Introducción

Los yacimientos de níquel-laterita en la República Dominicana se encuentran en la cima de una cadena de colinas y dorsales montañosas, a lo largo de una franja de peridotitas serpentinizadas de tipo alpino (^{Draper y Gutiérrez-Alonso, 1997}). Esta área ha sido explotada desde 1971 para extracción de ferroníquel (^{Falconbridge Dominicana, 1971}) a cielo abierto, con una producción anual de Ni de aproximadamente 28 000 toneladas métricas. El proceso de extracción de ferroníquel consiste en la remoción completa de la vegetación y el horizonte superficial (0 a 10 cm) del suelo, seguido por otra remoción del suelo subyacente correspondiente a un espesor de 40 cm. La serpentina depositada debajo del suelo es removida para la posterior extracción del mineral. Las capas superficiales de suelo removidas son repuestas sobre las áreas explotadas, previamente acondicionadas en bancadas (terrazas).

Las actividades mineras dejan tierras fuertemente excavadas con riesgo de derrumbes, suelos compactados, con pérdida de estructura, con deficiencias químicas, pH extremos y restos de metales pesados tóxicos (^{Wheeler y Miller, 1990}). La remoción de la cubierta vegetal reduce la biodiversidad y el contenido de materia orgánica (MO) del suelo que incrementan los riesgos de erosión (^{Izquierdo et al., 2005}; ^{Banning et al., 2008}). Para minimizar los daños ambientales, la remediación y restauración del suelo deberían ser tomadas en cuenta para producir una estabilización del mismo y la eventual colonización de organismos (^{Murcia et al., 2007}).

La rehabilitación de suelos usados para la minería comprende la implementación de medidas tanto mecánicas como biológicas; entre estas últimas se han ensayado plantaciones de árboles fijadores de nitrógeno (^{Dagar, 1998}). Por ejemplo, una práctica de remediación implantada en los últimos años es sembrar las bancadas con gramíneas de rápido crecimiento, para consolidarlas y estabilizarlas. Luego de un período indeterminado, se establecen especies forestales, tales como: Casuarina equisetifolia Forst y Acacia mangium Willd, las cuales presentan amplia capacidad de adaptación a las condiciones edafoclimáticas de las aéreas usadas para la explotación minera. De esta manera, se espera iniciar un proceso de recuperación de las propiedades biológicas, físicas y químicas de los suelos intervenidos. Las plantas tienen la habilidad de afectar a los organismos del suelo a través de la modificación del hábitat y la cantidad y calidad de materia orgánica (MO) que retorna al mismo, en forma de mantillo o los exudados de las raíces (^{Sotomayor-Ramírez et al., 2004}). Se ha demostrado que la regeneración natural con Casuarina spp., es ventajosa para el restablecimiento de la vegetación en las dunas, los sitios mineros y otras tierras abandonadas. Las plántulas arbóreas por lo general compiten adecuadamente con las gramíneas y las hierbas, excepto en condiciones de sequía (^{Parrotta, 1993}).

^{Sarrailh y Ayrault (2001)} reportaron una exitosa recuperación de los suelos explotados con la extracción de níquel (suelos deficientes en fósforo, potasio, nitrógeno y con presencia de metales tóxicos), con la siembra de las especies Acacia spirorbis Labill y Cassuarina collina Poiss. La reforestación de tierras tropicales abandonadas y degradadas incrementa la tasa de secuestro de carbono de la atmósfera y promueve la biodiversidad (^{FAO, 2000}). A. mangium, es uno de los árboles de rápido crecimiento más utilizado en los programas de reforestación en Asia, el Pacífico y en el Trópico húmedo en general. Esta especie se ha naturalizado en Puerto Rico, Brasil y muchas otras áreas, debido a su rápido crecimiento y capacidad para crecer en suelos degradados de baja fertilidad (^{Francis, 2002}). En la República Dominicana, esta planta ha tenido gran aceptación por su rápido crecimiento y ha sido usada en los planes de reforestación y además existen plantaciones comerciales en las que se producen postes para empalizadas, andamios, fabricación de muebles, ranchos para el tabaco y estructuras de invernaderos.

La compañía minera tiene la misión de remediar los suelos explotados y para ello inició un programa de siembra de árboles fijadores de nitrógeno. Sin embargo, desde que el programa se inició no se ha evaluado el cambio de las propiedades del suelo. El objetivo de esta investigación fue evaluar el efecto de las plantaciones de Casuarina equisetifolia y Acacia mangium, en el tiempo, en la calidad del suelo mediante la medición de las características físicas y químicas de suelos usados para la minería.

