Introducción

Los Vertisoles (del latín verteré; invertir) son suelos de más de 25 cm de profundidad, contienen más de 30% de arcillas, y se mezclan constantemente por procesos de expansión y contracción dando como resultado grietas profundas en la estación seca, caras de deslizamiento (slickensides) y agregados en forma de cuña (^{Soil Survey Staff, 2014}). El microrelieve gilgai es peculiar en estos suelos, aunque no se encuentra comúnmente. Los Vertisoles se originan a partir de rocas ígneas o sedimentarias por meteorización o sedimentación donde se acumulan arcillas 2:1. Estos suelos se localizan principalmente en depresiones y áreas planas a onduladas, en climas tropicales, subtropicales, semiáridos a subhúmedos y húmedos, con una alternancia clara entre la estación seca y húmeda. La vegetación predominante es de sabana, bosque o pastizal (^{Coulombe et al., 2000}).

Las condiciones ambientales que conducen a la formación de un horizonte vértico o propiedades vérticas son aquellas donde ocurre precipitación suficiente para permitir el intemperismo de los materiales parentales, pero no tan alta como para producir lixiviación de bases; además de periodos secos, drenaje restringido y altas temperaturas (^{ISRIC, 2013}).

A nivel mundial se considera que los Vertisoles cubren 335 millones de hectáreas y se presentan principalmente en los trópicos semiáridos, con una precipitación media anual de 500-1000 mm, pero también se encuentran en los trópicos húmedos. En México, ocupan 9.5 millones de ha, que representan 8.3% del territorio nacional (^{INEGI, 2014}), y ocurren en diferentes zonas agroecológicas; de esa superficie 18% son de agricultura de temporal y 29.87% de riego (^{Ortiz y Gutiérrez, 1995}, ¹⁹⁹⁹). Estos suelos forman unidades puras con pocas asociaciones con otras clases de suelo, los cuales se concentran principalmente en el Altiplano Mexicano (Guanajuato y Querétaro) y en las planicies costeras del Golfo de México (Tamaulipas, Veracruz y Tabasco) (^{Sotelo et al., 2006}, ²⁰⁰⁸, ²⁰¹³). Aunque también se encuentran en el Eje Neovolcánico Transmexicano en los estados de Michoacán, Morelos, Estado de México y Querétaro (^{Krasilnikov et al., 2013}) y en los distritos de riego de Sonora y Sinaloa (^{INEGI, 2014}).

Los Vertisoles poseen un gran potencial productivo en granos (sorgo, trigo y maíz), caña de azúcar y hortalizas (SIAP, 2015); sin embargo, presentan degradación física (66%) por compactación de acuerdo con la Secretaria del Medio Ambiente y Recursos Naturales y el Colegio de Postgraduados (SEMARNAT-CP, 2002¹) o degradación química por declinación en su fertilidad (53%) (^{Moncada et al., 2013}). La contaminación con metales pesados (^{Siebe, 1994}; ^{Siebe y Cifuentes, 1995}), residuos farmacéuticos y bacterias patógenas (Dalkmann et al., 2012) son otros problemas que se presentan cuando son irrigados con aguas residuales.

Dada la relevancia de los Vertisoles en la producción de cultivos, en sus implicaciones en la población rural o urbana debido a su degradación y los posibles cambios que pueden sufrir por eventos climáticos, se consideró necesario realizar una revisión bibliográfica tanto de literatura gris (memorias de congresos o tesis) y de revistas científicas sobre su manejo agronómico, con particular énfasis en la modificación de sus propiedades físicas, químicas y su fertilidad.

Esbozo histórico del estudio de Vertisoles en México

Sin duda en México se han realizado esfuerzos para comprender a los suelos arcillosos. Dos han sido quizá los mayores intentos para reconocer, entender, clasificar y manejar esta clase de suelos. El primero se concretó en la Reunión Nacional sobre el Manejo de Suelos Arcillosos y su implicación en la agricultura realizada en Celaya, Guanajuato en 1985 (Ruíz et al., 1985²). La Segunda Reunión Nacional se llevó a cabo diez años después en Mérida, Yucatán (^{Ruíz, 1995}). En esta reunión se propuso la creación del Programa Nacional para el estudio de los suelos arcillosos de México. El objetivo era desarrollar una agricultura sustentable en cuanto al requerimiento nutricional de los cultivos, necesidades de fertilizantes y manejo agronómico, pero este programa nunca logró concretarse.

