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Introducción
En México, el manejo agroforestal se ha centrado principalmente en zonas tropicales y templadas, (Moreno-Calles et al., 2013), en donde se presentan los bosques mesófilos de montaña (BMM). Estos ecosistemas cubren una superficie entre 0.4-1% del territorio nacional, presentan alta biodiversidad (Villaseñor, 2010; Fa y Morales, 1993) y gran variedad de servicios ecosistémicos (Martínez et al., 2009). Sin embargo, el avance de la frontera agrícola hacia estas superficies forestales ha traído como consecuencia la aparición de una superficie de labor frágil, con alta susceptibilidad a los procesos erosivos y, por ende, una baja productividad (Orozco et al., 2004).
Los sistemas agroforestales pueden ser una alternativa para la agricultura en los bosques mesófilos pues ofrecen beneficios económicos, sociales y ambientales (Young, 1989 y 1997; CATIE, 2001; USDA, 2014; Wilson y Lovell, 2016), así como la reducción del uso de insumos (Strong y Jacobson, 2006). No obstante, han sido cuestionados por su baja productividad económica a corto plazo, se aplican sólo en áreas pequeñas y los resultados no son fácilmente reproducibles por las condiciones ambientales específicas en donde se han realizado (CATIE, 2001; Moreno-Calles et al., 2013). Además, estos estudios se basan en la evaluación de la producción de biomasa y alimentos, servicios ecosistémicos, calidad del aire y del agua (Casanova-Lugo et al., 2016; Torralba et al., 2016), pero poco se analiza su manejo de manera integral, donde se consideren factores clave como la calidad del suelo e indicadores como la agregación, importante en la estabilización del carbono.
En la región de Zacatlán, Puebla, los BMM forman parte de la Región Terrestre Prioritaria de Conservación RTP 102, y presentan dominantemente Andosols (Krasilnikov et al., 2013). Esta región muestra fragmentación del hábitat en 60% e intensa degradación de suelos (SEMARNAP-CP, 2002). Un diagnóstico de los sistemas (o del impacto del cambio de uso de suelo) son importantes para proponer estrategias que mitiguen el impacto de las prácticas agrícolas y ganaderas, y con ello, lograr la conservación de los BMM y sus servicios ecosistémicos (Arriaga et al., 2000).
Los Andosols constituyen uno de los grupos de suelos de referencia para la producción agrícola en el mundo por su elevada fertilidad potencial (IUSS Working Group WRB, 2015). La relación que tienen con zonas volcánicas permiten actividades forestales, agrícolas y frutícolas bajo diferentes manejos tanto orgánicos como inorgánicos, y con diferentes sistemas de labranza: convencional, tradicional, mínima o cero (Tapia-Vargas et al., 2001; Velásquez-Valle et al., 2006, 2007; Muñoz-Villalobos et al., 2011). El problema de estos suelos es que son altamente susceptibles a la erosión hídrica y eólica (Krasilnikov et al., 2013), lo que incrementa aún más la fragilidad de los ecosistemas de los BMM. La hipótesis que se plantea en la presente investigación es que los sistemas agroforestales en BMM son adecuados para la conservación o mejoramiento de la calidad de los Andosols después del cambio de uso de suelo; no obstante, puede haber diferencias entre los manejos orgánicos e inorgánicos en sus propiedades edáficas.
El objetivo principal del estudio fue evaluar la calidad de los Andosols bajo diferentes sistemas: forestal, agroforestal y agrícola con diferentes manejos, en Zacatlán, Puebla.
Materiales y Métodos
El Municipio de Zacatlán se localiza dentro de la región de la Sierra Norte, del estado de Puebla, entre los paralelos 19° 50’ 06” y 20° 08’ 12” de N y los meridianos 97° 51’ 06” y 98° 12’ 36” O; presenta una elevación que varía de 1120 a 2860 m. El clima es templado húmedo con abundantes lluvias en verano (temperatura media anual de 14.5 ºC y con precipitaciones medias anuales de 1073 mm); la vegetación está dominada principalmente por BMM y bosque de pino-encino que pertenecen a la Región Terrestre Prioritaria de Conservación RTP 102 (Arriaga et al., 2000). Los suelos predominantes son Andosols, aunque también pueden ocurrir Luvisols y Cambisols de acuerdo con la información del Plan de Desarrollo Municipal (H. Ayuntamiento de Zacatlán, 2011).
