Influencia de las condiciones geólogo-geomorfológicas en la acumulación de metales pesados en los suelos de la Llanura Sur de Pinar del Río

La cobertura edáfica "archiva" rasgos y propiedades heredadas de fases climáticas y geológicas pasadas, que no están en equilibrio con los procesos edafogénicos actuales ¹⁷, donde la estructura geológica influye en el origen de los MPs presentes hoy día en los suelos de acuerdo a su distribución zonal-espacial (Tabla 3).

Una característica significativa de los suelos, es su tránsito hacia el material basal o corteza de intemperismo subyacente, la cual se asocia con la eluviación de las arcillas a través del perfil en un ambiente de mayor estabilidad (flexuras cóncavas de las microladeras), dinámica confirmada en las observaciones morfólogo-genéticas efectuadas, corroborándose lo planteado anteriormente ¹⁹. En algunos casos estos sedimentos intemperizados ya sea por su ubicación en el microrelieve o poseer mayor proporción de arcillas están enriquecidos de MPs, por lo que los suelos pueden ser clasificados como "contaminados" ¹⁰. Sin embargo, estas concentraciones fueron encontradas naturalmente o de baja actividad antrópica, debido a la presencia de estos elementos en los minerales constituyentes de las rocas y depósitos eluvio-deluviales característicos de los ambientes geológicos de formación, coincidiendo con estudios realizados previamente en regiones similares ³.

Dinámica pedogénesis-morfogenésis y su influencia en la acumulación de metales pesados

Mediante un análisis integral, se examina la etapa actual de la morfogénesis y en sentido más amplio, la dinámica de algunas de las propiedades de los suelos que, por su bajo contenido de materia orgánica y textura arenosa entre otras características ²⁰, resultan muy erodables, unidas a prácticas de manejo tradicionales que han conducido al progresivo declive de su fertilidad química, física y biológica ²¹.

En este contexto a partir de la interpretación de las formas del relieve y en particular del balance pedogénesis-morfogénesis fueron diferenciadas dos subregiones: Noreste (superficie erosivo-acumulativa) y Sur (superficie acumulativa) caracterizadas por una evolución paleo geográfica diferente y compleja tanto por las condiciones geólogo - geomorfológicas, como por las condiciones de uso que contemporáneamente han influido en la distribución zonal - espacial de los MPs (Figura 2), caracterizada por presentar variaciones de la cobertura edáfica, en la que se destacan los suelos alítico de baja actividad arcillosa rojo - amarillento (ABARA), Ferralítico Amarillento Lixiviado (FRAL) y Arenosoles, entre otros tipos como el Fluvisol y Arenosol de acuerdo con lo reportado ¹².

Superficie erosivo-acumulativa. Sector superior unidad Consolación del Sur

En la misma se ubican las vertientes más acentuadas tanto por la posición que ocupa en el contexto de la provincia como por los disímiles procesos que se verifican (Figura 3), clasificada como una superficie esparcidora de reptación de acuerdo con ²², donde los procesos de meteorización-erosión han dado origen a cortezas automórficas redepositadas del tipo caolinito-alíticas-férricas a una profundidad entre 40-60 cm, asociadas a mantos de arcillas, cuyos rasgos morfológicos principales se ajustan a un horizonte edáfico de textura ligera, generalmente ácido, poco humificado, de baja capacidad de intercambio catiónico, desaturado con concreciones ferruginosas.

En el desarrollo del perfil han influido causas naturales y factores antropogénicos, que en ocasiones han interrumpido el proceso evolutivo-secuencial descrito, propiciando una combinación de suelos a nivel de tipo genético: Alítico de baja actividad arcillosa rojo-amarillento (ABARA), Ferralítico Amarillento Lixiviado (FRAL) y Fluvisol, donde la diferenciación pedológica es altamente contrastante que se revela por los cambios en la composición químico-mineralógica del material pétreo subyacente y grado de evolución, atendiendo al enclave topográfico que ocupan.

De manera que los perfiles de suelos ABARA y FRAL se distribuyen en un relieve ondulado (Figura 3), donde la configuración espacial de las formas de las pendientes son menos estables ((=8-10 %; H=50-100 m), mientras que los suelos Fluvisol están básicamente confinados en los valles de crecidas de los ríos y sectores llanos del territorio ((=2-4 %; H=30-50 m), siendo común los aportes de materiales alóctonos y MPs en el espesor superior de los perfiles que coinciden con los resultados obtenidos en la Llanura Sur de Pinar del Río ²³.