A pesar de la importancia agronómica de los Vertisoles en nuestro país, al ser de los suelos con mayor potencial productivo, no existe una revisión bibliográfica que permita un análisis de los avances que se han alcanzado en los últimos 26 años, específicamente sobre su manejo agronómico. La degradación física y química que presentan la mayoría de ellos en más de 66% (^{Moncada et al., 2013}), justifica la necesidad urgente de realizar un eficiente manejo agronómico que conduzca a su rehabilitación o conservación.

Propiedades físicas y manejo

Las investigaciones más importantes realizadas sobre el efecto del manejo agronómico acerca de la modificación de las propiedades físicas y químicas en Vertisoles de México se reportan en el Cuadro 1. La mayoría de ellas analizan propiedades como: densidad aparente, retención de humedad, textura y permeabilidad y pocas evalúan los agregados (formación, estabilidad y distribución) y porosidad del suelo.

Dap = densidad aparente; MO = materia orgánica; CIC = capacidad de intercambio catiónico; MOP = materia orgánica particulada; COS = carbono orgánico del suelo; N = nitrógeno; P = fósforo.

Cuadro 1 Principales investigaciones realizadas en Vertisoles, en México. 

De acuerdo con estas investigaciones, la primera modificación con el cambio de uso del suelo de un ecosistema natural, es la compactación e incremento en la densidad aparente. El paso de maquinaria pesada (^{Sánchez-Vera et al., 2003}) o el pisoteo del ganado, cuando los Vertisoles se usan como agostaderos (^{Geissen et al., 2009}), son los responsables de incrementar la densidad aparente (hasta 10%) degradando al suelo por compactación (SEMARNAT-CP, 2002¹), sobre todo en la zona costera del Golfo (^{Krasilnikov et al., 2013}). En ese sentido es importante generar practicas agronómicas que disminuyan la densidad aparente (Dap) en términos de resistencia mecánica, retención de agua o porosidad, para ello es necesario llevar a cabo investigaciones más integrales de los Vertisoles.

Algunos investigadores proponen realizar subsoleos (^{Ribón et al., 2003}), o bien utilizar tractores multiarados, en suelos con pendientes menores de 1% y poca pedregosidad (^{Gutiérrez-Rodríguez et al., 2004}). Otros indican que el tránsito reiterado del sistema de rodaje de los diferentes tractores (pesado, medio y ligero), altera la resistencia a la penetración y aumenta la Dap (^{Gutiérrez-Rodríguez et al., 2012}).

La incorporación de residuos de cosechas anteriores es otra forma de mejorar las condiciones físicas del suelo en un sistema de trigo-maíz-algodón (Lee-Rodríguez y Núñez, 1985³) o en caña de azúcar (^{Sánchez-Hernández et al., 2003}). Castellanos (1985⁴) demostró que al agregar estiércol en diferentes concentraciones (hasta 120 kg ha^-1) en cultivos de alfalfa, disminuye la Dap, aumenta la retención de agua aprovechable, y mejora la estructura del suelo. Por su parte, ^{Sánchez-Hernández et al. (2003}, ²⁰⁰⁶⁾ recomiendan aportar vermicomposta de cachaza y estiércol bovino (1:1) para disminuir la Dap en 13% (de 1.34 a 1.16 Mg m^-3). La distribución de agregados y el diámetro medio ponderado (indicador de estabilidad de estructura del suelo) incrementaron con el aumento en la cantidad de material orgánico agregado. De hecho, la adición de material orgánico a los Vertisoles es crucial para la formación de macro-agregados resistentes al agua (>2 mm); mientras que los microagregados son más susceptibles a sufrir degradación física por los procesos de humedecimiento y secado (^{Bravo-Garza et al., 2005}, ²⁰⁰⁹, ²⁰¹⁰).

