Introducción

Las propiedades del suelo son susceptibles a los cambios de su uso y son indicadores de calidad de suelo (^{Wang et al., 2012}). Las propiedades físicas del suelo como densidad, distribución y tamaño de los poros, capacidad de retención de agua, contenido de agua en el suelo, capacidad de infiltración y agregación, son alteradas con facilidad (^{Spedding et al., 2004}; ^{Bhattacharyya et al., 2008}; ^{Cjpek et al., 2012}). Además, la materia orgánica es la más susceptible a la sobreexplotación agrícola y al fuego (^{Darwish et al., 1995}; ^{Certini, 2005}; ^{Swędrzyńska et al., 2013}).

El cambio de uso de suelo puede alterar radicalmente la vegetación aun en lapsos de tiempo breves (^{Huang et al., 2006}), porque la vegetación mejora las propiedades físicas, químicas y microbianas del suelo mediante la reducción de la densidad aparente, el incremento de nutrientes, la tasa de infiltración, retención de agua y la biomasa vegetal (^{Jia et al., 2011}). La reducción de la capacidad del suelo para almacenar agua disponible es el factor que más contribuye a la pérdida de la productividad del suelo debido a la erosión (^{Rasoulzadeh y Yaghoubi, 2014}). Los factores edáficos como el pH, los niveles de nutrientes y la calidad y cantidad de materia orgánica (MOS) cambian con la profundidad (^{Rumpel y Kögel-Knabner, 2011}; ^{Eilers et al., 2012}). La MOS del suelo es uno de los principales factores que afectan otras propiedades del suelo (^{Murray et al., 2014}) y sus funciones, incluyendo la retención de agua (^{Carter, 2002}), la infiltración de aire, agua (^{Hillel, 2004}; ^{Li et al., 2007}) y la estabilidad de agregados (^{Six et al., 2004}), modifican la porosidad y capacidad de agua disponible que puede mejorar el desarrollo de las raíces, estimula el crecimiento de las plantas y el rendimiento de los cultivos directa o indirectamente supliendo nutrientes (^{Darwish et al., 1995}) y reduce la erosión (^{Li et al., 2007}).

Los ecosistemas perturbados tienden a degradarse (^{Montaño-Arias et al., 2006}), lo cual afecta el funcionamiento del ecosistema al alterar la dinámica de la circulación de nutrimentos, la productividad primaria y el flujo y retención de agua (^{Maass, 1998}). El fuego causa cambios físicos y químicos significativos como pérdida de la cobertura vegetal, desarrollo de hidrofobicidad de suelo, pérdida de permeabilidad (^{Cydzik y Hougue, 2009}). Estos efectos sobre las propiedades del suelo dependen de su intensidad y duración (^{Certini, 2005}). El fuego tiene mayor impacto sobre la MOS, la cual puede sufrir desde una ligera volatilización de componentes menores, hasta la carbonización o la oxidación completa (^{Certini, 2005}).

Desde hace décadas se realizan investigaciones y se desarrollan técnicas para manejar especies de plantas arbustivas para que los pastizales vuelvan a la condición de clímax y mejorar la productividad de los agostaderos (^{Anaya y Barral, 1995}; ^{Molinar-Holguín et al., 1998}; ^{Casanova et al., 2007}). La Sierra Maderas del Carmen, al norte de Coahuila, tiene un largo historial de uso ganadero (^{INE-SEMARNAT, 1997}) lo cual ha favorecido la compactación de suelo y cambios en la estructura de la vegetación dentro del matorral desértico micrófilo y rosetófilo. En la zona se implementaron proyectos de mejoramiento de hábitat mediante tratamientos mecánicos, pero se enfocaron en evaluar los beneficios sobre la vegetación (^{Casas y Manzano 2009}; ^{Ayala et al., 2014}; ^{Medina et al., 2016}) y no en otros componentes del ecosistema. El objetivo principal de nuestro estudio fue evaluar los cambios en algunas propiedades hidroedafológicas en áreas con ocurrencia de fuego de origen no humano, y áreas sometidas a tratamiento mecánico de rodillo aireador y conocer los efectos que provee cada tratamiento al suelo. La hipótesis fue que el efecto del fuego y del rodillo aireador aumentará la MOS y la permeabilidad, así como una reducción de la densidad aparente.