Materiales y métodos

Descripción del Sitio

La zona de explotación de ferroníquel a campo abierto se localiza en la Loma la Peguera de Bonao, provincia Monseñor Nouel (18° 55’ N y 70° 25’ O) en la Región dos (2) del Cibao Sur de la República Dominicana (Figura 1). En esta zona se produce anualmente aproximadamente 28 000 t Ni. La concentración de Ni en estos suelos no ha sido reportada en ningún estudio y la empresa lo maneja en forma confidencial. La topografía del terreno es característica de la zona montañosa del interior de la isla, con vegetación natural predominante de Pinus occidentalis L. La zona tiene de altura 380 m en promedio, temperatura media anual de 23.7 °C, pluviometría media anual de 1700 mm y 87% de humedad relativa. La zona de vida es de bosque húmedo subtropical (^{Reyna y Paulet, 1979}). Los suelos son preponderantemente Oxisoles o Ultisoles. El pH promedio del suelo en el bosque natural en la zona es de 6.6.

Figura 1. Localización de los sitios de muestreo en las áreas explotadas en Loma la Peguera provincia Monseñor Nouel. 

La zona de estudio fue dividida para seleccionar las áreas de muestreo en: (i) la bancada (estado de intervención inicial, después de finalizada la extracción minera) como la de mayor degradación del suelo; (ii) bosques naturales (zonas aledañas sin alterar) como área que representa las mejores condiciones de la zona y (iii) condiciones intermedias de plantaciones de A. mangium, con edades de 6 y 12 años de plantadas y de C. equisetifolia, con edades de 3, 7, 13 y 20 años. En este caso se consideró la edad de las plantaciones al momento de realizar la división de muestreo en la cronosecuencia de especies plantadas (Figura 1). Las bancadas fueron preparadas con depósito de la capa superficial del suelo removida previo a la extracción minera y sembrada con gramínea (Cynodon niemfluensis Vanderyst), similar tratamiento recibió el suelo donde se plantaron las especies en estudio. La densidad de siembra de C. equisetifolia y A. mangium fue aproximadamente de 1600 (2.5 × 2.5 m) plantas por hectárea. Para la selección de parcelas de áreas con suelos en recuperación, se consideró la especie, edad y la pendiente del suelo. Para tomar las muestras de suelo se establecieron varios transectos en las diferentes áreas de intervención.

Resultados y discusión

Ochenta y dos porciento de la variación de los datos se explicó basada en los tres primeros componentes del ACP (Cuadro 1). Las variables más sensibles seleccionadas en el componente principal 1 (CP1) fueron: pH, N-total (NT), C-total (CT), CE y textura; y en el CP2: MO, Mg y Fe (Cuadro 2). Ambos componentes, CP1 y CP2, explicaron 65% de la variación total de los datos (Figura 2). De acuerdo al CP1, los suelos sometidos a diferentes procesos de remediación con Acacia o Casuarina, que poseen menor pH, mayor contenido de MO, nitrógeno, mayor proporción de limo, y alta conductividad eléctrica fueron separados en magnitud y dirección con aquellos que estaban en el bosque natural y en la bancada.

CEC = capacidad de intercambio catiónico; E1, E2 y E3 = autovectores (considerados valores > 0.25).

Cuadro 1. Análisis de componentes principales. 

Cuadro 2. Conjunto mínimo de indicadores de calidad del suelo (CMICS) por componente principal. 

Figura 2. Distribución Biplot, de los CP1 y CP2, de las variables físico-químicas y sitios muestreados. 

Al considerar el componente principal 2 (CP2), el bosque natural se ubicó en el cuadrante superior derecho, principalmente debido al peso relativo de las variables antes mencionadas. Lo contrario se observó en los suelos de la bancada, que además se diferenció significativamente de las plantaciones con Acacia y con las de Casuarina con menor edad de establecidas. Aquellos indicadores en el suelo que representaron contenidos considerables de elementos tóxicos para las plantas como Al y B, alto porcentaje de saturación de bases, Ca y K intercambiables, estuvieron relacionados con el componente principal 3 (CP3) con valor propio de 17% (Cuadro 2). Sin embargo, estas variables explican una proporción pequeña de la variabilidad total, ya que los valores de las propiedades del suelo en la bancada son bajos.