Otro factor que determina la fertilidad física de los Vertisoles es el tipo de labranza, para ello se han realizado diversas investigaciones con el f in de analizar los cambios en las propiedades del suelo. ^{Mora et al. (2001)} compararon tres manejos agronómicos en rotaciones de maíz-trigo: labranza convencional con quema de residuos, labranza convencional con incorporación de residuos y labranza cero con residuos sobre la superficie. Los resultados indican que la Dap en la labranza cero fue mayor en comparación con la labranza convencional; mientras que el contenido de humedad en la capa superficial se incrementó de 2 a 5% en la labranza cero. Además, en labranza cero la incorporación de residuos orgánicos incrementó la porosidad, permeabilidad y se redujo la compactación (Covarrubias, 1985⁵). En contraste con la labranza convencional, la cual modifica la capacidad de retención de agua por la escasa magnitud de su porosidad (^{Oleschko et al., 1993}) y se puede formar un piso de arado (impidiendo la penetración de las raíces) cuando se emplea la siembra directa (^{Fuentes et al., 2009}).

La agricultura de conservación es una práctica agronómica que propone reducción del laboreo de las tierras (cero labranza), rotación de cultivos y adición de residuos de cosechas anteriores (^{Oleschko et al., 1996}; ^{Fuentes et al., 2009}). No obstante, no siempre se obtienen resultados que mejoren la calidad física de los Vertisoles sobre todo en zonas áridas (^{Gutiérrez Castorena et al., 2015}).

El drenaje y las propiedades hídricas de los Vertisoles, también son factores importantes que dificultan su manejo agronómico. Los procesos de humedecimiento y secado pueden colapsar a la estructura del suelo y afectar seriamente a los cultivos rompiendo sus raíces (^{Ortega-Larrocea et al., 2001}). La aparición de grietas se debe a la pérdida de humedad por debajo de los 10 g g^-1, fenómeno que se observa en zonas de cultivo y no así en zonas con cobertura vegetal (^{Navar et al., 2002}). Esto provoca que en la temporada de lluvias las grietas se llenen de sedimento para posteriormente colapsarse y formar escorrentías en las que se puede presentar pérdida o erosión del suelo. ^{Geissen et al. (2008)} proponen resolver este fenómeno con la instalación de barreras vivas para evitar la formación de cárcavas. Sin embargo, es necesario conocer el origen de formación y los materiales parentales de los Vertisoles para ofrecer un manejo adecuado debido a la variabilidad de materiales (ígneo y sedimentario) y condiciones climáticas necesarias para la formación de estos suelos (^{Geissen et al., 2007}; ^{Krasilnikov et al., 2013}).

Propiedades químicas y manejo

La fertilidad química de los Vertisoles ha sido estudiada en cambios de uso del suelo y en diversos manejos agronómicos; aunque la mayor parte de estas investigaciones han sido realizadas comparando diferentes sistemas de labranza y sólo contemplando algunas propiedades como materia orgánica (MO) y pH.

Con el cambio de uso de suelo, por ejemplo, de una selva a un cultivo de caña de azúcar o para realizar prácticas de agostadero se ha reportado una disminución drástica en el contenido de MO y perdida de la estructura (Rosales y Figueroa, 1985⁷). ^{Medinilla et al. (2014)} encontraron una reducción en el contenido de MO de 3% y degradación de agregados de origen biológico en tan solo un año. Estos cambios son atribuidos a la naturaleza, volumen y grado de humificación de la materia orgánica (^{Oleschko et al., 1996}).

^{García-Silva et al. (2006)} mencionan que los decrementos en el contenido de carbono orgánico del suelo (COS) se deben al escaso desarrollo de la estructura de los Vertisoles, en donde el C al ser liberado de los agregados queda fácilmente disponible para los microorganismos del suelo. Estudios posteriores en este mismo sitio, indican que el contenido de ácidos húmicos (AH) y fúlvicos (AF), así como su relación (AH/AF) disminuye en Vertisoles con labranza convencional en comparación con los sometidos a manejo agronómico donde se gestionan los residuos de cosechas o se emplea la siembra directa. El proceso responsable es la lixiviación y afecta no sólo al C sino también a elementos móviles como el nitrógeno (^{García-Silva et al., 2005}; ²⁰⁰⁶). En el caso del pH, P, K y la capacidad de intercambio catiónico (CIC) se ha mencionado que no sufren modificaciones a través de los años con los sistemas de labranza (^{Ribón et al., 2003}).

