Cultivos Tropicales Vol. 45, No. 2, abril-junio, 2024, ISSN: 1819-4087
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Reseña bibliográfica

Fertilidad del suelo: definición y algunas propiedades

 

iDAdriano Cabrera Rodríguez*✉:naniadriano1950@gmail.com

iDRamón Rivera Espinosa

iDAlberto Hernández Jiménez

iDAndy Bernal Fundora


Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), carretera San José-Tapaste, km 3½, Gaveta Postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32 700

 

*Autor para correspondencia: naniadriano1950@gmail.com

RESUMEN

Diversas definiciones se han establecido sobre la fertilidad del suelo; sin embargo, la definición resulta amplia y compleja ya que depende del suministro de nutrientes y de otros factores edáficos, ambientales y del manejo a que este medio esté sometido. El objetivo de esta revisión ha sido integrar diversas consideraciones que se han tenido respecto a la definición de fertilidad de manera dispersa y presentar de una manera amplia resultados que caracterizan la fertilidad de los principales suelos cubanos. La definición de fertilidad del suelo debe ser amplia y compleja, pues depende del suministro de nutrientes y de factores edáficos, ambientales, y del manejo a que este medio esté sometido. Sobre la base de lo expresado y considerando la complejidad del sistema donde se inserta el suelo, se propone como definición de fertilidad del suelo a “la resultante de la interacción entre la planta, las propiedades del suelo, el ambiente, los fenómenos socio - económicos y la actividad antrópica, que le confieren la capacidad para servir como sostén y suministrar nutrientes en las formas, cantidades y proporciones, que las plantas requieren para lograr su crecimiento y desarrollo”. En el trabajo se presentan propiedades químicas, físico químico, morfológico, físico, biológico, el impacto de actividades socio económicas y de la actividad antropogénica que caracterizan a la fertilidad de los principales suelos cubanos.

Palabras clave: 
acidez, fósforo, estructura, agregados

Recibido: 04/8/2022; Aceptado: 04/10/2022

Conflicto de intereses: Los autores declaran no tener conflicto de intereses

Contribución de los autores: Conceptualización- Adriano Cabrera Rodríguez. Investigación- Adriano Cabrera Rodríguez, Ramón Rivera Espinosa, Alberto Hernández Jiménez, Andy Bernal Fundora. Metodología- Adriano Cabrera Rodríguez, Ramón Rivera Espinosa. Supervisión- Adriano Cabrera Rodríguez, Ramón Rivera Espinosa, Alberto Hernández Jiménez, Andy Bernal Fundora. Escritura del borrador inicial, Escritura y edición final y Curación de datos- Adriano Cabrera Rodríguez.

Conflict of interest: The authors declare that they have no conflict of interest

Authors' contribution: Conceptualization- Adriano Cabrera Rodríguez. Research- Adriano Cabrera Rodríguez, Ramón Rivera Espinosa, Alberto Hernández Jiménez, Andy Bernal Fundora. Methodology- Adriano Cabrera Rodríguez, Ramón Rivera Espinosa. Supervision- Adriano Cabrera Rodríguez, Ramón Rivera Espinosa, Alberto Hernández Jiménez, Andy Bernal Fundora. Initial draft writing, final writing and editing, and data curation- Adriano Cabrera Rodríguez.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

 

El término fertilidad del suelo ha tenido varias definiciones, que generalmente han estado dirigidas a considerarlas como la capacidad del medio edáfico para suministrar los nutrientes que las plantas requieren para el crecimiento y desarrollo adecuados.

Algunos autores han definido a la fertilidad del suelo como la práctica de abastecer a las plantas con nutrientes con muy pocas cantidades de pérdidas por lavado (11. Magdoff F, Van Es H. Organic Matter: What it is and why it’s so important. Chapter 2. En: Building soils for better crops: sustainable soil management for healthy soil. 4.a ed. College Park : Sustainable Agriculture Research & Education; 2009. p. 13-29. ).

Otros autores han descrito a la fertilidad del suelo como la capacidad del medio para apoyar y sostener el crecimiento de las plantas, incluyendo el hacer disponible los nutrientes N, P, S y otros para la absorción por parte de plantas. En general, la fertilidad y el funcionamiento de los suelos dependen de las interacciones entre la matriz mineral del suelo, las plantas y los microbios (22. Lefèvre C, Rekik F, Alcantara V, Wiese L. Carbono orgánico del suelo: el potencial oculto. [Internet]. 1.a ed. Roma, Italia: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y Agricultura (FAO); 2017. 90 p. Available in: www.fao.org/publications ).

Cualquiera que sea la definición utilizada, en la caracterización de la fertilidad del suelo generalmente se hace alusión a las propiedades químicas, aquellas que la mayoría consideran más relacionadas con el suministro de nutrientes del suelo. Al respecto se señaló que la evaluación de la fertilidad del suelo está dirigida a proporcionar un suministro adecuado de nutrientes esenciales a la planta para asegurar una productividad óptima maximizando el beneficio económico y minimizando la degradación ambiental (33. Dalal RC. Fertility Evaluation Systems. En: Encyclopedia of Soil Science. 2.a ed. CRC Press; 2006. ).

El objetivo de esta revisión ha sido integrar diversas consideraciones que se han tenido respecto a la definición de fertilidad de manera dispersa y presentar de una manera amplia resultados que caracterizan la fertilidad de los suelos, con énfasis en los principales suelos cubanos.

DESARROLLO

 

Definición de fertilidad del suelo

 

La definición de fertilidad del suelo debe ser amplia y compleja, pues depende del suministro de nutrientes y de factores edáficos, ambientales, y del manejo a que este medio esté sometido.

Sobre la base de lo expresado antes y considerando la complejidad del sistema donde se inserta el suelo, se propone como definición de fertilidad del suelo a “la resultante de la interacción entre la planta, las propiedades del suelo, el ambiente, los fenómenos socio - económicos y la actividad antrópica, que le confieren la capacidad para servir como sostén y suministrar nutrientes en las formas, cantidades y proporciones, que las plantas requieren para lograr su crecimiento y desarrollo”.

Propiedades químicas y físico-químicas del suelo

 

Contenido de materia orgánica y nitrógeno

 

En la Tabla 1 se presentan los contenidos de materia orgánica y de propiedades afines de diversos suelos.

Tabla 1.  Contenidos medios y variación de la materia orgánica, nitrógeno y la relación C/N del horizonte cultivable de los principales suelos de Cuba
Característica Unidad de medida Magnitud Agrupamiento de Suelo
Ferrálico y Ferralítico Fersialítico Pardo Sialítico Vertisol
Materia Orgánica (MO) g.kg-1 media
mínimo
Máximo
32.0
12.8
60.3
31.5
15.7
48.1
37.5
3.1
75.9
33.5
8.6
69.3
N total media
mínimo
Máximo
1.84
0.62
5.07
1.80
0.90
2.41
2.06
0.24
3.85
1.54
0.50
3.30
N hidrolizable mg.kg-1 media
mínimo
Máximo
126.23
25.60
310.20
92.09
23.44
146.00
89.22
30.80
163.02
83.47
37.45
137.10
Relación C/N adimensional media
mínimo
Máximo
10.33
6.70
17.40
10.47
6.60
27.00
11.30
4.36
35.42
13.16
4.47
34.80

Materia orgánica: Walkley-Black; N total: digestión con H 2 SO 4 conc. + Se; N hidrolizable: Tiurin-Kononova. Todas las técnicas analíticas aparecen en el manual de (44. Cabrera A, Justiz A, Marin R, López M, Rubio R, Cuellar I, et al. Manual de técnicas analíticas para los laboratorios de agroquímica del INICA. La Habana: Departamento de Agroquímica y Suelos del INICA, MINAZ; 1984. 94 p. ). N = 1 400 muestras

Los contenidos medios de MO y N total no varían marcadamente entre agrupamientos; los mayores valores se encuentran en los suelos Pardos Sialíticos, donde hay suelos carbonatados, en los que la cantidad y distribución del humus se relacionan con la formación del suelo bajo sabanas secundarias, lo que contribuye a que se tengan valores relativamente altos de materia orgánica. Los suelos Ferralíticos y Ferrálicos presentan los mayores contenidos de N hidrolizable o asimilable y los menores de la relación C/N; esta última propiedad presenta en general un comportamiento adecuado.

Complejo de intercambio y acidez

 

Existe gran variabilidad en las particularidades del complejo de intercambio y la acidez de los suelos (Tabla 2).

Las mayores concentraciones de las bases intercambiables se encuentran en los Vertisoles y las menores, en los Ferralíticos y Ferrálicos, indicativo de una relativa juventud y menor evolución de los primeros. Los Pardos Sialíticos y Fersialíticos ocupan una posición intermedia, aunque manifestándose en estos últimos un mayor lavado de sus bases, sugiriendo un proceso progresivo de Ferralitización.

El catión predominante en el complejo de adsorción es el Ca2+. La otra base que posee amplia participación es el Mg2+, encontrándose en algunos suelos Ferralíticos deficiencias de este nutriente (55. Cabrera A. Caracterización agroquímica de los suelos Ferralíticos donde se cultiva la caña de azúcar en Cuba [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar, MINAZ; 1991. 114 p.).