Los altos porcentajes de saturación de Ca y K en la plantación 13 y 20 años de edad en comparación con el bosque natural, podría ser explicada en función del incremento de la MO del suelo con la cronosecuencia de Acacia y Casuarina. Sin embargo, la MO no está representada en el CP1 por tener un valor de ponderación inferior a 0.25. Además las leguminosas arbóreas, con su sistema radical profundo, tienen la capacidad de extraer bases desde el subsuelo y translocarlas a la parte vegetativa aérea para su posterior incorporación al componente mineral y orgánico del suelo.

El Zn, Al, Mn aparecen relacionados a las plantaciones de Acacia y Casuarina en niveles superiores a los registrados en la bancada. Esas variables son las que se relacionan con el CP2, su valor de correlación es bajo y no representan una cantidad importante en el suelo con relación a la nutrición de las especies. En el caso del Al y Mn en las cronosecuencia, se observa tolerancia de las especies a niveles altos de estos elementos, cuyos valores promedios son superiores a los de referencia.

La influencia de cronosecuencia sobre la calidad de los suelos usados para minería cuando se plantaron con Casuarina en mayor grado y Acacia en menor grado, es evidente. Los suelos con Casuarina presentan propiedades, como pH, CE, NT y CT que se ubican entre aquellos de la bancada y el bosque natural de referencia (Figura 3). Específicamente, el pH del suelo tiende a disminuir con Casuarina de mayor edad (Figura 3a), aproximándose a los valores medidos en los suelos bajo bosque natural usado como referencia. Un pH muy ácido libera Al y Mn (^{Fisher y Juo, 1995}) que afectan a los ecosistemas.

Valores en columnas con diferentes letras difieren significativamente (P < 0.05).

Figura 3. pH (3a), conductividad eléctrica (CE, 3b), nitrógeno total (N-Total, 3c) y carbono total (C-Total, 3d) en el suelo de las diferentes intervenciones de recuperación. 

Los resultados confirman la aplicabilidad de la herramienta del ACP para detectar cambios en las propiedades del suelo bajo diferentes manejos y procesos de recuperación en suelos explotados con actividades mineras. Por ejemplo, ^{Indeángelo et al. (2007)} utilizaron la técnica de ACP para seleccionar al NT y C orgánico (entre otros indicadores de calidad de suelo), para diferenciar suelos con manejos contrastantes. Tendencias similares a las encontradas en nuestro trabajo, fueron reportados por ^{Banning et al. (2008)} en una cronosecuencia de reforestación al observar contenidos comparables a los de un suelo no explotado por la minería.

Las variables (CE, NT y CT) aumentaron con la edad de la plantación de Casuarina (Figura 3b, 3c y 3d). Se observan diferencias dentro de una misma especie según las edades de plantadas y el contenido del CMICS entre las dos especies. ^{Izquierdo et al. (2005)} destacan la importancia de C. equisetifolia en favorecer adecuadamente cambios en el contenido de C y N del suelo en periodos tan cortos como 6 años. ^{Šourková et al. (2005)}, señalan que la formación del suelo y la acumulación de carbono orgánico dependen del desarrollo de la cobertura vegetal y la mineralización de los restos vegetales.

Los suelos con bosque natural y los plantados en la cronosecuencia de Casuarina de 7, 13 y 20 años de edad, se encuentran asociados con mayor CE del suelo. El análisis de contraste revela que el contenido de K intercambiables era mayor en los suelos plantados con Acacia y Casuarina, que el suelo de las bancadas, caso contrario al Ca y Mg, (Figura 4). Este comportamiento podría ser atribuido al aporte de biomasa de ambas especies y a su descomposición. Solamente el suelo bajo Casuarina con 13 y con 20 años de establecida tuvo mayor contenido de Ca, porcentaje de saturación de Ca y CIC que el suelo de la bancada. Se puede inferir entonces, que el incremento en CE del suelo con las leguminosas arbóreas podría ser atribuido al incremento de K en el suelo en etapas tempranas de crecimiento y al Ca y K en etapas más avanzadas de la cronosecuencia, ya que la CE está relacionada con las formas solubles de las sales del suelo. Los porcentajes de saturación con Ca, K y Mg (intercambiables) fueron diferentes entre los tratamientos de fitorremediación del suelo minado (Figura 4b, 4c y 4d). Se observaron diferencias significativas entre bosques naturales, bancada y las plantaciones de Acacia y Casuarina. Entre las plantaciones de Acacia con 6 y 12 años de plantadas no hubo diferencias. En plantaciones de Casuarina, de 13 y 20 años establecidas, se mostraron contenidos similares de estos elementos y, en general, superiores a los de aquellos con menor edad de plantadas.