Las prácticas agronómicas recomendadas para restablecer la fertilidad química en la mayoría de los suelos agrícolas con problemas de compactación como los Vertisoles son el subsoleo e incorporación de diferentes fuentes de MO (^{Coulombe et al., 2000}). El subsoleo es utilizado para evitar la acumulación de MO sólo en la superficie y optimizar la fertilización con N en el caso de un pastizal y el cultivo de caña (^{Sánchez-Vera et al., 2003}). Otros autores recomiendan la mínima alteración del suelo (agricultura de conservación), para que la biomasa microbiana y nutrimentos como el N inorgánico y P extractable se puedan concentrar en la superficie del suelo (0-10 cm), y de esa manera promover mejores condiciones para la captura de carbono (^{Salinas-García et al., 2001}, ²⁰⁰²).

Varias investigaciones han demostrado que, con la reducción de la labranza, la actividad biológica mejora la estructura del suelo y se presenta mayor tasa de recambio de nutrimentos, lo que hace al sistema más dinámico, sobre todo después de 10 años con este manejo (^{Fregoso Tirado et al., 2008}). Asimismo, los procesos de salinización son detenidos o aminorados y la saturación del suelo se reduce (Covarrubias, 1985⁵). ^{Ramírez-Barrientos et al. (2006}) indican que aquellas características que presentan detrimento en labranza cero, como la porosidad y la retención de humedad, no afectan demasiado el desarrollo de los cultivos y los rendimientos son cercanos a los obtenidos con labranza convencional. De la misma manera, se indica que con la adición de estiércol bovino, practicando labranza mínima o cero (Castellanos, 1985⁴) o con la incorporación de residuos vegetales, se incrementan los contenidos de Nt, MO, P, Ca, Mg y CIC (Rosales y Figueroa, 1985⁷; Lee-Rodríguez y Núñez 1985³; ^{Oleschko et al., 1996}; ^{Sánchez-Hernández et al., 2003}, ²⁰⁰⁶; ^{Ramírez-Barrientos et al., 2006}).

En algunas ocasiones no hay cambios en las variables químicas por la incorporación de MO, debido a la nula descomposición del rastrojo de cosecha que no permite cambios en las variables Nt, P-Olsen y pH (^{Sánchez-Hernández et al., 2003}). En ese sentido, es importante la incorporación de los residuos de cosecha, irrigación o modificación en el régimen de humedad del suelo e investigación en la actividad biológica para determinar la tasa de captura de C (^{Gutiérrez Castorena et al., 2015}).

Fertilización y manejo

Gran parte de la investigación acerca de la fertilización en Vertisoles se ha realizado en cultivos de caña de azúcar, gracias a los esfuerzos de un grupo de investigación multidisciplinario en el Campus Tabasco, del Colegio de Postgraduados. ^{Salgado-García et al. (2000)} propusieron una dosis óptima de fertilización para la caña de azúcar de 160-80‑80 kg ha^-1 (N-P-K) que se aplica en bandas y después recomiendan enterrar el fertilizante para incrementar los rendimientos. Si se realiza esta última práctica, la eficiencia de recuperación del N es de 20%, superior a la obtenida mediante la aplicación superficial; además, es necesario que la fertilización se realice a los tres meses después de la siembra (^{Salgado-García et al., 2001}). Esta tendencia también fue observada en sorgo en donde se recomienda fraccionar las dosis de fertilizante para aumentar la eficiencia del N (^{Espinosa et al., 2002}). En otros trabajos, ^{Salgado-García et al. (2003)} demostraron que al agregar 160‑35-67 kg ha^-1 (N-P-K), aplicado como una mezcla de sulfato de amonio (NH₄)₂SO₄, superfosfato triple (10Ca (H₂PO₄)2‑H₂O‑2HF) y KCl, enterrado tres meses después del rebrote, se producen los mayores incrementos en el rendimiento de la caña de azúcar en comparación con el testigo en los Vertisoles.