Los valores medios de K+ de los suelos Fersialíticos, Pardos Sialíticos y Vertisoles se encuentran por encima del nivel crítico 0.38 cmol.kg-1 establecido (66. Rubio L. Fertilización potásica de la caña de azúcar sobre la base del diagnóstico de la fertilidad potásica del suelo [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Academia de Ciencias de Cuba, INICA; 1982. 112 p.). El Na+ es la base de mayor variación, provocada en ocasiones, por la marcada influencia del riego con agua de calidad inadecuada y por el drenaje deficiente de algunas áreas.

Tabla 2.  El complejo de intercambio y la acidez del horizonte cultivable de los principales suelos de Cuba
Característica Unidad de medida Magnitud Agrupamiento de Suelo
Ferrálico y Ferralítico Fersialítico Pardo Sialítico Vertisol
Ca2+ intercambiable cmol(+) kg-1 media
mínimo
Máximo
11.48
2.65
39.40
21.24
5.89
37.03
37.06
3.89
80.60
41.11
17.92
70.60
Mg2+ intercambiable media
mínimo
Máximo
3.35
0.21
10.16
6.69
0.30
13.16
9.09
1.47
41.10
17.99
1.43
54.47
Na+ intercambiable media
mínimo
Máximo
0.197
0.020
1.980
0.265
0.070
0.550
0.514
0.030
7.880
1.28
0.16
24.66
K+ intercambiable media
mínimo
Máximo
0.348
0.040
1.680
0.524
0.160
1.560
0.526
0.100
2.020
0.890
0.140
3.480
CCB media
mínimo
Máximo
15.26
3.91
42.88
29.36
21.66
45.53
47.13
6.95
86.84
61.41
23.24
104.77
CIC media
mínimo
Máximo
18.97
6.45
44.60
29.90
22.92
47.61
49.57
7.67
87.28
67.54
32.15
105.65
Al3+ intercambiable media
mínimo
Máximo
0.054
0.008
0.372
No determinado No determinado No determinado
H+ intercambiable media
mínimo
Máximo
3.54
0.34
7.40
1.39
0.28
3.08
2.43
0.07
8.14
1.18
0.24
6.69
Saturación por Bases g kg-1 media
mínimo
Máximo
781.2
489.1
980.4
952.7
878.4
990.5
934.7
688.3
998.7
976.8
864.3
996.3
pH - KCl -log ‘H+“ media
mínimo
Máximo
5.40
3.35
7.00
6.05
5.00
7.10
5.63
3.50
7.90
6.22
4.60
7.85

Bases intercambiables: Acetato amonio 1 mol. L-1 pH 7; pH: potenciometría relación 1:2.5 en KCl 1 mol L-1; Al3+e H+ intercambiables: KCl 1 mol L-1 y valoración con NaOH 0.02 1 mol. L-1. Todas las técnicas analíticas aparecen en el manual de (44. Cabrera A, Justiz A, Marin R, López M, Rubio R, Cuellar I, et al. Manual de técnicas analíticas para los laboratorios de agroquímica del INICA. La Habana: Departamento de Agroquímica y Suelos del INICA, MINAZ; 1984. 94 p. ). N = 1 400 muestras

La mayor capacidad de intercambio de bases y catiónica, así como la mayor saturación por bases la presentan los Vertisoles. Los Ferralíticos y Ferrálicos poseen una menor capacidad de intercambio y de saturación por bases, pero hay que destacar que las mismas resultan altas al compararlas con suelos similares de otras regiones e incluso, del área tropical, lo que es una de las causas que le confieren gran fertilidad a estos suelos (55. Cabrera A. Caracterización agroquímica de los suelos Ferralíticos donde se cultiva la caña de azúcar en Cuba [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar, MINAZ; 1991. 114 p.), lo que está motivado por la presencia de esmectita, compuestos semejantes a la esmectita e interestratificación caolinita-esmectita en algunos de estos suelos (77. Cuellar I. El potasio en los principales tipos de suelos de las plantaciones cañeras de Cuba y efectividad de la fertilización potásica de la caña de azúcar [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Academia de Ciencias de Cuba, INICA; 1983. 115 p.), así como por el aumento notable de la capacidad de adsorción de bases de la caolinita en un medio neutro o alcalino (88. Yágodin B, Smirnov P, Peterburgski A. Agroquímica. Tomo I. URSS: Editorial Mir Moscú; 1986. 416 p.).

Los suelos Ferralíticos y Ferrálicos presentan un pH ácido y, en ocasiones, cercano a la neutralidad, destacándose que en general, en la acidez de los suelos cubanos, el papel del Al3+ intercambiable resulta insignificante.

Régimen fosfórico

 

Se caracteriza por los mayores contenidos totales en los Fersialíticos, Ferrálicos y Ferralíticos (Tabla 3), lo que está relacionado con el material cálcico a partir del cual se originan estos suelos. Destaca el P asimilable en suelos Fersialíticos, Pardos Sialíticos y Vertisoles, en los que el contenido medio es superior al nivel crítico de 7 mg kg-1 de P establecido (99. López M, Villegas R, Cabrera A, Chang R. Diagnóstico de la fertilidad fosfórica y niveles críticos para la caña de azúcar en los principales suelos dedicados a su cultivo en Cuba. 1988.).

Tabla 3.  Régimen fosfórico en el horizonte cultivable de los principales suelos de Cuba
Característica Magnitud Agrupamiento de Suelo
Ferrálico y Ferralítico Fersialítico Pardo Sialítico Vertisol
---------------P, mg.kg-1de suelo---------------
P total Media
mínimo
Máximo
1 845
300
4 830
2 290
930
4 340
910
340
2 810
763
300
2 400
P asimilable Media 6.75 35.34 9.39 18.31
mínimo tr 0.96 tr tr
Máximo 43.49 420.00 73.71 144.02
P-Al Media 37.74 47.45 6.80 14.56
mínimo tr 9.82 1.00 tr
Máximo 385.00 232.00 36.10 92.93
P-Fe Media 137.34 164.93 10.91 19.46
mínimo 3.39 41.08 tr tr
Máximo 692.57 675.67 30.56 71.88
P-Ca Media 35.67 90.16 8.91 68.59
mínimo tr 10.00 0.57 2.18
Máximo 245.00 300.00 55.28 289.61

P total: Digestión con ácido perclórico y colorimetria; P asimilable: Bray-Kurtz No.2; Fracciones de P: Chang y Jackson. tr: trazas. Todas las técnicas analíticas aparecen en el manual de (44. Cabrera A, Justiz A, Marin R, López M, Rubio R, Cuellar I, et al. Manual de técnicas analíticas para los laboratorios de agroquímica del INICA. La Habana: Departamento de Agroquímica y Suelos del INICA, MINAZ; 1984. 94 p. ).N = 1 400 muestras

La fracción mineral enlazada al Fe (P-Fe) predomina en los Fersialíticos, Ferrálicos y Ferralíticos; mientras que en los Vertisoles es la enlazada al Ca (P-Ca), indicativo de una relativa juventud y menor meteorización de estos últimos. En los Pardos Sialíticos se encuentra en ocasiones, predominio de la fracción P-Fe, debido a que en los carbonatados, el Fe libre alcanza 14 - 51 % del Fe total en la parte superior del perfil (1010. Hernández A, Tatevosian O. Consideraciones generales comparativas entre los suelos Pardos Tropicales de sabana y Pardos Subtropicales. Academia de Ciencias de Cuba. 1976;Serie Suelos 24:10.).

Una particularidad de los suelos cubanos es el bajo poder de retención del fósforo aplicado con los fertilizantes que presentan, lo que garantiza que se suministre a la planta el nutriente requerido con dosis relativamente bajas (1111. Cabrera A, Villegas R, López M. Requerimiento externo de fósforo de la caña de azúcar. En: Sección IV Fertilidad del suelo, Tomo II. Salamanca, España; 1993. p. 575-82.).

Debe mencionarse que, en la actualidad, los resultados presentados en las Tablas 1, 2 y 3, se han podido modificar por el uso y manejo dado al suelo en el tiempo, pudiéndose encontrar valores menores (indicativo de degradación de la fertilidad), o mayores (indicativo de un uso irracional de la fertilización), a los mostrados.

Propiedades morfológicas y físicas

 

Textura

 

La textura de un suelo está determinada por la proporción relativa de partículas de la parte mineral que poseen diferentes diámetros, se clasifica en función del Triángulo Textural (Figura 1), donde cada fracción tiene una expresión porcentual (1212. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación FAO. Guía para la descripción de suelos. 4.a ed. Roma: Proyecto FAOSWALIM; 2009. 111 p. ).

Figura 1.  Triángulo textural para clasificar la textura del suelo en función de la relación y la distribución de tamaño de partículas

La importancia de la textura, viene dada por la influencia que esta propiedad ejerce sobre el comportamiento físico e hidrofísico de un suelo y con otras propiedades asociadas a la fertilidad, como la capacidad de intercambio catiónico.

Estructura

 

Cuando las partículas del suelo se ordenan y se agrupan entre sí mediante un proceso de cementación, se produce la agregación del suelo y se forma una unidad secundaria o un agregado que varía en tamaño, forma y nitidez (1313. Lee Daniels DW, Haering KC. General Soil Science Principles. Chapter 2. En: Urban Nutrient Management Handbook. 1.a ed. Virginia: Virginia Cooperative Extension; 2011. p. 1-13. ). Resulta del desarrollo de procesos biológicos, químicos, físicos y mecánicos.