En relación a las propiedades físicas los suelos presentan en general una textura ligera, con porcentaje de arcilla comprendido entre 5-30 % al nivel de los horizontes genéticos A+B_0-50cm que resultan los de mayor importancia para el cultivo del tabaco (Tabla 4), donde el 70-95 % de su masa está constituida por fracciones arenosas, fundamentalmente por caolinita de buena cristalización y en menor proporción illita y vermiculita, con trazas de clorita, siendo una regularidad el aumento de dichos minerales en profundidad de acuerdo a la posición que ocupen en el microrelieve. Este horizonte iluvial eventualmente aflora en superficie cuando la erosión es muy fuerte.

El análisis de las propiedades físico - química y químicas (Tabla 5), denota un valor promedio de la materia orgánica de 3,44 % calificándose de media según ¹⁵, donde el suelo ABARA presenta el menor valor como manifestación del desarrollo y mantenimiento de las vertientes, grado de erodabilidad y de uso señalados. La capacidad de intercambio catiónico muestra un valor promedio de 15,69 cmol_c kg^-1 (bajo) en correspondencia con el porcentaje de arcilla y el pH en los primeros horizontes, unido a los contenidos medios de las bases cambiables (fundamentalmente el Ca y Mg) y textura arenosa ²³.

Superficie acumulativa. Sector medio - inferior unidades Pinar del Río, San Juan y Martínez y San Luís

Esta superficie muestra diferencias en las propiedades de los suelos determinadas principalmente por la configuración espacial de las pendientes a nivel de meso y micro relieve (Figura 4), que desde el punto de vista geológico se asocian a la Formación Guane + Guevara ²⁴.

La misma abarca las unidades (SJM y PR), con una hipsometría comprendida entre H=30-50 m; donde los sedimentos se caracterizan por sus semejanzas morfológicas y texturales, pero con diferentes edades dada la acción conjunta de los procesos de erosión-transporte-sedimentación, con funciones interrelacionadas que representan una barrera geomorfológica, que ha conllevado a una diferenciación de síntesis y descomposición de la materia orgánica, propiciando la formación de los suelos ABARA, FRAL y Arenosoles con un marcado contraste y en estrecha relación con las condiciones litogeomorfológicas, dinámica que se corresponde con las descritas por ²⁵.

Por otra parte, los suelos ABARA y FRAL del sector medio-inferior ocupan la mayor extensión del área (Tabla 6), donde los materiales formadores son consecuencia de la redeposición de eluvios intemperizados que contienen ciertas cantidades de mica, provenientes de los esquistos cuarcíticos de las regiones más altas, mientras que los Arenosoles se distribuyen en alturas entre 20-40 m y se caracterizan por una diferenciación pedológica de la capa cobertora a nivel de meso relieve en los valles de crecida de los ríos (espacios interfluviales 250-450 m) que interceptan el territorio.

En profundidad se manifiesta una reducción del diámetro de los poros al hacerse más compactos originado por las acumulaciones de las fracciones más finas (< 0,002 mm) en el perfil que ocupan el espacio poral a partir de los 50 cm de profundidad (Tabla 6); que limita la penetración de las raíces o lo hacen revistiendo los agregados, comprimiéndose, comportamiento reportado en parcelas de tabaco ²⁶.

Acumulación de metales pesados y su distribución espacial en los principales suelos de la Llanura Sur de Pinar de Río

En cuanto a la procedencia de los principales elementos metálicos ha resultado estratégico considerar la evolución paleogeográfica de la Llanura Sur de Pinar del Río, para conocer los orígenes del comportamiento geoquímico actual de los principales suelos. Una característica frecuente es el tránsito abrupto del horizonte B a la corteza intemperismo antigua (ferralitizada), ya sea in situ o redepositada que regularmente constituye el horizonte C de los suelos ²⁷, generalmente de muy poca actividad biológica y en la mayoría de los casos yacente entre los 120 - 150 cm de profundidad.