Los sitios de muestreo se ubicaron en dos comunidades de Zacatlán: Atzingo y Poxcuatzingo, los cuales se localizan al norte de la cabecera municipal. A través de recorridos de campo se identificaron sitios en diferentes sistemas: forestal (Testigo), agroforestal y agrícola. Posteriormente, se entrevistaron a comisariados ejidales y productores para conocer el manejo agronómico (adición de abonos orgánicos o aplicación de fertilizantes inorgánicos) y el tipo de labranza (mínima o cero y convencional); además se cuestionó si los suelos habían presentado algún tipo de degradación. En cada sitio se realizaron pozos pedológicos con diferentes profundidades y se describieron de acuerdo con el manual de Cuanalo (1990). Las muestras de suelo fueron colectadas en cada uno de los horizontes; además, se obtuvieron muestras compuestas (tres sub-muestras) de la capa superficial (0 a 20 cm) de cada sistema de manejo, para su posterior análisis en el laboratorio.
Las muestras alteradas se secaron a temperatura ambiente y se tamizaron con una malla de 2 mm de apertura para separar la fracción de tierra fina del suelo. Las determinaciones químicas que se realizaron fueron: reacción del suelo (pH relación agua suelo 2:1); Nitrógeno total (Ntot) por el método de Kjeldahl, Materia Orgánica del Suelo (MOS) con el método de Walkley y Black; Fósforo soluble en ácido cítrico (Pac cit); y Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) con el método del acetato de amonio. Las determinaciones físicas fueron: densidad aparente (Da), con el método del terrón parafinado; Textura con el método de la pipeta americana, Retención de Humedad (Membrana y olla de presión) y Color (Carta de color Munsell). Todos los procedimientos fueron extraídos del manual de van Reeuwijk (2003) y fueron realizados con tres repeticiones.
La calidad de suelo de cada sistema analizado se obtuvo a través de índices de acuerdo con Larson y Pierce (1994) y Bautista-Cruz et al. (2004). Con los datos de las propiedades edáficas de cada sistema se realizó un análisis de similaridad utilizando una codificación 0-1, donde 0 se asigna al valor mínimo y 1 al valor máximo de cada propiedad y se usó la distancia euclidiana.
Resultados y Discusión
El análisis de similaridad de las propiedades del suelo mostró que en la zona de estudio se presentaron tres grupos: forestal (BMM), agroforestal (con manejo orgánico y labranza mínima) y agrícola (manejo inorgánico y labranza convencional). El grupo o sistema que dominó fue el agroforestal. En la Figura 1 se muestra el paisaje de cada sistema estudiado.
Figura 1 (A) Bosque mesófilo de montaña (BMM); (B) Sistema agroforestal: con enmiendas orgánicas; (C) Agrícola con cero labranza; (D) Agrícola con labranza mínima; (F) Huerto de manzana abandonado; (G) Asociaciones maíz-frijol- haba-calabaza-árboles frutales.
En los sistemas agroforestales destacan las plantaciones de manzana, arándanos, cultivo de maíz; además de asociaciones de maíz-haba-calabaza con árboles de manzana. El tiempo durante el cual se ha realizado el manejo de estos suelos es variado, desde 2 hasta 50 años implementando mecanismos de abonamiento similares. En general, la producción de estos sistemas agroforestales se destina para autoconsumo; pocos son los casos en donde la producción y los intereses del propietario son con fines comerciales. El manejo agrícola está reservado principalmente a la producción de maíz para autoconsumo. En el Cuadro 1 se reportan los sistemas estudiados y sus principales características.
