Área de estudio y muestreo de suelo

La investigación se realizó en zonas destinadas al cultivo del tabaco en nueve entidades agrícolas representativas, ubicadas en los municipios de Consolación del Sur, Pinar del Río, y San Juan y Martínez, pertenecientes a la llanura sur de la provincia Pinar del Río (Figura 1) en una extensión de 550 km².

En total fueron recolectadas 59 muestras en igual número de sitios (Tabla 1) ubicados en suelos FeRojizo Arralítico Amarillento Lixiviado (FRAL), Alítico de baja actividad arcillosa marillento (ABA-RA) y Arenosol; de acuerdo con la clasificación de ^{Hernández et al. (2015)}; Acrisol Crómico Férrico, Nitisol Ródico y Arenosol respectivamente, según la ^{IUSS (2007)}.

Tabla 1 Distribución de los sitios de muestreo por tipo de suelo, provincia Pinar del Río (Cuba). 

*FRAL- Ferralítico Amarillento Lixiviado, ABA-RA- Alítico de Baja Actividad Arcillosa Rojo Amarillento.

Cada submuestra fue tomada en forma aleatoria entre 0 y 20 cm de profundidad en el suelo. La muestra final consistió en 1 kg de suelo a partir de 20 submuestras que fueron secadas al aire, trituradas y tamizadas con un diámetro de 2 mm.

Análisis químico

Para este análisis se utilizó la metodología propuesta por ^{Embrapa (1997)}. El pH se determinó con potenciómetro en relación suelo:agua (1:2.5). La materia orgánica (M.O.) se determinó por oxidación húmeda (método- Walkley Black).

Los cationes Ca y Mg intercambiables se determinaron con una solución extractora de KCl 1M y análisis por espectrofotometría de absorción atómica con llama (EAA). La extracción del P asimilable e intercambiable se realizó por el método Mehlich-I con una solución de HCl (0.05 N) y H₂SO₄ (0.025 N). La medición del P asimilable se realizó con el espectrofotómetro UV-VIS; mientras que el K se determinó con el espectrofotómetro de llama Digimed.

Concentraciones seudototales y fraccionamiento de metales pesados

Para determinar las concentraciones seudototales de MPs se tomó 1 g de la muestra de suelo tamizada, digeridas mediante el calentamiento con el Digestor MARS Xpress®, Método USEPA 3051A utilizando agua regia invertida (^{ISO 11466, 1995}). Los extractos resultantes fueron analizados por EAA en un equipo VARIAN-55B donde se cuantificaron los elementos metálicos Cd, Pb, Zn, Fe, Mn, Ni, Cu Cr y Co.

Posteriormente se tomó 1 g de suelo y se realizó la extracción secuencial según el método BCR descrito por ^{Ure et al. (1993)} adicionando la fracción hidrosoluble. Las muestras blanco (testigo) sin adición de suelo fueron analizadas empleando el procedimiento anterior para cada etapa de análisis en tres repeticiones. El procedimiento utilizado, los reactivos y las cinco fracciones obtenidas se incluyen en el Tabla 2.

Tabla 2 Esquema empleado para la extracción secuencial de MPs, según el método BCR. 

*F5-Residual se obtuvo mediante la resta de los contenidos de MPs de las cuatro +etapas anteriores.

Los contenidos de MPs en los extractos fueron cuantificados con Espectrómetro de Emisión por Plasma (ICP-OES). El límite de detección (LD) del método fue calculado por la media de los valores de los blancos más tres veces la desviación estándar del blanco de todos los análisis (10 repeticiones). Finalmente, se determinó el factor de movilidad (FM) mediante la diferencia de las fracciones lábiles o móviles del metal y el resultado del esquema de extracción completo. Para esto se utilizó la ecuación 1, propuesta por ^{Iwegbue, (2013)}:

Ec. 1

donde, FM es el factor de movilidad de las fracciones; F1...Fn son las fracciones geoquímicas del metal.

Figura 1 Ubicación geográfica del área de estudio. 

Análisis estadístico

Los datos fueron analizados por el método descriptivo y análisis multivariado de componentes principales (ACP) (^{Hair et al., 1999}). El procesamiento estadístico se realizó empleando el SPSS v.22 para Windows.