Las bajas concentraciones naturales de MPs (Tabla 7) se deben a que estos suelos están sustentados fundamentalmente sobre materiales transportados de origen silíceo y arcilla caolinizada que no retienen gran cantidad de cationes metálicos, debido al bajo contenido de arcilla y materia orgánica ²⁸, ya que suelos muy evolucionados y formados bajo fuertes procesos de intemperismo presentan bajas concentraciones naturales de MPs, criterio que coincide con investigaciones similares realizadas ²⁹.

El Cr, Ni, Cu, Co y Zn están asociados a minerales primarios o coprecipitados con otros secundarios o fuertemente ligados a óxidos de Fe, Mn y Al, también se acumulan en las zonas donde se producen deposiciones de suelos removidos por procesos de erosión hídrica donde son lixiviados los compuestos metálicos, dinámica que corrobora las investigaciones realizadas en regiones similares ³⁰.

En el caso del Cd las concentraciones son muy bajas, solo se observan ciertas acumulaciones en los suelos FRAL, ABARA y Fluvisol, con valores inferiores a la unidad (Tabla 7). Al comparar las concentraciones de este elemento con los valores naturales promedios reportados para los suelos cubanos ³¹, se advierte que los suelos del municipio Consolación del Sur poseen concentraciones inferiores de este elemento. El Cu y Zn presentaron los valores más elevados en el Fluvisol sin diferencias con el resto de los suelos, por lo que se puede afirmar que el comportamiento de ambos elementos es semejante.

El Pb muestra un comportamiento heterogéneo, en conformidad con los contenidos de óxidos de Fe y Mn dada su fuerte capacidad para adsorber este elemento; algo similar ocurre con la materia orgánica y las condiciones de pH elevado que favorecen la formación de quelatos estables de Pb, resistentes a la lixiviación ³². El suelo FRAL presenta los valores más bajos de este elemento, situación que se expresa igualmente en su distribución espacial (Figura 5). Los suelos ABARA (14,62 mg kg^-1) y Fluvisol (15,29 mg kg^-1) presentan contenidos similares, en las unidades de Consolación del Sur-San Juan y Martínez respectivamente, debido a las similitudes entre las características de estos dos agrupamientos en ambas superficies.

Es decir; en los suelos ABARA debido a la posible influencia de la corteza de intemperismo de composición montmorillonítica y montmorillonito-caolinítica, que en ocasiones aflora o se muestra próxima a la superficie producto de la erosión, mientras que en el suelo Fluvisol es resultado del acúmulo de sedimentos de textura areno - arcillosos y arcillo - arenosos con intercalaciones de gravas de variada composición y dimensiones, dado su enclave en las zonas depresionales como ha sido indicado.

Mientras el Fe y Mn mostraron valores elevados y diferentes de acuerdo al tipo de suelo (Figuras 6 y 7), especialmente concentraciones elevadas en suelos FRAL debido a la propia naturaleza del material de origen y proceso de formación; donde estos elementos se encuentran fundamentalmente en forma de óxidos, hidróxidos u oxihidróxidos y están presentes en casi todos los suelos ³³.

En cuanto a su distribución espacial en los suelos los MPs Fe y Mn presentan comportamientos de similares en ambos sectores de la Llanura Sur, al estar sustentados sobre materiales con una composición químico-mineralógica semejante.

Este condicionamiento geólogo-geomorfológico ofrece un ambiente favorable para el equilibrio ambiental, siempre que sean adoptadas estrategias agroecológicas para el manejo de los suelos. No obstante, en el “Macizo Tabacalero de Vuelta Abajo” ha representado una práctica común entre los agricultores la recultivación, que consiste en recolectar sedimentos de las vertientes cercanas a los ríos y aplicarlo aguas arriba. Estos sedimentos por lo general están enriquecidos con MPs, compuestos orgánicos tóxicos, nutrientes y materia orgánica, que podrían activar los compuestos tóxicos retenidos, poniendo en riesgo la calidad de las producciones y la salud humana, lo cual se corrobora con lo informado ^₍₃₄₎ en otras regiones del país.