Propiedades edáficas
La estructura del suelo es una de las propiedades que más se relaciona con otras propiedades físicas y químicas como: color, MOS, porosidad, retención de humedad y densidad aparente (Brady y Weil, 1999), de ahí la importancia de su análisis a nivel de perfil de suelos en los diferentes sistemas estudiados. En la Figura 2 se reportan diferentes grados de descomposición de la materia orgánica (a y b) y la formación de agregados en el horizonte orgánico y superficial (c y d); mientras que en la Figura 3 se ilustran los diferentes tipos de agregados del suelo que se presentaron en los sistemas estudiados.
Figura 2 Desarrollo estructural de Andosols bajo BMM. A) y B) Horizonte orgánico con diferente grado de descomposición; C) y D) agregados migajosos y bloque subangulares.
En el BMM, los agregados migajosos y granulares son abundantes desde la superficie hasta profundidades de 55 y 70 cm, respectivamente (Sitio 1). Este tipo de agregados son comunes en los horizontes orgánicos y superficiales como resultado de la actividad biológica de los hongos que descomponen la materia orgánica, o bien, por excretas de fauna del suelo (Bullock et al., 1985; Bronick y Lal, 2005; Kooistra y Pulleman, 2010), que se acumulan debajo de la hojarasca y superficie del suelo. El gran espesor de los agregados biológicos indica que el BMM no ha sido perturbado.
Con el cambio de uso de suelo (de BMM a manejo orgánico), la frecuencia de los agregados migajosos disminuyó hasta 50% (Sitios 2 y 3) o inclusive no se presentan en suelos con manejo inorgánico (Sitio 9). Sin embargo, los agregados de origen biológico se pueden desarrollar rápidamente en sistemas agroforestales cuyos suelos estuvieron degradados (Sitio 4). Tavares Filho y Tessier (2009) observaron que a una profundidad de 0 a 20 cm, la labranza convencional destruyó a los microagregados, debido a que el manejo del suelo aceleró el proceso de degradación de la MOS (Brady y Weil, 1999).
Los agregados granulares con bloques subangulares son comunes en el sistema agrícola (Sitios 9 y 10), como resultado de la labranza convencional (Gutiérrez-Castorena et al., 1999), pero también se pueden formar los agregados granulares por la alteración de las cenizas volcánicas de los Andosols (Stoops, 1983; Torn et al., 1997; Stoops et al., 2006). Pagliai et al. (2004) mencionan que la estructura es una de las propiedades del suelo que se modifica rápidamente por el cambio de uso de suelo y por el sistema de labranza.
Otra característica importante que se observó en el sistema agroforestal y agrícola fue la estructura de bloques subangulares cerca de la superficie (manejo agrícola) o entre 15 y 35 cm de profundidad (Figura 4). Esto implica una degradación de la estructura por disminución en el contenido de MOS (Bronick y Lal, 2005), tanto en labranza convencional como en labranza cero (Cássaro et al., 2011), debido a que esta estructura en Andosols ocurre en los horizontes sub-superficiales (McDaniel et al., 2012). La actividad biológica relacionada con la formación de estos agregados está relacionada sólo con las raíces, las cuales son las responsables del redondeo de los bloques (Brady y Weil, 1999).
Figura 4 Propiedades edáficas del bosque mesófilo de montaña (BMM) y los diferentes manejos agroforestales y agrícolas.
El análisis de la estructura cuando ocurre cambio de uso de suelo permite establecer patrones de impacto a nivel de agregación, la cual en el contexto del cambio climático global significa un aspecto importante en el secuestro de carbono, y por ende en la gestión del recurso suelo (Shrestha et al., 2004). No obstante, en estudios de sistemas de agroforestería en nuestro país, este aspecto es generalmente subestimado.
Con la modificación de la estructura, la densidad aparente baja de los Andosols con BMM (0.49 g cm-3) comenzó a incrementarse regularmente (0.69 g cm-3) (sistema agroforestal con manejo orgánico; Sitio 3), hasta 1 g cm-3 (sistema agrícola; Sitio 10). El mismo comportamiento sucedió con la retención de humedad, al disminuir el porcentaje hasta 47% (Sitio 2) e incluso a 24% en el manejo convencional (Sitio 8). La densidad aparente baja, alta capacidad de retención de humedad y altos contenidos de amorfos y materia orgánica son comunes en Andosols (IUSS Working Group WRB, 2015); sin embargo, éstas propiedades pueden sufrir cambios irreversibles (McDaniel et al., 2012), por eliminación de la cubierta vegetal o por los diferentes sistemas de labranza. Pires et al. (2017) reportaron que la porosidad total puede disminuir hasta 40% (0 a 30 cm de profundidad) de suelos sin labranza a suelos con labranza tradicional.