Propiedades del suelo y concentración de metales pesados

Los suelos se caracterizan por su baja fertilidad y contenido de arcilla, el pH ligeramente ácido (5.5 - 6.5) (^{Mesa et al., 1984}) (Tabla 3), contenido de M.O < 1% debido laboreo intensivo que ha contribuido a la degradación (^{García- Carrasco et al., 2014}). El contenido de bases cambiables y la capacidad de intercambio catiónico son bajos, lo cual es común en suelos cultivados con tabaco en la provincia de Pinar del Río (^{Amaro-Aroche y Vitoria-Doria, 2013}). Los valores de P soluble son > 45 mg/dm³, como resultante de la aplicación de fertilizantes y la tendencia a la acumulación de este elemento en el suelo (^{Cánepa-Ramos et al., 2015}). Las concentraciones seudototales de los metales estudiados en el suelo son menores que las establecidas como valores de prevención para suelos cubanos (^{Rodríguez-Alfaro et al., 2015}) (Tabla 4).

Tabla 3 Propiedades físico-químicas de los suelos^a en zonas destinadas al cultivo del tabaco. Pinar del Río (Cuba). 

aValores promedios ± desviación estándar.

* Letras diferentes en la fila indican diferencias significativas (P≤ 0.05).

bFRAL- Ferralítico Amarillento Lixiviado, ABA-RA- Alítico de Baja Actividad Arcillosa Rojo Amarillento. CIC- capacidad de intercambio catiónico.

Tabla 4 Concentraciones seudototales de MP en suelos destinados al cultivo del tabaco en Pinar del Río (Cuba). 

FRAL- Ferralítico Amarillento Lixiviado, ABA-RA- Alítico de Baja Actividad Arcillosa Rojo Amarillento.

¹Valor de prevención propuesto para suelos cubanos (^{Rodríguez-Alfaro et al., 2015}).

Con excepción del contenido de Co en el suelo ABA-RA (23 mg/kg), en los demás este metal presentó valores diferentes al valor de prevención (25 mg/kg). El Cd es el metal de menor concentración en el suelo con valores < 1 mg/kg. En este suelo se presentaron valores superiores en todos los casos, lo que puede ser debido a que no obstante tener una textura similar a los demás, presenta un contenido mayor de arcilla. Además, exhibe valores ligeramente más elevados de Fe y Mn. Según ^{Amaral-Sobrinho et al. (2009)} los óxidos de Fe y Mn tienen un efecto significativo en la absorción de los MPs.

En el análisis de las concentraciones seudototales de MPs de manera general se encontró que estos elementos están asociados al material parental, los procesos pedogenéticos, y las condiciones geomorfológicas y climáticas de cada región. En estudios similares a la presente investigación, ^{Fassler et al. (2010)} y ^{Rashid y Bashir (2012)} en suelos destinados al cultivo del tabaco encontraron bajas concentraciones de MPs, con valores inferiores a los de prevención establecidos por las normas de varios países. Al tomar como referencia las concentraciones totales de estos MPs reportados por varios autores, en suelos destinados al cultivo del tabaco, se evidenció que, a pesar del uso intensivo, este cultivo no ha provocado incrementos significativos en las concentraciones de MPs.

El fraccionamiento geoquímico permitió conocer las asociaciones principales de los MPs en el suelo (Figura 2). El patrón de distribución de Cu indicó una mayor asociación con la fracción residual, con valores > 60%, seguido de la fracción unida a la M.O. Estos metales pueden encontrarse absorbidos en la superficie de las arcillas de tipo caolinita, en óxidos, o unidos a la M.O. formando quelatos (^{Chaignon, et al., 2003}). En la fracción reducible ligada a óxidos de estos suelos solo se encontró 10% de este elemento; por otra parte, en las fracciones soluble e intercambiables se encontraron porciones muy pequeñas, lo que indica un riesgo bajo de contaminación, si se mantienen las mismas prácticas agrícolas.

Figura 2 Fracciones de los metales Cu, Pb, Zn, Ni, Cr, Co y Cd en los suelos: FRAL-Ferralítico Amarillento Lixiviado, ABABA-Alítico de Baja Actividad Arcillosa Rojo Amarillento. F1 fracción soluble en agua, F2 fracción ácido soluble, F3 fracción reducible ligada a óxidos de hierro y manganeso, F4 fracción oxidable unida a la materia orgánica y F5 fracción residual. ND- no detectado. 