Pedogonesis-morfogenésis dynamic and its influence in heavy metal accumulation

Through a comprehensive analysis, the current stage of morphogenesis is examined and, in a broader sense, the dynamics of some of the properties of soils that, due to their low content of organic matter and sandy texture ²⁰. Among other characteristics, they are very erodible ones, together with traditional management practices that have led to the progressive decline of their chemical, physical and biological fertility ²¹.

In this context, two sub-regions were from the interpretation of the landforms differentiated and in particular the pedogenesis-morphogenesis balance Northeast (erosive-cumulative surface) and South (cumulative surface). It is characterized by a different and complex paleo-geographical evolution both the geological-geomorphological conditions, as well as by the conditions of use that at the same time have influenced the zonal - spatial distribution of the HMs (Figure 2). It presents variations in the edaphic cover, in which the alitic soils with low activity stand out red-yellowish clay (ABARA), Ferralitic Yellowish Leachate (FRAL) and Arenosols, among other types such as Fluvisol and Arenosol according to what was reported ¹².

Erosive - cumulative surface. Upper sector of Consolación del Sur unit

In it, the most accentuated slopes are located, both for the position it occupies in the context of the province and for the dissimilar processes that take place (Figure 3). They are classified as a scattering surface for creeping ²², where the weathering-erosion processes have given rise to redeposited automorphic bark of the kaolinite-alitic-ferric type at a depth between 40-60 cm, associated with clay mantles, whose main morphological features conform to a lightly textured, generally acidic edaphic horizon Low humidification, low cation exchange capacity, desaturated with ferruginous concretions.

The development of the profile has been influenced by natural causes and anthropogenic factors, which have sometimes interrupted the evolutionary-sequential process described, leading to a combination of soils at the genetic level: Alitic with low red-yellowish clay activity (ABARA), Ferralitic Yellowish Leachate (FRAL) and Fluvisol, where the pedological differentiation is highly contrasting. It is revealed by the changes in the chemical-mineralogical composition of the underlying stone material and the degree of evolution, attending to the topographic enclave they occupy.

Therefore, the ABARA and FRAL soil profiles are in a wavy relief distributed (Figure 3). The spatial configuration of the slope shapes are less stable ((=8-10 %; H=50-100 m). Fluvisol soils are basically confined to the flood valleys of rivers and flat sectors of the territory ((=2-4 %; H=300-50 m), with contributions of non-native materials and HPs in the upper thickness being common of the profiles that coincide with the results obtained ²³ in the Southern Plain of Pinar del Río.

In relation to physical properties, soils generally have a light texture, with a percentage of clay between 5-30 % at the level of the genetic horizons A+B0-50 cm. They are the most important for tobacco cultivation (Table 4), where 70-95 % of its mass is of sandy fractions made up, fundamentally kaolinite of good crystallization and in a lesser proportion illite and vermiculite, with traces of chlorite, being a regular increase in said minerals in depth according to the position they occupy in the micro-relief. This illuvial horizon eventually emerges on the surface when erosion is very strong.

The analysis of the physical-chemical and chemical properties (Table 5), denotes an average value of organic matter of 3.44 %, qualifying on average according to ¹⁵, where the ABARA soil presents the lowest value as a manifestation of the development and maintenance of the aspects, degree of erodability and use indicated. The cation exchange capacity shows an average value of 15.69 cmol_c kg^-1 (low) in correspondence with the percentage of clay and the pH in the first horizons, together with the average contents of the exchangeable bases (mainly Ca and Mg) and sandy texture ²³.

Cumulative area. Middle-lower sector Pinar del Río, San Juan y Martínez and San Luís units

This surface shows differences in soil properties mainly determined by the spatial configuration of the slopes at the meso and micro relief levels (Figure 4), which from a geological point of view are associated with the Guane + Guevara Formation ²⁴.

It covers the units (SJM and PR), with a hypsometry between H=30-50 m; where the sediments are characterized by their morphological and textural similarities, but with different ages given the joint action of the processes of erosion - transport - sedimentation, with interrelated functions that represent a geomorphological barrier. It has led to a differentiation of synthesis and decomposition of organic matter, promoting the formation of the ABARA, FRAL and Arenosols soils with a marked contrast and in close relationship with the lithogeomorphological conditions, a dynamic that corresponds to those studied for some authors ²⁵.