Finalmente, la textura en la mayoría de los suelos se considera franca limosa y franca; los colores son oscuros en la superficie por el alto contenido de materia orgánica y tienden a ser claros en los horizontes subsuperficiales principalmente en el bosque y en los sistemas agroforestales. En los suelos con manejo agrícola los colores son principalmente claros.
En lo que respecta a las propiedades químicas (Cuadro 2), los cambios más drásticos se presentan en el contenido de MOS, Ntot y P. El BMM presentó los valores más altos en MOS (31.1%) en el horizonte A; mientras que en el sistema agroforestal se redujo hasta 50% en manejo orgánico (Sitios 2 y 7) y hasta 80% en el sistema agrícola (Sitios 9 y 10). Esos resultados son similares a lo reportado por varios autores cuando hay cambio de uso del suelo (Brady y Weil, 1999; Spaccini et al., 2001; Lal, 2002; Nogueira et al., 2006; Cardoso et al., 2013). Sin embargo, hay que indicar que del bosque nativo a los sistemas agroforestales, el contenido de MOS continua siendo alto (más de 13%) de acuerdo con la escala de Brady y Weil (1999). Otros autores mencionan que a pesar de que el reemplazo de los bosques por sistemas agroforestales reduce el contenido de MOS, este tipo de sistemas ofrecerá mejores opciones de almacenamiento de carbono que las tierras agrícolas intensamente cultivadas (Nair et al., 2009; Sharma et al., 2016).
† Se menciona el: #sitio-asociación-años de manejo y ND = no determinado; Mz = maíz; Mnz = manzana; Hb = haba; Cal = calabaza; Bl = blue berry.
Cuadro 2 Propiedades físicas y químicas del horizonte superficial (0-20 cm) de los sistemas forestales, agrícola y agroforestales de Zacatlán, Puebla.
La relación C:N presente en todos los sitios de estudio fue variable de acuerdo con el bosque y con el tipo de manejo del suelo. Los valores más altos se presentaron en el BMM (C/N de 100), por la presencia de acículas que poseen más lignina, material resistente a la descomposición (Hammel, 1997; Rahman et al., 2013). Con el cambio de uso del suelo e incorporaciones de compostas, las relaciones C:N disminuyen entre 16 y 28, comunes en este tipo de materiales orgánicos (Sánchez et al., 2008; Bernal et al., 2009; Romero-Figueroa et al., 2015). En tanto, el Sitio 5 presenta los contenidos de Ntot y MOS más altos del manejo orgánico (0.52 y 18.2% respectivamente), por el cultivo frecuente de haba, leguminosa que fija nitrógeno (Brady y Weil, 1999); no obstante, también se encontró la relación C:N más alta (35.7), por la incorporación de estiércol, aserrín y cáscara de semilla de calabaza como composta que dificulta la descomposición de la materia orgánica. Finalmente, los altos valores de la CIC de todos los sitios son considerados óptimos en cuanto a su fertilidad química (Cuadro 2) y la reacción química fue de moderada a fuertemente ácida de acuerdo con la NOM-RECNAT-2000 (Norma Oficial Mexicana, 2002).
En cuanto a elementos como el K+ y los fosfatos se encontró que presentan concentraciones altas en algunos sistemas. En sistemas agroforestales, en donde se incorporan cenizas volcánicas, tanto en manejo orgánico (Sitio 5) como inorgánico (Sitio 6), los contenidos de K+ se incrementaron hasta 109 y 98 cmol (+) kg-1 respectivamente, en relación con el BMM que presentó 1.14 cmol (+) kg-1. El mismo comportamiento ocurrió con los fosfatos, donde los porcentajes se incrementaron de 2 a 3.5 veces más con el manejo orgánico (Sitio 3 y 7). En todos los sistemas analizados, el Ca2+ y Mg2 presentan valores bajos y muy bajos de acuerdo con la NOM-021-RECNAT-2000 (Norma Oficial Mexicana, 2002), por lo que es necesario su adición para mejorar la calidad de los suelos.