Valores en columnas con diferentes letras difieren significativamente (P < 0.05).

Figura 4. Contenido de materia orgánica ( MO, 4a), calcio (Ca, 4b), magnesio (Mg, 4c) y potasio (K , 4d) en los suelos de las diferentes intervenciones de recuperación. 

Los suelos bajo bosque natural, y plantados con Casuarina de 7, 13 y 20 años de edad, se encuentran asociados con altos contenidos de MO del suelo. Esto se observa en los cuadrantes derechos de la Figura 2, diferenciado por el CP1. Los valores de todas las cronosecuencias fueron similares a los de bosque natural y mayor que los de la bancada. La plantación de 20 años de Casuarina acumuló la mayor cantidad de MO del suelo, y fue superior a aquel determinado en bosque natural (Figura 4a). Esto indica cierta evolución del suelo, con esta plantación previamente explotado con actividades mineras, hacia las características propias del bosque natural de la zona, en relación a las propiedades del suelo y no de la vegetación, a medida que las plantaciones alcanzan mayor edad. La acumulación de la MO del suelo tiene una función importante en este proceso. Según ^{Wick et al. (1998)}, ^{Liebig y Doran (1999)}, la MO está ligada al mejoramiento de las propiedades químicas del suelo.

Los mayores contenidos de P se registraron en suelos plantados con Casuarina a la edad de 3 años y bosque natural (media 8.23 y 3.95 mg kg^-1 respectivamente) (Figura 5a). La zona rizosférica de la Casuarina representa un ambiente especial para la simbiosis de bacterias que en muchos casos están asociadas a la liberación de nutrientes y en el caso del P, a su solubilización. El P fue el parámetro que mostró la mayor variabilidad y esto podría estar asociado a la ubicación de las parcelas en diferentes relieves del paisaje, ya que ninguna de las parcelas recibió fertilización y estuvieron sujetas a la libre dinámica de estos elementos. ^{Tripathi et al. (2009)} repotan variación en las propiedades del suelo, influenciadas por depresiones y cambios en la pendiente del paisaje y una vegetación dominada por Tectona grandis.

Valores en columnas con diferentes letras difieren significativamente (P < 0.05).

Figura 5. Contenido de fósforo (P, 5a), hierro (Fe, 5b), alumini (Al, 5c) y Limo (5d) en el suelo de las diferentes intervenciones de recuperación. 

Para el contenido de Fe los resultados indican que los suelos plantados con las dos especies, no muestraron los niveles encontrados en bosque natural y fueron inferiores a los de la bancada (Figura 5b).

El Al intercambiable en el suelo disminuyó con el incremento de la edad de la plantación en la cronosecuencia de Casuarina con una tendencia a reducir el pH excepto a los 20 años de establecida. Esto contrasta con lo observado en la cronosecuencia de Acacia (Figura 5c). El porcentaje de limo en el suelo con Casuarina, se aproximó a los niveles encontrados en bosques naturales (Figura 5d). El contenido de B en el suelo, no mostró tendencias ni entre especies, ni entre las edades de las mismas, a pesar de las diferencias de contenidos. Los bajos contenidos de B en el bosque natural no están asociados al pH, ya que en estos suelos el pH es más ácido en comparación con los otros sitios. Los niveles de boro no fueron un obstáculo para el establecimiento y desarrollo de la vegetación (Figura 6).

Valores en columnas con diferentes letras difieren significativamente (P < 0.05).

Figura 6. Contenido de boro (B) en los suelos con diferentes intervenciones de recuperación. 

Nuestros resultados coinciden con lo reportado por ^{Izquierdo et al. (2005)}, quienes compararon el comportamiento de varios indicadores de calidad de suelos con reforestaciones de C. equisetifolia y Anacardium occidentalis, después de 6 años. Estos autores señalan que las propiedades del suelo se acercaron a los de un suelo bajo vegetación nativa. ^{Parrotta (1999)}, reporta que C. equisetifolia, facilita el desarrollo de la vegetación por el incremento en el contenido de nutrientes a través de la acumulación de hojarasca sobre el suelo y la fijación de nitrógeno. La importancia de las leguminosas arbóreas en el mantenimiento de la MO del suelo ha sido atribuida por ^{Sotomayor-Ramírez et al. (2009)} a la mayor acumulación y preservación de C en un Vertisol, luego de 26 años bajo Leucaena leucocephala (Lam.) en comparación con pasturas, Eucalyptus robusta Poir y suelos bajo producción agrícola con labranza convencional.

Conclusiones