultados, pueden estar dados por la agricultura intensiva utilizada y el no empleo de enmiendas recuperadoras de materia orgánica y en estos suelos el carbono orgánico soluble (COS) es sensible a disminuir y su dinámica está gobernada por el empleo de las diferentes prácticas (Verma et al., 2013).

En la fracción del COS se incluyen a los ácidos húmicos y los ácidos fúlvicos, que inciden en la estructura del suelo, la disponibilidad de cationes metálicos y ejercen efectos directos en la fisiología de las plantas (Zandonadi et al., 2013; Canellas y Olivares, 2014).

Evaluación de los contenidos disponibles de los cationes Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ y Pb²⁺ en los manejos estudiados

En la Tabla 3 se indican los valores encontrados de los contenidos disponibles de los cationes de metales pesados evaluados.

Se demuestra que en los manejos de cultivo intensivo fueron encontrados valores superiores para los cationes Cu²⁺, Ni²⁺ y Pb²⁺ en comparación con los sistemas de baja actividad antrópica, aun cuando no se encuentran en niveles superiores a los reportados como concentraciones máximas permisibles por otros países (Kabata-Pendias y Adriano, 1995).

El incremento en los contenidos de Cu²⁺, Ni²⁺ y Pb²⁺, en los suelos con agricultura intensiva es probable que esté relacionado con la aplicación de productos fitosanitarios basados en óxidos y sales de cobre y níquel, especialmente el de papa, en el caso del plomo por el empleo del empleo de maquinaria agrícola con motores de combustión interna. Los valores encontrados superan a los obtenidos por Muñiz (2008), para suelos Ferralíticos Rojos cultivados de la actual provincia Mayabeque, lo que indica que en los años recientes ha continuado el incremento en sus niveles.

En el caso del Cd²⁺ el suelo correspondiente a FRh (P) presentó un contenido biodisponible que supera incluso los valores de concentración total consideradas como límites permisibles en la mayoría de las referencias reconocidas (entre 1 y 3 mg kg^-1 para la Unión Europea, 3 en Gran Bretaña, 1,5 en Alemania y 0,8 en Canadá, según Kabata-Pendias y Adriano (1995). Esta situación constituye un riesgo a tener en cuenta en la utilización de estas áreas con fines agrícolas, ya que varios cultivos de interés alimentario tienen la capacidad de hiperacumular este catión.

Es necesario resaltar que los manejos donde se detectaron los niveles más altos de metales pesados, son aquellos en que los valores de pH son superiores a 7,5, ya que la mayoría de los cationes de metales pesados se encuentran en formas poco solubles en ese medio y cualquier procedimiento que implique acidificaciones de esos suelos, provocarían un incremento de los contenidos disponibles para las plantas.

Se demuestra que las prácticas agrícolas pueden inducir a la acumulación de estos contaminantes en los suelos, a partir de fuentes tales como las aguas, los fertilizantes y los productos fitosanitarios, lo cual influye en la dinámica de los elementos catiónicos en el suelo y en las plantas, ejerciendo efectos fisiológicos negativos, que implican reducciones en el crecimiento, la acumulación de masa seca, así como en el rendimiento agrícola, favoreciendo su disponibilidad para los cultivos, incorporación en la cadena trófica y hace vulnerables las plantas al ataque de plagas y enfermedades (Wang et al., 2014).

En esto resalta el manejo FRh (P) cuyo sistema tecnológico en Cuba posee elevadas aplicaciones de agroquímicos y acciones fitosanitarias, con reconocido riesgo agroambiental (Delince et al., 2015). Los resultados obtenidos en la evaluación de los MP en los manejos estudiados, confirman que su disponibilidad en los suelos es un proceso dinámico que depende de combinaciones específicas de parámetros físicos, físico-químicos, químicos, biológicos y ambientales (Singh y Kalamdhad, 2013).

CONCLUSIONES

• Los suelos sometidos a diferente intensidad de manejo mostraron diferencias en la mayoría de las propiedades físicas, físico-químicas y químicas, esencialmente el pH, relación Ca/Mg, la estabilidad estructural, los contenidos de carbono orgánico total y el carbono orgánico soluble. El sistema de manejo Ferralítico Rojo hidratado bajo cultivo de papa indujo los indicadores más desfavorables.

• Los contenidos de MP disponibles estudiados presentaron diferencias entre los distintos manejos estudiados, evidenciándose que en aquellos suelos de uso intensivo se registraron los mayores valores para Cu²⁺, Pb²⁺ y Ni²⁺, mientras para el caso del Cd²⁺ el sistema de manejo para el cultivo papa del suelo FRh (P) presentó el contenido más elevado, alcanzando un valor superior al referido como máximo permisible en varios países y para los suelos Ferralíticos Rojos de Cuba.

NOTA

*La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.

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Recibido: 27/12/2015
Aprobado: 08/07/2016

Reinaldo Reyes-Rodríguez, Prof., Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Agronomía, Dpto. Química, Grupo FITOPLANT, Cuba. Email: reinaldo_reyes@unah.edu.cu