Según otros criterios (1414. Hernández A, Ascanio M, Morales M, Bojórquez I, García N, García D. El suelo: Fundamentos sobre su formación, los cambios globales y su manejo. 1.a ed. Nayarit: Univ. Autónoma de Nayarit; 2006. 255 p. ,1515. Hernández A, Bojórquez JI, Morell F, Cabrera A, Ascanio MO, García JD, et al. Fundamentos de la estructura de suelos tropicales. 1.a ed. Nayarit, México: Universidad Autónoma de Nayarit; 2010. 80 p. ), esos agregados se forman a partir de la disgregación de la masa del suelo en separaciones de diferentes formas y tamaños.

Entre un agregado y otro se encuentra una separación conformada por poros o espacios vacíos.

La estructura está relacionada con la porosidad y la compactación, dos índices fundamentales para el desarrollo de los cultivos.

En el horizonte cultivable, la materia orgánica es la principal responsable de la cementación de las partículas; mientras que, en el subsuelo, esa responsabilidad recae sobre los óxidos de Fe y Al; en ambos casos, la composición arcillosa desempeña un papel relevante.

Algunas estructuras de los suelos cubanos se aprecian en las fotos que se muestran a continuación (Foto 1-6), cortesía de (1515. Hernández A, Bojórquez JI, Morell F, Cabrera A, Ascanio MO, García JD, et al. Fundamentos de la estructura de suelos tropicales. 1.a ed. Nayarit, México: Universidad Autónoma de Nayarit; 2010. 80 p. ).

Foto 1.  Estructura granular. Suelo Ferralítico Rojo Lixiviado. San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba
Foto 2.  Estructura terronosa. Suelo Alítico de Baja Actividad Arcillosa. La Palma, Pinar del Río, Cuba
Foto 3.  Estructura de bloque subangular. Horizonte Bt, suelo Ferralítico Rojo Lixiviado. San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba
Foto 4.  Estructura de bloque angular. Horizonte Bt, suelo Ferralítico Rojo Lixiviado. San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba
Foto 5.  Bloque prismático con caras de deslizamiento del horizonte B. Vertisol Pélico. Finca La Rosita, Campo Florido, La Habana
Foto 6.  Estructura poliédrica gruesa. Suelo Ferralítico Rojo compactado. Región de Batabanó, Mayabeque, Cuba

Estabilidad estructural

 

Determina la resistencia del suelo a la pérdida de su estructura y a la erosión, posibilita el movimiento de aire y agua (1616. Amézketa E. Soil aggregate stability: a review. Journal of sustainable agriculture. 1999;14(2-3):83-151. doi:10.1300/J064v14n02_08.,1717. Karami A, Homaee M, Afzalinia S, Ruhipour H, Basirat S. Organic resource management: Impacts on soil aggregate stability and other soil physico-chemical properties. Agriculture, Ecosystems & Environment. 2012;148:22-8. doi:10.1016/j.agee.2011.10.021 ) y reduce el potencial de erosión y de formación de corazas duras (1616. Amézketa E. Soil aggregate stability: a review. Journal of sustainable agriculture. 1999;14(2-3):83-151. doi:10.1300/J064v14n02_08.,1818. Le Bissonnais Y, Arrouays D. Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility: II. Application to humic loamy soils with various organic carbon contents. European Journal of Soil Science. 1997;48(1):39-48. doi:10.1111/j.1365-2389.1997.tb00183.x ) se utiliza como un indicador de la calidad del suelo (1919. Stewart RD, Jian J, Gyawali AJ, Thomason WE, Badgley BD, Reiter MS, et al. What we talk about when we talk about soil health. Agricultural & Environmental Letters. 2018;3(180033):1-5. doi:10.2134/ael2018.06.0033 ), ya que influye sobre la productividad de los cultivos y responde rápidamente a los cambios en las prácticas de manejo (2020. Mulumba LN, Lal R. Mulching effects on selected soil physical properties. Soil and Tillage Research. 2008;98(1):106-11. doi:10.1016/j.still.2007.10.011 ,2121. Laghrour M, Moussadek R, Mrabet R, Dahan R, El-Mourid M, Zouahri A, et al. Long and midterm effect of conservation agriculture on soil properties in dry areas of Morocco. Applied and Environmental Soil Science. 2016;1-9. ).

Diversos agentes modifican la estructura del suelo, como la lluvia, el Na, condiciones inadecuadas de humedad, estado coloidal desfavorable, la mecanización y la especie vegetal, entre otros.

En la Tabla 4 se presentan resultados que ilustran el efecto del manejo a que es sometido el suelo sobre la estabilidad estructural del mismo.

Tabla 4.  Estabilidad estructural en los primeros 20 cm de profundidad de suelos de Cuba, sometidos a diferentes manejos
Localidad Suelo Manejo Keh Ie
Mayabeque Ferralítico Rojo Lixiviado Bosque 0.33 0.74
Frutales 0.57 0.65
Cultivo intensivo 0.74 0.62
Artemisa Ferralítico Rojo Lixiviado Pastos 0.12 0.92
Tabaco 0.77 0.65
Cienfuegos Pardo Agrogénico vértico Pastos 0.28 0.79
Cultivo intensivo 1.20 0.51

Keh: Coeficiente de estabilidad tamizado húmedo; Ie: Indice de estabilidad. Ambos indicadores determinados según (2222. Kaúrichev IS, Panov NP, Stratonóvich MV, Grechin IP, Sávich VI, Ganzhara NF, et al. Prácticas de edafología. Moscú: Editorial Mir Moscú; 1984. 279 p.)

Dentro de un mismo tipo de suelo, el incremento del Keh, que se corresponde con la disminución del Ie, indica la degradación del suelo a medida en que este es más labrado; se destaca la protección que ofrece a la estabilidad estructural la cobertura de pastos.

Densidad de volumen

 

Esta propiedad, también conocida como densidad aparente o simplemente densidad del suelo, es un estimador de la compactación y se calcula considerando los espacios porosos existentes, siempre a una determinada humedad.

El incremento de la densidad aparente indica la degradación de la estructura del suelo por compactación o por pérdida de materia orgánica.

El método más utilizado para determinar la densidad aparente es el conocido como “método de los cilindros”.

La fórmula de cálculo es como sigue:

D a = M   V   M g   m 3  (1)

donde:

Da: densidad aparente, expresada en Mg.m -3

M: masa del suelo seco, expresada en g

V: volumen de la masa de suelo, expresado en cm3

Valores de densidad aparente de algunos suelos cubanos se presentan en la Tabla 5, donde se observa que en la medida en que el suelo es cultivado, la Da se incrementa, indicativo de un proceso de compactación.

Tabla 5.  Valores de densidad aparente presentes en el horizonte cultivable de los suelos en dependencia del manejo a que son sometidos
Suelo Profundidad del horizonte, cm Manejo Da, Mg.m3
Ferralítico Rojo lixiviado húmico eútrico 6-16 Arboleda de más de 45 años 0.90
Ferralítico Rojo lixiviado típico eútrico 0-12 Cultivos agrícolas 1.12
0-17 Cultivos agrícolas incluído el arroz (Oriza sativa L.) 1.20
0-31 Cultivo de pastos y de King Grass (Pennisetum) 1.21

De modo general y atendiendo a la textura de los suelos, se considera que la densidad aparente se encuentra entre los rangos 0.90 Mg m-3-1.20 Mg m-3 para suelos arcillosos y 1.20 Mg m-3-1.60 Mg m-3 para suelos arenosos.

Densidad real

 

Es la masa de suelo contenida en un volumen conocido, pero a diferencia de la densidad aparente, no se consideran los espacios porosos, por lo que su valor es superior al valor de la densidad aparente.

Un método utilizado para la determinación de la densidad real es el “método del picnómetro”. El principio del método es desplazar el aire contenido en los poros del suelo mediante la ocupación de estos por el agua.

Para su cálculo se utiliza una ecuación similar a la ecuación 1 D a = M   V   M g   m 3 , solo que la variable a estimar es Dr:

D r = M V   M g   m 3  (2)

donde:

Dr: densidad real, expresada en Mg.m-3

M: masa del suelo seco, expresada en g

V: volumen de la masa de suelo, expresado en cm3

Para fines prácticos, en suelos minerales se asume como un valor promedio adecuado de densidad real entre 2.50 Mg m-3 y 2.65 Mg m-3 .

Porosidad

 

Constituye los espacios existentes entre los elementos mecánicos y los agregados del suelo y en ellos se encuentran agua, vapor de agua, aire, microorganismos y raíces de las plantas. La porosidad es entonces, el volumen total de poros en la unidad de volumen del suelo.

Se clasifican tres tipos de porosidad, la total, los poros ocupados por agua y los poros de aireación, y los cálculos de los mismos se realizan con los valores de la densidad real, la densidad aparente y la humedad natural del suelo.