On the other hand, the ABARA and FRAL soils of the lower-middle sector occupy the largest area (Table 6), where the forming materials are a consequence of the redeposition of weathered eluvia containing certain amounts of mica, from the quartzite shale of the highest regions. While the Arenosols are at heights between 20-40 m distributed and they are characterized by a pedological differentiation of the cover layer at the meso relief level in the river flood valleys (interfluvial spaces 250-450 m) that they intercept the territory.

In depth, a reduction in the diameter of the pores is manifested as it becomes more compact, caused by the accumulations of the finest fractions (<0.002 mm) in the profile that occupy the poral space from 50 cm depth (Table 6). It limits the penetration of the roots or does so by coating the aggregates, compressing, behavior reported in tobacco plots ²⁶.

Accumulation of heavy metals and their spatial distribution in the main soils of the Southern Plain of Pinar de Río

Regarding the origin of the main metallic elements, it has been strategic to consider the paleogeographic evolution of the Southern Plain of Pinar del Río, to know the origins of the current geochemical behavior of the main soils. A frequent feature is the abrupt transit of the B horizon to the old (ferralitized) weathering crust, either in situ or redeposited, which regularly constitutes the C horizon of the soils ²⁷, generally of little biological activity and in most of the reclining cases between 120-150 cm deep.

The low natural concentrations of HMs (Table 7) are because these soils are supported mainly on transported materials of siliceous origin and kaolinized clay that do not retain a large amount of metal cations, due to the low content of clay and organic matter ²⁸. Since highly evolved soils formed under strong weathering processes present low natural concentrations of HPs, a criterion that coincides with similar investigations carried out ²⁹.

Cr, Ni, Cu, Co and Zn are associated with primary minerals or co-precipitated with other secondary ones or strongly linked to Fe, Mn and Al oxides, they also accumulate in areas where depositions of soils removed by water erosion processes occur where metallic compounds are leached, a dynamic that corroborates the investigations carried out in similar regions ³⁰.

In the case of Cd, the concentrations are very low; only certain accumulations are in the FRAL, ABARA and Fluvisol soils observed, with values less than unity (Table 7). When comparing the concentrations of this element with the natural average values reported for Cuban soils ³¹, it is noted that the soils of the Consolación del Sur municipality have lower concentrations of this element. Cu and Zn presented the highest values in Fluvisol without differences with the rest of the soils, so it can be stated that the behavior of both elements is similar.

The Pb shows a heterogeneous behavior, in accordance with the Fe and Mn oxide contents given its strong capacity to adsorb this element. Something similar occurs with organic matter and high pH conditions that favor the formation of stable Pb chelates, resistant to leaching ³². The FRAL soil has the lowest values of this element, a situation that is also expressed in its spatial distribution (Figure 5). The ABARA (14.62 mg kg^-1) and Fluvisol (15.29 mg kg^-1) soils present similar contents, in the Consolación del Sur - San Juan and Martínez units, respectively, due to the similarities between the characteristics of these two groupings in both surfaces.

That is to say in ABARA soils due to the possible influence of the weathering crust of montmorillonite and montmorillonite-kaolinitic composition, which sometimes appears or appears close to the surface due to erosion. In Fluvisol soil, it is the result of accumulation of sediments with a sandy - clayey and clay - sandy texture with gravel intercalations of varied composition and dimensions, given their location in the depression areas as indicated.

While Fe and Mn showed high and different values according to the type of soil (Figures 6 and 7), especially high concentrations in FRAL soils due to the nature of the source material and the formation process; where these elements are found mainly in the form of oxides, hydroxides or oxyhydroxides and are present in almost all soils ³³.

Regarding their spatial distribution in the soils, the MPs Fe and Mn present similar behaviors in both sectors of the Southern Plain, as they are on materials supported with a similar chemical-mineralogical composition.

This geological-geomorphological conditioning offers a favorable environment for environmental equilibrium, if agro-ecological strategies for soil management are adopted. However, recultivation has been a common practice among farmers in the "Macizo Tabacalero Vizo Abajo ", which consists of collecting sediments from the slopes near the rivers and applying it upstream. These sediments are generally enriched with PMs, toxic organic compounds, nutrients and organic matter, which could activate the retained toxic compounds, putting the quality of the productions and human health at risk, which is corroborated by what was reported in other regions of the country ^{(34 )}.