^{Palma-López et al. (2002)} propusieron un sistema integrado de fertilización (N, P, y K) para el ingenio azucarero Azucarmex, Tabasco. Utilizaron un modelo conceptual fundamentado en el balance entre la demanda del nutrimento por el cultivo, el suministro que hace de éste el suelo y la eficiencia del fertilizante. Las dosis de fertilización obtenidas debieron ser ajustadas para generar una recomendación viable para la caña de azúcar en cada clase de suelo (Fluvisol, Vertisol, Cambisol, Luvisol y Leptosol), donde los Vertisoles son la unidad de suelo que ocupa mayor área (36.9% del total del ingenio). En este caso particular la dosis recomendada fue de 34, 0, 105 kg ha^-1 NPK, debido a que los Vertisoles tienen la capacidad para restablecer sus propiedades químicas; sin embargo, las propiedades físicas pueden ser modificadas impidiendo el enraizamiento de la caña de azúcar, pero este fenómeno puede ser revertido con el subsoleo. Los autores indican que las dosis recomendadas por el modelo pueden lograr sus máximos rendimientos si el resto de las labores de cultivo (resiembra, drenaje y variedades empleadas) se realizan en tiempo.

La fertilización con N y la implementación de sistemas de cero labranza con rotación de cultivos tienen el potencial de incrementar el secuestro de SOC y mantener altos rendimientos de cultivos como sorgo, trigo, maíz y caña de azúcar en los Vertisoles irrigados del centro de México. También las cantidades de C incrementan sus concentraciones dependiendo de la cantidad de N agregado; este efecto se ve magnificado cuando se emplea la labranza de conservación y rotación de cultivos (^{Follett et al., 2005}). La fertilización con P en Vertisoles está relacionada con la humedad del suelo, al aumentar la tensión entre la matriz del suelo y las moléculas de agua. Ocurre después un déficit de P, y las plantas sufren estrés afectando algunos parámetros como altura, diámetro y peso de hojas (^{Rivera-Hernández et al., 2009}; ²⁰¹⁰).

Existen, aunque en menor cantidad, algunos esfuerzos por investigar la dinámica de otros nutrientes en la fertilización de Vertisoles. El K⁺ ha sido quizá uno de los nutrientes más estudiados en estos suelos, debido a su alta capacidad amortiguadora que limita su disponibilidad (^{Bolio-López et al., 2008}). Este elemento abunda de manera natural en algunos suelos principalmente cuando se forman a partir de rocas ígneas; sin embargo, es necesario agregar fertilizantes potásicos para aumentar los rendimientos de cosecha tanto en manejo convencional (^{Zuñiga-Estrada et al., 2010}) como el fertirriego (^{Vidal-Martínez et al., 2006}) sobre todo en suelos derivados de otro tipo de materiales parentales (rocas sedimentarias o metamórf icas). ^{Lozano García et al. (2011)} recomiendan utilizar labranza mínima como una forma de liberar más K⁺ a la solución del suelo en la capa arable.

Consideraciones finales acerca del manejo de Vertisoles

De acuerdo con la revisión de literatura se puede indicar que hay cuatro líneas o estrategias que se deben seguir en el manejo agronómico de los Vertisoles en México, las cuales son:

Es conveniente también considerar los factores de formación de los Vertisoles y sus procesos pedogenéticos, debido a la gran mega-diversidad de condiciones que ocurren en nuestro país. Aunque todos comparten el proceso de vertización, es necesario tomar en cuenta los procesos de alcalinización y salinización los cuales están relacionados con su degradación; mientras que los procesos de melanización o antropogenización indican que el manejo de los Vertisoles es el correcto. La caracterización de materiales parentales ha sido realizada por ^{Sotelo et al. (2013)} en los estados de Veracruz y Tamaulipas y estudios geológicos por ^{Geissen et al. (2007)} en Campeche.

Finalmente, es importante resaltar que la mayoría de las investigaciones fueron realizadas en centros de investigación principalmente en Villa Diego, Valle de Santiago, Guanajuato; Chontalpa, Tabasco; Campeche y Linares, Nuevo León y pocos han sido realizados directamente con productores que posean parcelas con esta clase de suelo. Además, una gran cantidad de estudios no clasificaron el suelo dónde se realizó el experimento, lo que es una limitante para la transferencia de tecnología a nivel nacional e internacional.

Conclusiones