Se acepta como una buena porosidad total en el suelo en el entorno de 50 %. De manera más detallada, se considera que cuando la porosidad total expresada en % es > 70, resulta excesiva, cuando se encuentra entre 55 - 70 es excelente, entre 50 - 55 resulta satisfactoria, ya entre 40 - 50 es baja y cuando alcanza un valor < 40 es muy baja (2222. Kaúrichev IS, Panov NP, Stratonóvich MV, Grechin IP, Sávich VI, Ganzhara NF, et al. Prácticas de edafología. Moscú: Editorial Mir Moscú; 1984. 279 p.).

Propiedades biológicas

 

Microbiota

 

La mayor concentración de la microbiota del suelo se establece en la rizosfera, la que se caracteriza por tener alta cantidad de carbono disponible (2323. Paul EA, Clark FE. Soil microbiology and biochemistry. Londres: Academic Press Inc; 1989. 275 p.,2424. Pritchett WL. Suelos forestales: Propiedades, conservación y mejoramiento. México: Editorial Limusa; 1991. 634 p.).

Las bacterias son los microorganismos más numerosos y más pequeños del suelo; la mayoría son heterótrofos y son organismos importantes en los procesos de descomposición de la materia orgánica y en el reciclaje de energía y de nutrientes como N, P, K, S, Fe y Mn.

Algunas bacterias son capaces de utilizar el N2 atmosférico (2525. Ortega García M, Shagarodsky Scull T, Dibut Álvarez BL, Ríos Rocafull Y, Tejeda González G, Gómez Jorrin LA. Influencia de la interacción entre el cultivo del garbanzo (Cicer arietinum L.) y la inoculación con cepas seleccionadas de Mesorhizobium spp. Cultivos Tropicales. 2016;37:20-27. doi:10.13140/RG.2.1.4007.3841 ), otras son solubilizadoras de P como Azotobacter vinelandii, Bacillus cereus, Bacillus licheniformis y Pseudomonas fluorescens (2626. Mora-Quilismal SR, Cuaical-Galárraga ET, García-Bolívar J, Revelo-Ruales VW, Puetate-Mejía LM, Aguila-Alcantara E, et al. Biofertilización con bacterias solubilizadoras de fósforo y hongos micorrízicos arbusculares en el cultivo de la papa. Cultivos Tropicales. 2021;42(2). ), K como Bacillus sp. INCA-FRc7 and Bacillus sp. INCA-FRc19x (2727. Pérez-Pérez R, Forte IH, Zanabria YO, Benítez JCS, Sosa-del Castillo D, Pérez-Martínez S. Characterization of potassium solubilizing bacteria isolated from corn rhizoplane. Agronomía Colombiana. 2021;39(3):415-25. doi:10.15446/agron.colomb.v39n3.98522 ) y de otros nutrientes. Existen bacterias con capacidad oxidante y otras con capacidad reductora, las que ocasionan cambios en las condiciones nutricionales y mineralógicas del suelo. También se encuentran especies que producen antibióticos y toxinas para otros organismos del suelo, así como patógenos de animales y vegetales.

Los hongos son organismos heterótrofos eficientes en la descomposición de compuestos resistentes ante las bacterias, como celulosa, hemicelulosa, lignina, grasas y almidones (2424. Pritchett WL. Suelos forestales: Propiedades, conservación y mejoramiento. México: Editorial Limusa; 1991. 634 p.). Los hongos juegan un importante papel en la nutrición de las plantas, ya que forman las micorrizas, destacándose los hongos micorrízicos arbusculares (2828. Rivera R, Fernández F, Ruiz L, González PJ, Rodriguez Y, Pérez E, et al. Manejo, integración y beneficios del biofertilizante micorrízico EcoMic® en la producción agrícola. Ediciones INCA; 2020. 151 p.).

Las algas son organismos fotoautótrofos importantes en el proceso de colonización del material parental. Además, en suelos ya formados, son una fuente importante de materia orgánica (2929. Burbano H. El suelo: una visión sobre sus componentes biorgánicos. Universidad de Nariño. Pasto; 1989. 447 p.).

Meso y macrobiota

 

Los principales grupos son los anélidos y los artrópodos. Dentro de los primeros se encuentran las lombrices de tierra y en los segundos aquellos animales que presentan un esqueleto externo como una coraza y que son articulados. Los principales representantes de los artrópodos son los insectos, los arácnidos, los miriápodos y los crustáceos; otros grupos que se destacan son los nemátodos, los moluscos y algunos vertebrados roedores y mamíferos pequeños.

La mayoría de los animales de la meso y macrofauna del suelo, a excepción de los anélidos, predominan en el horizonte cultivable.

Los organismos de la meso y macrobiota del suelo desempeñan un papel fundamental en la fragmentación, transformación y translocación de materiales orgánicos; además, aportan cantidades considerables de biomasa al suelo y mejoran algunas de sus propiedades físicas.

Fenómenos socio - económicos

 

Deforestación

 

La necesidad de producir más alimentos para satisfacer las necesidades de una población en crecimiento, ha conllevado al fomento de áreas de cultivo a partir de la deforestación, lo que ha modificado la fertilidad del suelo (3030. Don A, Schumacher J, Freibauer A. Impact of tropical land-use change on soil organic carbon stocks-a meta-analysis. Global Change Biology. 2011;17(4):1658-70. doi:10.1111/j.1365- 2486.2010.02336.x -3232. Tesfaye MA, Bravo F, Ruiz-Peinado R, Pando V, Bravo-Oviedo A. Impact of changes in land use, species and elevation on soil organic carbon and total nitrogen in Ethiopian Central Highlands. Geoderma. 2016;261:70-9. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.06.022 ).

Aún en épocas actuales ese comportamiento se manifiesta y en ocasiones, no se prevén los cambios profundos que el proceso de deforestación ocasiona en el suelo y su fertilidad, como se presenta en la Tabla 6 Modificado de (3333. Villegas R, Marín R, Rodriguez E. Evaluación de los factores limitantes de las áreas cañeras de las fincas Tentativa y Favorito del CAI “Eduardo García Lavandero”. La Habana: INICA; 1998 p. 12. Report No.: Informe MINAZ.), donde se observa que al transformarse un área boscosa en un agrosistema disminuye el contenido de materia orgánica, se acidifica y disminuye la capacidad de intercambio catiónico por efecto de la lixiviación de las bases intercambiables.

Tabla 6.  Modificación de la fertilidad del suelo provocado por el cambio de ecosistemas
Propiedad del suelo Unidad de medida Area boscosa con más de 20 años Area boscosa transformada en área cañera
Materia orgánica g.kg-1 43.9 28.7
pH-KCl -log [H+] 4.4 3.9
pH-agua 5.4 4.8
Acidez hidrolítica cmol(c).kg-1 1.43 8.75
K+ 0.41 0.38
Ca2+ 20.80 4.60
Mg2+ 0.60 0.20
CIC 23.25 14.33

CIC: Capacidad de intercambio catiónico

Agricultura cambiante

 

Para satisfacer sus requerimientos alimenticios, las comunidades, con cierto carácter nómada, fomentaban áreas agrícolas a partir de la deforestación y quema del material tumbado. Durante algún tiempo, las nuevas áreas suplían de alimentos a esas comunidades, pero llegado un momento, la producción declinaba, esa superficie era abandonada y se iban en busca de otra nueva. El ciclo se repetía en el tiempo y el espacio en reiteradas ocasiones. Todo esto trajo como consecuencia la degradación de la fertilidad del suelo, condicionada fundamentalmente por el agotamiento del suministro de nutrientes.

Actividad antropogénica

 

El hombre modifica la fertilidad del suelo debido a que utiliza este recurso de variadas formas y para muchos fines. Los efectos más sobresalientes que tienen algunas de las actividades del hombre sobre el suelo y su fertilidad se resumen en la Tabla 7.

Tabla 7.  Consecuencias originadas por las actividades del hombre sobre el agrosistema
Actividad antrópica Efecto o manifestación
Manejo adecuado Manejo inadecuado
Fertilización mineral Incrementa:
  • los rendimientos

  • la producción de biomasa

  • la cantidad y actividad de los microorganismos

  • la materia orgánica

  • el suministro de nutrientes

Mejora:
  • las propiedades físicas y químicas del suelo

  • el intercambio gaseoso

  • la captura del carbono

  • el funcionamiento del agrosistema

Disminuye:
  • los rendimientos

  • la producción de biomasa

  • la cantidad y actividad de la micro y meso biota

  • la materia orgánica

  • ocasiona antagonismos inter nutrientes

Origina:
  • toxicidad

  • contaminación

  • acidificación

  • alcalinización

  • deterioro de las propiedades físicas

  • eutrofización

  • mal funcionamiento del agrosistema

Fertilización orgánica Similar a la fertilización química, aunque el suministro de nutrientes es más limitado En función de la procedencia, su composición y su calidad, puede comportarse como la fertilización mineral, aunque el contenido de materia orgánica se incremente y las propiedades físicas pudieran no deteriorarse
Riego
  • Modifica el régimen hídrico en el agrosistema

  • Intensifica la solubilización, la hidratación, la hidrólisis, la meteorización de minerales y la mineralización de la materia orgánica

  • Mejora los rendimientos

Provoca:
  • salinidad o sodicidad

  • el deterioro de las propiedades físicas y químicas

  • erosión

Mecanización
  • Mejora la aireación con todos sus beneficios

  • La planta realiza una mayor exploración del suelo

  • Aumenta el aporte de materia orgánica

  • Mejora el reciclaje de nutrientes

  • Se deteriora la estructura del suelo

  • Se llega a compactar el suelo

  • Se propicia la erosión

Uso de la quema NO DEBE REALIZARSE, A PESAR DE QUE EN ZONAS BAJAS CON MAL DRENAJE, ESTA PRÁCTICA SE CONSIDERA CASI INEVITABLE Ocasiona:
  • Pérdidas de nutrientes del agrosistema, sobre todo de N, S y C

  • Disminución de la humedad del suelo

  • Disminución de la concentración y actividad de los microorganismos

  • Incremento a corto plazo y disminución a mediano y largo plazo del pH del suelo

  • Emisión de gases de efecto invernadero hacia la atmósfera

Resultados que ilustran los efectos de la actividad del hombre sobre el agrosistema se presentan en las Figura 2 y 3.