El Pb se encontró asociado principalmente con la fracción residual (F5) y unido a la materia orgánica (F4). ^{Li et al. (2007)} encontraron bajas concentraciones de este elemento en el suelo, principalmente en la fracción residual. En la medida que las concentraciones totales incrementaron pasaron a la fracción intercambiable. En la fracción ligada a óxidos de hierro y manganeso (F3) se encontraron valores entre 24 y 28%. Los MPs presentes en esta fracción pueden pasar a formas biodisponibles, si cambian las condiciones de oxidación-reducción (^{Szolnoki y Farsang, 2013}). En las fracciones más lábiles (hidrosoluble y ácido-soluble), los valores encontrados fueron bajos y no superaron 10%, excepto en el Arenosol, donde se registró un valor de 20%; lo anterior puede deberse a que este suelo presenta el pH más bajo (5.5). Se ha demostrado que el pH está negativamente correlacionado con la movilidad de Pb; ya que en estas condiciones este metal aparece en forma de iones libres, incrementando su biodisponibilidad (^{Martínez y Motto, 2000}; ^{McLaughlin et al., 2011}; ^{Zeng et al., 2011}).

El fraccionamiento del Zn indicó que este metal está vinculado en más de 50% con la fracción residual. Existe una tendencia de los minerales arcillosos a absorber Zn irreversiblemente por penetración en la red cristalina (^{Gasparatos et al., 2015}), razón por la que el suelo ABA-RA tiene el mayor porcentaje de este elemento. En la fracción unida a la M.O y a óxidos se observaron valores aproximados de 7% y 11%, respectivamente. La fracción ácido soluble (F2) mostró valores superiores a 15%. Estos valores coinciden con los hallazgos de ^{Kennou et al. (2015)} en condiciones similares a las de este estudio. La fracción hidrosoluble fue baja con valores < 3%. Los valores bajos en esta fracción son comunes debido a que, en suelos minerales no contaminados el Zn se encuentra asociado principalmente con la fracción reducible unido a óxidos de Fe, Mn y Al y sus formas móviles son menos frecuentes (^{Iwegbue, 2013}; ^{Gasparatos et al., 2015}). No obstante, este resultado puede variar si cambian las propiedades del suelo, en especial el pH (^{Houben, 2013}; ^{Kushwaha et al., 2018}).

El Ni presentó la mayor afinidad por la fracción residual, con valores elevados superiores a 70% en los suelos estudiados. En suelos no contaminados este metal se encuentra principalmente en esta fracción, lo que indica su procedencia litogénica (^{Szolnoki y Farsang, 2013}; ^{Gasparatos et al., 2015}). Sin embargo, la presencia de este elemento en las fracciones más lábiles y biodisponibles (F1 + F2), con valores cercanos a 10%, indicó que este metal presenta riesgos de acumulación en formas disponibles para la planta. En Pinar del Río (Cuba) la mayor parte de Ni se encontró en formas no asimilables por las plantas. No obstante, los suelos de textura arenosa por sus características químicas y físicas mantienen en forma disponible para las plantas una mayor proporción de Ni que en otros tipos de suelos (^{Muñiz et al., 2015}).

El Cr igualmente presentó mayor afinidad por la fracción residual. Este elemento se encontró en bajas concentraciones seudototales (Tabla 4) y su contenido obedece principalmente al material de origen. También se observó cierta afinidad con la fracción ligada a la M.O, siendo el suelo FRAL el de mayor afinidad, con un valor de 20%. Los suelos no mostraron afinidad con la fracción ligada a óxidos. La suma de las fracciones móviles (F1 + F2) mostraron valores cercanos o mayores que 25%; sin embargo, la biodisponibilidad de este elemento generalmente es baja, presentando valores que no sobrepasan 3% del total en el suelo (^{Szolnoki y Farsang, 2013}).

El Co presentó una tendencia diferente a los demás MPs. La asociación con la fracción residual fue ligeramente inferior a los valores registrados en el resto de los metales, con valores entre 32 y 44%. La fracción unida a la M.O. fue baja en los tres tipos de suelos con valores < 10%. La fracción ligada a óxidos presentó valores elevados en los suelos FRAL (33%) y ABA-RA (59%); sin embargo, en el caso del Arenosol no se observó asociación con esta fracción. Las fracciones que determinan la movilidad del metal (F1 + F2), presentaron valores discrepantes entre los principales tipos de suelo en comparación con otros metales. En el Arenosol el Co mostró la mayor movilidad, con 55% en ambas fracciones, seguido del suelo FRAL con 20%. Estos resultados permiten inferir que en estas condiciones este metal puede representar riesgos de transferencia al cultivo de tabaco o a otras especies cultivadas.