En la Figura 4 se ilustra de manera radial el comportamiento de algunas propiedades edáficas (Da, MOS, retención de humedad y CIC) entre los diferentes sistemas estudiados (forestal, agroforestal y agrícola). En términos generales, el sistema que más se diferencia del BMM, es el manejo agrícola; no obstante, si este último sistema incorpora un manejo agroforestal puede disminuir estas tendencias, como fue el caso del Sitio 4, el cual fue un sitio degradado. También la incorporación de fertilizantes orgánicos e inorgánicos incrementa el contenido Ntot, como ocurrió en los Sitio 2, 4 y 5.
Índice de calidad
En cuanto a los índices de calidad de cada sistema se encontró que las propiedades que más se modificaron por el cambio de uso de suelo fueron: la morfología (estructura), el contenido de MOS y la humedad. Además, la adición de fertilizante ha incrementado el contenido de Ntot, el cual determina la tasa de descomposición de la materia orgánica (Koranda et al., 2014) y la adición de cenizas incrementó el contenido de K+.
Estos indicadores contrastan con los obtenidos por otros autores; por ejemplo, Cornwell (2014) encontró que del bosque nativo a la agroforestería (cacao, cacao-plátano, cacao-piña y cacao-pastizal) las propiedades que cambiaron fueron: Da, pH, CIC, Ca; mientras que las que no se modificaron fueron: MOS, N, Mg2+, K+ y P. En cuanto al tipo de labranza, Neupane y Thapa (2001) reportaron que en sistemas agroforestales contra sistemas de labranza convencional establecidos durante 4 años el pH, MOS, Ntot, P y K+ no reflejaron diferencias significativas.
Dada la variación de los indicadores de calidad en los sistemas agroforestales y agrícolas es necesario un entendimiento de los procesos edáficos, sobre todo para identificar procesos de degradación o recuperación de suelos (Orellana et al., 1997) y no sólo evaluar la capacidad de un suelo para llevar a cabo sus funciones (Larson y Pierce, 1994). Además, es conveniente seleccionar atributos o propiedades del suelo que sean más sensibles al manejo (Arshad y Martin, 2002), sus características y las condiciones ambientales donde se desarrollan (Cardoso et al., 2013).
Consideraciones finales
Como información adicional, en los sistemas agroforestales se encontró que las huertas de manzano tienen problemas en el manejo de las plagas y deficiencias nutrimentales (Figuras 5a y b); además, las prácticas de incorporar aserrín y residuos de semillas al suelo (Figura 5c y d), pueden disminuir la disponibilidad del nitrógeno (Brady y Weil, 1999), y la calidad del suelo.
Conclusiones
En el municipio de Zacatlán, Puebla, se presentaron tres tipos de sistemas en los Andosols: forestal, agroforestal y agrícola, con manejo orgánico e inorgánico y diferente tipo de labranza (cero y convencional). Los manejos orgánicos e inorgánicos con cualquier tipo de labranza han disminuido la calidad de los suelos en comparación con los suelos del bosque, tanto en sus propiedades físicas, químicas como morfológicas. El sistema agroforestal y agricultura con labranza mínima tienden a parecerse más al bosque mesófilo de montaña (BMM); además posiblemente están contribuyendo a la recuperación de suelos degradados. Caso contrario es el sistema agrícola con fertilización inorgánica, donde sus propiedades edáficas difieren hasta en 80% del BMM. Los índices de calidad de los tres sistemas estudiados que mejor representaron los cambios por uso del suelo fueron: morfología del suelo (estructura), el contenido de MOS y la retención de humedad, cuyos valores disminuyen de BMM a sistema agroforestal y agrícola. El Ntot, P y K+ están relacionados con la aplicación de fertilizantes y cenizas.