En la Figura 2 se observa como la utilización de la quema para realizar la cosecha de la caña de azúcar, hace disminuir el C orgánico del suelo en el tiempo, lo que se acentúa cuando se aplican fertilizantes minerales (3434. Cabrera JA, Zuaznábar R. Impacto sobre el ambiente del monocultivo de la caña de azúcar con el uso de la quema para la cosecha y la fertilización nitrogenada. I. Balance del Carbono. Cultivos Tropicales. 2010;31(1):5-13.).

Figura 2.  Variación del C orgánico del suelo en el tiempo utilizando la quema para cosechar la caña de azúcar sin aplicar fertilizante mineral y aplicando P y K. Cada punto es el promedio de cuatro repeticiones

Otro ejemplo demuestra como la aplicación de fertilizantes nitrogenados acidifica el suelo en el tiempo, manifestación que se agudiza en la medida en que la dosis de fertilizante se incrementa, lo que dice de los daños que puede ocasionar la fertilización irracional y excesiva (Figura 3) (3535. Zuaznábar R. Impacto sobre el medio del monocultivo con el uso de la quema y la fertilización nitrogenada en agroecosistemas cañeros [Tesis de Maestría]. [La Habana]: Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar, MINAZ; 2010. 95 p.).

Figura 3.  Acidificación del suelo en el tiempo provocada por la fertilización mineral. Cada punto es el promedio de cuatro repeticiones

La mecanización, por sí sola, compacta al suelo y ese efecto dañino puede revertirse con labores de subsolación, pero cuando la labor mecanizada es manejada inadecuadamente, se origina una compactación tal que la solución del problema puede resultar compleja por el consumo considerable de recursos que impone (Foto 7) (3636. Hernández A, Morales M, Cabrera A, Ascanio MO, Borges Y, Vargas D, et al. Degradación de los suelos Ferralíticos Rojos Lixiviados y sus indicadores de la Llanura Roja de La Habana. Cultivos Tropicales. 2013;34(3):45-51.).

Foto 7.  Piso de arado formado en el suelo por efecto de la mecanización

CONCLUSIONES

 
  • La fertilidad del suelo es el reflejo de los procesos y factores de formación que se modifica en el tiempo por elementos socio económicos y por la actividad humana.

  • La definición de fertilidad del suelo es amplia y compleja pues depende no solo del suministro de nutrientes sino también de factores edáficos, ambientales y del manejo a que este medio esté sometido.

  • La fertilidad de los suelos cubanos resulta, en sentido general, favorable para el desarrollo agrícola.

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Cultivos Tropicales Vol. 45, No. 2, abril-junio, 2024, ISSN: 1819-4087
 
Bibliographic review

Soil Fertility: Definition and some properties

 

iDAdriano Cabrera Rodríguez*✉:naniadriano1950@gmail.com

iDRamón Rivera Espinosa

iDAlberto Hernández Jiménez

iDAndy Bernal Fundora


Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), carretera San José-Tapaste, km 3½, Gaveta Postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32 700

 

*Author for correspondence: naniadriano1950@gmail.com

ABSTRACT

Various definitions have been established on soil fertility; however, the definition is broad and complex since it depends on the supply of nutrients and other edaphic, environmental factors and the management to which this medium is subjected. The aim of this review has been to integrate various considerations that have been taken regarding the definition of soil fertility in a spread way and present in a broad way results that characterize the fertility of the main Cuban soils. The definition of soil fertility must be broad and complex, since it depends on the supply of nutrients and edaphic, environmental factors, and the management to which this medium is subjected. Based on what has been expressed and considering the complexity of the system where the soil is inserted, the definition of soil fertility is proposed as “the result of the interaction between the plant, the properties of the soil, the environment, the socio-economic phenomena and anthropogenic activity, which give it the ability to serve as a support and supply nutrients in the forms, quantities and proportions that plants require to achieve their growth and development”. In the work, chemical, physical-chemical, morphological, physical, biological properties are presented, as well as the impact of socio-economic activities and anthropogenic activity that characterize the fertility of the main Cuban soils.

Key words: 
acidity, phosphorus, structure, aggregates

INTRODUCTION

 

The term soil fertility has had several definitions, which have generally been directed to consider it as the capacity of the edaphic medium to supply the nutrients that plants require for adequate growth and development.

Some authors have defined soil fertility as the practice of supplying plants with nutrients with very low amounts of losses through leaching (11. Magdoff F, Van Es H. Organic Matter: What it is and why it’s so important. Chapter 2. En: Building soils for better crops: sustainable soil management for healthy soil. 4.a ed. College Park : Sustainable Agriculture Research & Education; 2009. p. 13-29. ).

Other authors have described soil fertility as the ability of the medium to support and sustain plant growth, including making available N, P, S, and other nutrients for plant uptake. In general, soil fertility and soil functioning depend on interactions between the soil mineral matrix, plants, and microbes (22. Lefèvre C, Rekik F, Alcantara V, Wiese L. Carbono orgánico del suelo: el potencial oculto. [Internet]. 1.a ed. Roma, Italia: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y Agricultura (FAO); 2017. 90 p. Available in: www.fao.org/publications ).

Whatever the definition used, the characterization of soil fertility generally refers to chemical properties, which most consider to be more related to the supply of soil nutrients. In this regard, it was pointed out that soil fertility assessment is aimed at providing an adequate supply of essential nutrients to the plant to ensure optimum productivity while maximizing economic benefit and minimizing environmental degradation (33. Dalal RC. Fertility Evaluation Systems. En: Encyclopedia of Soil Science. 2.a ed. CRC Press; 2006. ).

The objective of this review has been to integrate diverse considerations that have been had regarding the definition of fertility in a dispersed way and to present in a wide way results that characterize the fertility of soils, with emphasis on the main Cuban soils.

DEVELOPMENT

 

Definition of soil fertility

 

Soil fertility definition must be broad and complex, since it depends on the supply of nutrients and on edaphic and environmental factors, as well as on the management to which this environment is subjected.

Based on the above and considering the complexity of the system in which the soil is inserted, the definition of soil fertility is proposed as "the result of the interaction between the plant, soil properties, the environment, socio-economic phenomena and anthropic activity, which give it the capacity to serve as a support and supply nutrients in the forms, quantities and proportions that plants require to achieve their growth and development".

Chemical and physical-chemical properties of the soil

 

Organic matter and nitrogen content

 

Table 1 shows the contents of organic matter and related properties of various soils.

Table 1.  Average contents and variation of organic matter, nitrogen and C/N ratio of the arable horizon of the main soils of Cuba
Characteristic Measurement unit Magnitude Soil grouping
Ferrallic and Ferrallitic Fersialitic Sialitic brown Vertisol
Organic matter (OM) g kg-1 g kg-1 mean
minimum
Maximum
32.0
12.8
60.3
31.5
15.7
48.1
37.5
3.1
75.9
33.5
8.6
69.3
Total N mean
minimum
Maximum
1.84
0.62
5.07
1.80
0.90
2.41
2.06
0.24
3.85
1.54
0.50
3.30
Hydrolyzable N Mg kg-1 mean
minimum
Maximum
126.23
25.60
310.20
92.09
23.44
146.00
89.22
30.80
163.02
83.47
37.45
137.10
C/N ratio dimensionless mean
minimum
Maximum
10.33
6.70
17.40
10.47
6.60
27.00
11.30
4.36
35.42
13.16
4.47
34.80

Organic matter: Walkley-Black; total N: digestion with H 2 SO 4 conc. + Se; hydrolyzable N: Tiurin-Kononova. All analytical techniques are listed in the manual (44. Cabrera A, Justiz A, Marin R, López M, Rubio R, Cuellar I, et al. Manual de técnicas analíticas para los laboratorios de agroquímica del INICA. La Habana: Departamento de Agroquímica y Suelos del INICA, MINAZ; 1984. 94 p. ). N = 1 400 samples

The average OM and total N contents do not vary markedly between groupings; the highest values are found in the sialitic brown soils, where there are carbonate soils, in which the quantity and distribution of humus are related to the formation of the soil under secondary savannas, which contributes to relatively high values of organic matter. Ferrallitic and ferralic soils have the highest contents of hydrolyzable or assimilable N and the lowest C/N ratios; this last property generally performs adequately.