El Cd mostró alta afinidad por las fracciones residual y la reducible unida a óxidos. No obstante, este elemento también mostró una alta asociación con las fracciones más móviles (F1 + F2), con un valor aproximado a 30% en el suelo FRAL. En suelos cultivados con tabaco, ^{Ortega et al. (2013)} encontraron que la fracción de Cd era la segunda de mayor concentración y biodisponibilidad, seguida de la fracción unida a carbonatos; en Arenosoles este metal no fue detectado. El Cd en condiciones naturales se encuentra asociado principalmente a los carbonatos y a la fracción orgánica (Rosen y Chen, 2014). El elevado contenido de arena en estos suelos determina la baja reserva y capacidad buffer para retener cationes fundamentalmente el Cd (^{Freitas et al., 2017}).

A partir del análisis de los datos obtenidos se registraron diferencias en el factor de movilidad (FM) de los MPs en estudio, de acuerdo con el orden siguiente: Cd > Cr = Zn = Co > Pb = Ni > Cu (Tabla 5). El FM fue alto para Cd, Cr, Zn y Co con valores superiores a 10%, lo que indica que estos metales potencialmente pueden ser extraídos y acumulados por la planta de tabaco o ser lixiviado en aguas subterráneas como posibles vías de contaminación.

Tabla 5 Factores de movilidad para los metales pesados incluidos en el estudio. Suelos cultivados con tabaco, Pinar del Río (Cuba). (n = 177) 

aRIC: Rango intercuartil. *Valores seguidos de letras diferentes en la misma fila difieren entre sí (P < 0.05).

Entre los MPs estudiados, el mayor FM (> 50%) se observó en Cd, lo cual indicó que este metal, a pesar de los bajos contenidos seudototales en los suelos, se acumula en formas disponibles para la planta y puede constituir un riesgo para el cultivo del tabaco. El Cd es conocido por ser un elemento más móvil y soluble que muchos otros MPs en el suelo. El alto FM de este metal es común en suelos arenosos, donde predominan las fluctuaciones de pH, siendo este un factor clave en el control de su disponibilidad (^{Chen et al., 2009}). El elevado FM de otros elementos, como el Cr, no es común, siendo este uno de los elementos metálicos más estables en suelos de Cuba. Los resultados del contenido de Cr en las fracciones más lábiles en suelos no cultivados de Cuba no superan 3% del Cr total (^{Rodríguez- Alfaro et al., 2015}).

El Zn igualmente presenta alta movilidad y es uno de los elementos que comúnmente presentan alteraciones en su ciclo biogeoquímico en el suelo, debido a causas antropogénicas (^{Sposito, 2008}). Sin embargo, es esencial para el desarrollo de la planta y no es tóxico en bajas concentraciones. El Co es un elemento que aparece ocluido en minerales secundarios en forma de co-precipitado generalmente con óxidos de manganeso. El elevado FM observado en este estudio puede estar dado por transformaciones en las condiciones del suelo, como los cambios de pH, que provocan la solubilidad de estos precipitados. Las propiedades de absorción iónica de los óxidos de Fe y Mn dependen, en gran medida, del pH (^{Kabata-Pendias, 2004}), es por ello que en el Arenosol (pH 5.5) se registró la mayor cantidad de Co (55%) en las fracciones F1 y F2.

No obstante, la alta movilidad de los MPs antes mencionados, debido a sus bajas concentraciones en el suelo tienen una baja biodisponibilidad para la planta de tabaco. El resto de los MPs presentaron baja movilidad siendo el Cu el elemento de mayor estabilidad en el suelo. La baja movilidad de este elemento es común en suelos minerales con bajo contenido de materia orgánica.

El Análisis de Componentes Principales (ACP) permitió identificar tres componentes, que representaron 78.7% de la varianza total de los datos originales (Tabla 6). El primero permitió explicar el 47.5 % de la varianza total. Las variables que aparecen en este análisis con mayor carga son la CIC y contenido de calcio, además de todos los MPs en estudio, estos últimos con una carga > 0.7, excepto Cu y Cr. La fuente fundamental de estas variables en este componente puede deberse a causas naturales. Los MPs pueden ser adsorbidos en la superficie de las arcillas, o en oxihidróxidos de hierro y manganeso y también pueden estar presente en la red cristalina de minerales primarios y secundarios tales como carbonatos, sulfatos y óxidos (^{Kennou, et al., 2015}).

Tabla 6 Matriz de componentes rotados y varianza total explicada de las variables en estudio. Pinar del Río (Cuba).