Exchange complex and acidity

 

There is great variability in the particularities of the exchange complex and acidity of soils (Table 2).

The highest concentrations of exchangeable bases are found in the Vertisols and the lowest in the Ferrallitic and Ferrallic soils, indicative of the relative youth and lesser evolution of the former. The Sialitic and Fersialitic Browns occupy an intermediate position, although the latter show a greater washout of their bases, suggesting a progressive process of Ferrallitization.

The predominant cation in the adsorption complex is Ca2+. The other base that has a wide participation is Mg2+, being found in some Ferrallitic soils deficiencies of this nutrient (55. Cabrera A. Caracterización agroquímica de los suelos Ferralíticos donde se cultiva la caña de azúcar en Cuba [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar, MINAZ; 1991. 114 p.).

The average K+ values of Ferrallitic, Sialitic Brown and Vertisols soils are above the critical level of 0.38 cmol kg-1 established (66. Rubio L. Fertilización potásica de la caña de azúcar sobre la base del diagnóstico de la fertilidad potásica del suelo [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Academia de Ciencias de Cuba, INICA; 1982. 112 p.). Na+ is the basis for the greatest variation, sometimes caused by the marked influence of irrigation with water of inadequate quality and by the deficient drainage of some areas.

Table 2.  The exchange complex and the acidity of the arable horizon of the main soils of Cuba
Characteristic Measurement unit Magnitude Soil grouping
Ferralic and Ferrallitic Fersialitic Sialitic brown Vertisol
Ca2+ exchangeable cmol(+).kg-1 mean
minimum
Maximum
11.48
2.65
39.40
21.24
5.89
37.03
37.06
3.89
80.60
41.11
17.92
70.60
Mg2+ exchangeable mean
minimum
Maximum
3.35
0.21
10.16
6.69
0.30
13.16
9.09
1.47
41.10
17.99
1.43
54.47
Na+ exchangeable mean
minimum
Maximum
0.197
0.020
1.980
0.265
0.070
0.550
0.514
0.030
7.880
1.28
0.16
24.66
K+ exchangeable mean
minimum
Maximum
0.348
0.040
1.680
0.524
0.160
1.560
0.526
0.100
2.020
0.890
0.140
3.480
CCB mean
minimum
Maximum
15.26
3.91
42.88
29.36
21.66
45.53
47.13
6.95
86.84
61.41
23.24
104.77
CIC mean
minimum
Maximum
18.97
6.45
44.60
29.90
22.92
47.61
49.57
7.67
87.28
67.54
32.15
105.65
Al3+ exchangeable mean
minimum
Maximum
0.054
0.008
0.372
No determined No determined No determined
H+ exchangeable mean
minimum
Maximum
3.54
0.34
7.40
1.39
0.28
3.08
2.43
0.07
8.14
1.18
0.24
6.69
Base Saturation g.kg-1 mean
minimum
Maximum
781.2
489.1
980.4
952.7
878.4
990.5
934.7
688.3
998.7
976.8
864.3
996.3
pH - KCl -log [H+] mean
minimum
Maximum
5.40
3.35
7.00
6.05
5.00
7.10
5.63
3.50
7.90
6.22
4.60
7.85

Exchangeable cations: Ammonium acetate 1 mol L-1 pH 7; pH: potentiometric ratio 1:2.5 in KCl 1 mol L-1; exchangeable Al3+and H+: KCl 1 mol L-1 and titration with NaOH 0.02 1 mol L-1. All analytical techniques are given in the manual in (44. Cabrera A, Justiz A, Marin R, López M, Rubio R, Cuellar I, et al. Manual de técnicas analíticas para los laboratorios de agroquímica del INICA. La Habana: Departamento de Agroquímica y Suelos del INICA, MINAZ; 1984. 94 p. ). N = 1 400 samples

Vertisols have the highest base and cation exchange capacity, as well as the highest base saturation. The Ferrallitic and Ferrallic soils have a lower exchange capacity and base saturation, but it should be noted that they are high when compared to similar soils in other regions and even in the tropical area, which is one of the reasons that give these soils great fertility (55. Cabrera A. Caracterización agroquímica de los suelos Ferralíticos donde se cultiva la caña de azúcar en Cuba [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar, MINAZ; 1991. 114 p.), which is motivated by the presence of smectite, smectite-like compounds and kaolinite-smectite interstratification in some of these soils (77. Cuellar I. El potasio en los principales tipos de suelos de las plantaciones cañeras de Cuba y efectividad de la fertilización potásica de la caña de azúcar [Tesis de Doctorado]. [La Habana, Cuba]: Academia de Ciencias de Cuba, INICA; 1983. 115 p.), as well as by the notable increase in the base adsorption capacity of kaolinite in a neutral or alkaline medium (88. Yágodin B, Smirnov P, Peterburgski A. Agroquímica. Tomo I. URSS: Editorial Mir Moscú; 1986. 416 p.).

The Ferrallitic and Ferrallic soils present an acid pH and, sometimes, close to neutrality, emphasizing that in general, in the acidity of Cuban soils, the role of exchangeable Al3+ is insignificant.

Phosphoric regime

 

It is characterized by the highest total contents in the Fersialitic, Ferrallitic and Ferrallic soils (Table 3), which is related to the calcic material from which these soils originate. The assimilable P in Fersialitic, Sialitic Brown and Vertisol soils stands out, where the average content is higher than the critical level of 7 mg kg-1 of P established (99. López M, Villegas R, Cabrera A, Chang R. Diagnóstico de la fertilidad fosfórica y niveles críticos para la caña de azúcar en los principales suelos dedicados a su cultivo en Cuba. 1988.).

Table 3.  Phosphoric regime in the arable horizon of the main soils of Cuba
Characteristic Magnitude Grouping soil
Ferrallic and Ferrallitic Fersialitic Sialitic brown Vertisol
---------------P, mg kg-1 of soil---------------
total P Mean
Minimum
Maximum
1 845
300
4 830
2 290
930
4 340
910
340
2 810
763
300
2 400
P assimilable Mean 6.75 35.34 9.39 18.31
Mínimum tr 0.96 tr tr
Maximum 43.49 420.00 73.71 144.02
P-Al Mean 37.74 47.45 6.80 14.56
Mínimum tr 9.82 1.00 tr
Maximum 385.00 232.00 36.10 92.93
P-Fe Mean 137.34 164.93 10.91 19.46
Minimum 3.39 41.08 tr tr
Maximum 692.57 675.67 30.56 71.88
P-Ca Mean 35.67 90.16 8.91 68.59
Minimum tr 10.00 0.57 2.18
Maximum 245.00 300.00 55.28 289.61

Total P: Digestion with perchloric acid and colorimetry; Assimilable P: Bray-Kurtz No.2; P fractions: Chang and Jackson. tr: traces. All analytical techniques are listed in the manual of (44. Cabrera A, Justiz A, Marin R, López M, Rubio R, Cuellar I, et al. Manual de técnicas analíticas para los laboratorios de agroquímica del INICA. La Habana: Departamento de Agroquímica y Suelos del INICA, MINAZ; 1984. 94 p. ).N = 1 400 samples

The Fe-bonded mineral fraction (P-Fe) predominates in the Fersialitic, Ferrallitic and Ferrallic soils, while in the Vertisols it is the Ca-bonded one (P-Ca), indicative of a relative youth and less weathering of the latter. In the Sialitic Brown soils, sometimes the P-Fe fraction predominates, due to the fact that in the carbonates, free Fe reaches 14 - 51 % of the total Fe in the upper part of the profile (1010. Hernández A, Tatevosian O. Consideraciones generales comparativas entre los suelos Pardos Tropicales de sabana y Pardos Subtropicales. Academia de Ciencias de Cuba. 1976;Serie Suelos 24:10.).

A particularity of Cuban soils is the low retention power of phosphorus applied with the fertilizers they present, which guarantees that the required nutrient is supplied to the plant with relatively low doses (1111. Cabrera A, Villegas R, López M. Requerimiento externo de fósforo de la caña de azúcar. En: Sección IV Fertilidad del suelo, Tomo II. Salamanca, España; 1993. p. 575-82.).

It should be mentioned that, at present, the results presented in Tables 1, 2 and 3, could have been modified by the use and management given to the soil in time, being able to find lower values (indicative of fertility degradation), or higher (indicative of an irrational use of fertilization), than those shown.

Morphological and physical properties

 

Texture

 

The texture of a soil is determined by the relative proportion of particles of the mineral part that have different diameters, and is classified according to the Textural Triangle (Figure 1), where each fraction has a percentage expression (1212. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación FAO. Guía para la descripción de suelos. 4.a ed. Roma: Proyecto FAOSWALIM; 2009. 111 p. ).

Figure 1.  Textural triangle for classifying soil texture based on particle size ratio and distribution

The importance of texture is given by the influence that this property exerts on the physical and hydrophysical behavior of a soil and with other properties associated with fertility, such as cation exchange capacity.

Structure

 

When soil particles are arranged and grouped together through a cementation process, soil aggregation occurs and a secondary unit or aggregate is formed that varies in size, shape and sharpness (1313. Lee Daniels DW, Haering KC. General Soil Science Principles. Chapter 2. En: Urban Nutrient Management Handbook. 1.a ed. Virginia: Virginia Cooperative Extension; 2011. p. 1-13. ). It results from the development of biological, chemical, physical and mechanical processes.

According to other criteria (1414. Hernández A, Ascanio M, Morales M, Bojórquez I, García N, García D. El suelo: Fundamentos sobre su formación, los cambios globales y su manejo. 1.a ed. Nayarit: Univ. Autónoma de Nayarit; 2006. 255 p. ,1515. Hernández A, Bojórquez JI, Morell F, Cabrera A, Ascanio MO, García JD, et al. Fundamentos de la estructura de suelos tropicales. 1.a ed. Nayarit, México: Universidad Autónoma de Nayarit; 2010. 80 p. ), these aggregates are formed from the disintegration of the soil mass into separations of different shapes and sizes.

Between one aggregate and another there is a separation formed by pores or empty spaces.

The structure is related to porosity and compaction, two fundamental indices for crop development.

In the arable horizon, organic matter is the main responsible for the cementation of the particles; while, in the subsoil, this responsibility falls on Fe and Al oxides; in both cases, the clay composition plays a relevant role.

Some structures of Cuban soils are shown in the following photos (Photo 1-6), courtesy of (1515. Hernández A, Bojórquez JI, Morell F, Cabrera A, Ascanio MO, García JD, et al. Fundamentos de la estructura de suelos tropicales. 1.a ed. Nayarit, México: Universidad Autónoma de Nayarit; 2010. 80 p. ).

Photo 1.  Granular structure. Ferrallitic Red Leached Soil. San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba
Photo 2.  Alitic soil of low clay activity. La Palma, Pinar del Río, Cuba
Photo 3.  Subangular block structure. Horizon Bt, Ferrallitic Red Leached soil. San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba
Photo 4.  Angular block structure. Horizon Bt, Red Ferrallitic Leached soil. San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba
Photo 5.  Prismatic block with sliding faces of the B horizon. Pelic Vertisol. Farm La Rosita, Campo Florido, Havana
Photo 6.  Coarse polyhedral structure. Compacted Ferrallitic Red soil. Batabanó region, Mayabeque, Cuba

Structural stability

 

It determines the resistance of the soil to the loss of its structure and to erosion, makes possible the movement of air and water (1616. Amézketa E. Soil aggregate stability: a review. Journal of sustainable agriculture. 1999;14(2-3):83-151. doi:10.1300/J064v14n02_08.,1717. Karami A, Homaee M, Afzalinia S, Ruhipour H, Basirat S. Organic resource management: Impacts on soil aggregate stability and other soil physico-chemical properties. Agriculture, Ecosystems & Environment. 2012;148:22-8. doi:10.1016/j.agee.2011.10.021 ) and reduces the potential of erosion and the formation of hard armor (1616. Amézketa E. Soil aggregate stability: a review. Journal of sustainable agriculture. 1999;14(2-3):83-151. doi:10.1300/J064v14n02_08.,1818. Le Bissonnais Y, Arrouays D. Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility: II. Application to humic loamy soils with various organic carbon contents. European Journal of Soil Science. 1997;48(1):39-48. doi:10.1111/j.1365-2389.1997.tb00183.x ). It is used as an indicator of soil quality (1919. Stewart RD, Jian J, Gyawali AJ, Thomason WE, Badgley BD, Reiter MS, et al. What we talk about when we talk about soil health. Agricultural & Environmental Letters. 2018;3(180033):1-5. doi:10.2134/ael2018.06.0033 ), since it influences the productivity of crops and responds quickly to changes in management practices (2020. Mulumba LN, Lal R. Mulching effects on selected soil physical properties. Soil and Tillage Research. 2008;98(1):106-11. doi:10.1016/j.still.2007.10.011 ,2121. Laghrour M, Moussadek R, Mrabet R, Dahan R, El-Mourid M, Zouahri A, et al. Long and midterm effect of conservation agriculture on soil properties in dry areas of Morocco. Applied and Environmental Soil Science. 2016;1-9. ).

Various agents modify soil structure, such as rain, Na, inadequate moisture conditions, unfavorable colloidal state, mechanization and plant species, among others.

Table 4 presents results that illustrate the effect of soil management on soil structural stability.

Table 4.  Structural stability in the first 20 cm depth of Cuban soils, subjected to different management methods
Locality Soil Managemento Keh Ie
Mayabeque Red Ferrallitic Leached Wood 0.33 0.74
Fruit trees 0.57 0.65
Intensive cultivation 0.74 0.62
Artemisa Ferrallitic Red Leached Pasture 0.12 0.92
Tobacco 0.77 0.65
Cienfuegos Brown Agrogenic Vertic brown Pasture 0.28 0.79
Intensive cultivation 1.20 0.51

Keh: Coefficient of wet sieved stability; Ie: Stability index. Both indicators determined (2222. Kaúrichev IS, Panov NP, Stratonóvich MV, Grechin IP, Sávich VI, Ganzhara NF, et al. Prácticas de edafología. Moscú: Editorial Mir Moscú; 1984. 279 p.)

Within the same soil type, the increase in Keh, which corresponds to a decrease in Ie, indicates soil degradation as the soil becomes more tilled; the protection offered to structural stability by grass cover is highlighted.

Bulk density

 

This property, also known as bulk density or simply soil density, is an estimator of compaction and is calculated considering the existing pore spaces, always at a given moisture content.

The increase in bulk density indicates the degradation of the soil structure by compaction or loss of organic matter.

The most commonly used method for determining bulk density is known as the "cylinder method".

D a = M   V   M g   m 3  (1)

where:

Da: bulk density, expressed in Mg m-3.

M: mass of dry soil, expressed in g

V: volume of the soil mass, expressed in cm3

Bulk density values of some Cuban soils are presented in Table 5, where it is observed that as the soil is cultivated, Da increases, indicative of a compaction process.

Table 5.  Bulk density values present in the cultivable horizon of the soils depending on the management to which they are submitted
Soil Horizon depth, cm Management Da, Mg m3
Ferrallitic Red humic eutric leachate 6-16 Grove of more than 45 years old 0.90
Ferrallitic Red typical eutric leachate 0-12 Agricultural crops 1.12
0-17 Agricultural crops including rice (Oriza sativa L.) 1.20
0-31 Cultivation of pasture and King Grass (Pennisetum) 1.21

In general, and according to soil texture, bulk density is considered to be between 0.90 Mg m-3-1.20 Mg m-3 for clay soils and 1.20 Mg m-3-1.60 Mg m-3 for sandy soils.

True density

 

It is the mass of soil contained in a known volume, but unlike bulk density, pore spaces are not considered, so its value is higher than the value of bulk density.

One method used for the determination of the true density is the "pycnometer method". The principle of the method is to displace the air contained in the soil pores by the occupation of the pores by water.

An equation similar to equation 1 D a = M   V   M g   m 3 is used for its calculation, except that the variable to be estimated is Dr:

D r = M V   M g   m 3  (2)

where:

Dr: actual density, expressed in Mg m-3.

M: mass of dry soil, expressed in g

V: volume of soil mass, expressed in cm3

For practical purposes, in mineral soils, an adequate average value of real density is assumed to be between 2.50 Mg m-3 and 2.65 Mg m-3.

Porosity

 

Constitutes the existing spaces between the mechanical elements and the soil aggregates, in which water, water vapor, air, microorganisms and plant roots are found. Porosity is thus the total volume of pores in a unit volume of soil.

Three types of porosity are classified, total porosity, pores occupied by water and aeration pores, and their calculations are made with the values of the real density, bulk density and natural moisture of the soil.

It is accepted as a good total porosity in the soil in the vicinity of 50 %. In a more detailed way, it is considered that when the total porosity expressed in % is > 70, it is excessive, when it is between 55 - 70 it is excellent, between 50 - 55 it is satisfactory, already between 40 - 50 it is low and when it reaches a value < 40 it is very low (2222. Kaúrichev IS, Panov NP, Stratonóvich MV, Grechin IP, Sávich VI, Ganzhara NF, et al. Prácticas de edafología. Moscú: Editorial Mir Moscú; 1984. 279 p.).

Biological properties

 

Micro biota

 

The highest concentration of soil microbiota is established in the rhizosphere, which is characterized by a high amount of available carbon (2323. Paul EA, Clark FE. Soil microbiology and biochemistry. Londres: Academic Press Inc; 1989. 275 p.,2424. Pritchett WL. Suelos forestales: Propiedades, conservación y mejoramiento. México: Editorial Limusa; 1991. 634 p.).

Bacteria are the most numerous and smallest soil microorganisms; most are heterotrophic and are important organisms in the processes of decomposition of organic matter and in the recycling of energy and nutrients such as N, P, K, S, Fe and Mn.

Some bacteria are capable of utilizing atmospheric N2 (2525. Ortega García M, Shagarodsky Scull T, Dibut Álvarez BL, Ríos Rocafull Y, Tejeda González G, Gómez Jorrin LA. Influencia de la interacción entre el cultivo del garbanzo (Cicer arietinum L.) y la inoculación con cepas seleccionadas de Mesorhizobium spp. Cultivos Tropicales. 2016;37:20-27. doi:10.13140/RG.2.1.4007.3841 ), others are solubilizers of P such as Azotobacter vinelandii, Bacillus cereus, Bacillus licheniformis and Pseudomonas fluorescens (2626. Mora-Quilismal SR, Cuaical-Galárraga ET, García-Bolívar J, Revelo-Ruales VW, Puetate-Mejía LM, Aguila-Alcantara E, et al. Biofertilización con bacterias solubilizadoras de fósforo y hongos micorrízicos arbusculares en el cultivo de la papa. Cultivos Tropicales. 2021;42(2). ), K such as Bacillus sp. INCA-FRc7 and Bacillus sp. INCA-FRc19x (2727. Pérez-Pérez R, Forte IH, Zanabria YO, Benítez JCS, Sosa-del Castillo D, Pérez-Martínez S. Characterization of potassium solubilizing bacteria isolated from corn rhizoplane. Agronomía Colombiana. 2021;39(3):415-25. doi:10.15446/agron.colomb.v39n3.98522 ) and other nutrients. There are bacteria with oxidizing capacity and others with reducing capacity, which cause changes in the nutritional and mineralogical conditions of the soil. There are also species that produce antibiotics and toxins for other soil organisms, as well as animal and plant pathogens.

Fungi are efficient heterotrophic organisms in the decomposition of compounds resistant to bacteria, such as cellulose, hemicellulose, lignin, fats and starches (2424. Pritchett WL. Suelos forestales: Propiedades, conservación y mejoramiento. México: Editorial Limusa; 1991. 634 p.). Fungi play an important role in plant nutrition, since they form mycorrhizae, especially arbuscular mycorrhizal fungi (2828. Rivera R, Fernández F, Ruiz L, González PJ, Rodriguez Y, Pérez E, et al. Manejo, integración y beneficios del biofertilizante micorrízico EcoMic® en la producción agrícola. Ediciones INCA; 2020. 151 p.).

Algae are important photoautotrophic organisms in the process of colonization of the parent material. In addition, in soils already formed, they are an important source of organic matter (2929. Burbano H. El suelo: una visión sobre sus componentes biorgánicos. Universidad de Nariño. Pasto; 1989. 447 p.).

Meso and macro biota

 

The main groups are annelids and arthropods. Among the former are earthworms and among the latter are those animals that have an external skeleton like a shell and are articulated. The main representatives of arthropods are insects, arachnids, myriapods and crustaceans; other groups that stand out are nematodes, mollusks and some rodent vertebrates and small mammals.

Most of the soil meso- and macrofauna, with the exception of annelids, predominate in the arable horizon.

Soil meso- and macrobiotic organisms play a fundamental role in the fragmentation, transformation and translocation of organic materials; they also contribute considerable amounts of biomass to the soil and improve some of its physical properties.

Socio-economic phenomena

 

Deforestation

 

The need to produce more food to satisfy the needs of a growing population has led to the development of cultivated areas through deforestation, which has modified soil fertility (3030. Don A, Schumacher J, Freibauer A. Impact of tropical land-use change on soil organic carbon stocks-a meta-analysis. Global Change Biology. 2011;17(4):1658-70. doi:10.1111/j.1365- 2486.2010.02336.x -3232. Tesfaye MA, Bravo F, Ruiz-Peinado R, Pando V, Bravo-Oviedo A. Impact of changes in land use, species and elevation on soil organic carbon and total nitrogen in Ethiopian Central Highlands. Geoderma. 2016;261:70-9. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.06.022 ).

Even nowadays, this behavior is still evident and sometimes the profound changes that the deforestation process causes in the soil and its fertility are not foreseen, as shown in Table 6 Modified from (3333. Villegas R, Marín R, Rodriguez E. Evaluación de los factores limitantes de las áreas cañeras de las fincas Tentativa y Favorito del CAI “Eduardo García Lavandero”. La Habana: INICA; 1998 p. 12. Report No.: Informe MINAZ.), where it is observed that when a forested area is transformed into an agrosystem, the organic matter content decreases, the soil acidifies and the cation exchange capacity decreases due to the leaching of exchangeable bases.

Table 6.  Modification of soil fertility caused by the change of ecosystems
Soil property Measurement unit Wood area with more than 20 years Wood area changed into sugar cane area
Organic matter g.kg-1 43.9 28.7
pH-KCl -log [H+] 4.4 3.9
pH-Water 5.4 4.8
Hydrolytic acidity cmol(c).kg-1 1.43 8.75
K+ 0.41 0.38
Ca2+ 20.80 4.60
Mg2+ 0.60 0.20
CIC 23.25 14.33

CEC: Cationic exchange capacity

Changing agriculture

 

In order to satisfy their food requirements, the communities, with a certain nomadic character, developed agricultural areas from deforestation and burning of the fallen material. For some time, the new areas supplied food to these communities, but at some point, production declined, the area was abandoned and they went in search of a new one. The cycle was repeated repeatedly in time and space. All this resulted in the degradation of soil fertility, conditioned fundamentally by the depletion of the nutrient supply.

Anthropogenic activity

 

Man modifies soil fertility because he uses this resource in various ways and for many purposes. The most outstanding effects that some of man's activities have on the soil and its fertility are summarized in Table 7.

Table 7.  Consequences caused by human activities on the agrosystem
Anthropic activity Effect or manifestation
Adequate management Inadequate management
Mineral fertilization Increases:
  • yields

  • biomass production

  • quantity and activity of microorganisms

  • organic matter

  • nutrient supply

Improvement:
  • the physical and chemical properties of the soil

  • gas exchange

  • carbon sequestration

  • agrosystem functioning

Decreases:
  • yields

  • biomass production

  • quantity and activity of micro and meso biotala materia orgánica

  • causes inter-nutrient antagonisms

Causes:
  • toxicity

  • contamination

  • acidification

  • alkalinization

  • deterioration of physical properties

  • eutrophication

  • malfunctioning of the agrosystem

Organic fertilization Similar to chemical fertilization, although nutrient supply is more limited. Depending on the origin, composition and quality, it may behave like mineral fertilization, although the organic matter content is increased and the physical properties may not deteriorate.
Irrigation
  • Modifies the water regime in the agrosystem.

  • Enhances solubilization, hydration, hydrolysis, mineral weathering and mineralization of organic matter

  • Improves yields

Provokes:
  • salinity or sodicity

  • deterioration of physical and chemical properties

  • erosion

Mechanization
  • Improves aeration with all its benefits

  • The plant performs a greater exploration of the soil

  • Increases organic matter supply

  • Improved nutrient recycling

  • Deterioration of soil structure

  • Soil becomes compacted

  • Erosion is promoted

Use of burning SHOULD NOT BE CARRIED OUT, EVEN THOUGH IN LOW-LYING AREAS WITH POOR DRAINAGE, THIS PRACTICE IS CONSIDERED ALMOST INEVITABLE. Causes:
  • Losses of agrosystem nutrients, especially N, S and C.

  • Decrease in soil moisture

  • Decrease in the concentration and activity of microorganisms.

  • Short-term increase and medium- and long-term decrease in soil pH.

  • Emission of greenhouse gases into the atmosphere.

Results that illustrate the effects of human activity on the agrosystem are presented in Figures 2 and 3.

Figure 2 shows how the use of burning to harvest sugarcane causes a decrease in soil organic C over time, which is accentuated when mineral fertilizers are applied (3434. Cabrera JA, Zuaznábar R. Impacto sobre el ambiente del monocultivo de la caña de azúcar con el uso de la quema para la cosecha y la fertilización nitrogenada. I. Balance del Carbono. Cultivos Tropicales. 2010;31(1):5-13.).

Figura 2.  Variation of soil organic C over time using burning to harvest sugarcane with no mineral fertilizer applied and P and K applied. Each point is the average of four replicates

Another example shows how the application of nitrogen fertilizers acidifies the soil over time, a manifestation that becomes more acute as the dose of fertilizer increases, which speaks of the damage that can be caused by irrational and excessive fertilization (Figure 3) (3535. Zuaznábar R. Impacto sobre el medio del monocultivo con el uso de la quema y la fertilización nitrogenada en agroecosistemas cañeros [Tesis de Maestría]. [La Habana]: Instituto de Investigaciones de la Caña de Azúcar, MINAZ; 2010. 95 p.).

Figure 3.  Soil acidification over time caused by mineral fertilization. Each point is the average of four replicates

Mechanization alone compacts the soil and this damaging effect can be reversed with subsoiling, but when mechanized tillage is inadequately managed, it causes such compaction that the solution to the problem can be complex due to the considerable consumption of resources it imposes (Photo 7) (3636. Hernández A, Morales M, Cabrera A, Ascanio MO, Borges Y, Vargas D, et al. Degradación de los suelos Ferralíticos Rojos Lixiviados y sus indicadores de la Llanura Roja de La Habana. Cultivos Tropicales. 2013;34(3):45-51.).

Photo 7.  Ploughing floor formed in the soil due to mechanization

CONCLUSIONS

 
  • Soil fertility is a reflection of the formation processes and factors that are modified over time by socioeconomic elements and human activity.

  • The definition of soil fertility is broad and complex because it depends not only on the supply of nutrients but also on edaphic and environmental factors and the management to which this environment is subjected.

  • The fertility of Cuban soils is, in general, favorable for agricultural development.