Materiales y Métodos

El área de estudio se ubicó en los planos desérticos de la Sierra Maderas del Carmen al norte de Coahuila, dentro del área de conservación privada Los Pilares (^{McKinney et al., 2006}) (Figura 1), entre 29° 22.45’ y 28° 42.21’ N, 102° 56.23’ y 102° 21.08’ O, a una altitud de 1182 m. El promedio anual de precipitación es 237.4 mm y de temperatura es 21.5 °C. Los suelos predominantes son castañozems cálcicos, rendzinas, vertisoles crómicos, litosoles y regosoles calcáricos (^{SPP 1982a}; ^1982b; ¹⁹⁸³). Los tipos de vegetación incluyen bosques de encino (Quercus), pino (Pinus) y oyamel (Abies); matorral submontano, zacatal y matorral desértico chihuahuense; que incluye los matorrales micrófilo, rosetófilo, comunidades gipsófilas y halófilas (^{INE-SEMARNAT, 1997}). Las parcelas experimentales se ubicaron en el matorral desértico micrófilo y rosetófilo.

Figura 1 Localización del área de estudio. 

En la primavera de 2014 se definieron cinco tratamientos dentro del matorral desértico micrófilo y cinco en el matorral desértico rosetófilo en un mismo tipo de suelo: regosol calcárico, con pendiente menor a 5°. El diseño experimental fue bifactorial, con 10 tratamientos: 1) testigo (MDMt), 2) rodillo aireador aplicado en 2004 (RA04), 3) rodillo aplicado en 2008 (RA08), 4) rodillo implementado en 2011 (RA11) y, 5) área incendiada en 2011 (IN11). En cada tratamiento se estableció una parcela geo-referenciada con una superficie de 1024 m² (32 m×32 m) para tomar muestras de suelo (^{Estrada-Castillón et al., 2014}; ^{Medina et al., 2016}). En cada parcela se obtuvieron cuatro muestras de suelo de 1.5 kg a una profundidad de 0-30 cm para el análisis de propiedades fisicoquímicas en laboratorio (^{DOF, 2002}); además, se recolectaron cuatro muestras sin disturbio para determinar el coeficiente de permeabilidad (K) de suelo usando el método del JIS (^{Das, 1997}). También se obtuvieron muestras de suelo para determinar su densidad aparente (DA) por el método del cilindro (^{Pennock et al., 2008}). Para los análisis de permeabilidad y DA se obtuvieron muestras a dos profundidades (0 a 10 cm, y 10 a 20 cm).

Los análisis en laboratorio fueron: contenido de materia orgánica (MOS) con el método AS-07-NOM-021-RECNAT-2000, Walkley/Black (^{DOF, 2002}), reacción de suelo (pH) con el método AS-23-NOM-021-RECNAT-2000 (^{DOF, 2002}), conductividad eléctrica (CE) del extracto de saturación con el método AS-18 NOM-021 RECNAT-2000 (^{DOF, 2002}), textura de suelo con el método AS-09 NOM-021 RECNAT-2000, densímetro de Bouyoucos (^{DOF, 2002}), la infiltración de suelo con el método del infiltrómetro de doble cilindro y la resistencia mecánica a la penetración (RMP) con el soil hardness tester Yamanaka (^{Carrasco et al., 2012}), la capacidad de campo y el punto de marchitamiento permanente con el método de la olla de presión (^{López-Ritas, 1967}) utilizados para determinar el porcentaje de agua útil.

Los análisis estadísticos se realizaron en el programa SPSS®, versión estándar 22 para Windows (SPSS Inc., Chicago, IL.). Para probar los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas para las variables analizadas los datos se sometieron a la prueba de Kolmogorov-Smirnov con la corrección de Lilliefors (^{Gómez et al., 2003}). Las variables se transformaron para inducir a la distribución normal: los valores de CE se transformaron a cuadrado del inverso, el porcentaje de MOS se transformó a arcoseno raíz cuadrada de la proporción, los valores de K se transformaron a raíz cuadrada del inverso, los de pH se elevaron a la décima potencia, mientras que los de infiltración acumulada (IAc) y RMP fueron transformados a logaritmo (^{McCune y Grace, 2002}).

Para conocer la relación entre las variables se determinó el coeficiente de correlación de Spearman (^{Lahura, 2003}), el ANDEVA se usó para detectar diferencias significativas entre los tratamientos (^{Ott, 2001}) y la comparación de medias por la prueba de Tukey (p≤0.05) para apoyar la credibilidad de la tasa de error (^{Walpole et al., 1999}).

Resultados y Discusión

La textura en todos los tratamientos se clasificó como suelos franco-arcillosos, con 60-80 % arcilla, 20-45 % arena y 20-50 % limo.

El coeficiente de Spearman mostró correlación negativa significativa entre la densidad aparente, la CE (-0.476) y la MOS (-0.537), y una correlación positiva significativa entre la densidad aparente y el pH (0.409). La correlación de CE fue significativa positiva con el MOS (0.701) y con el agua útil (0.305), pero con el pH (-0.401) fue negativa. La MOS presentó una correlación significativa negativa con el pH (-0.292) y una positiva con el agua útil (0.235) (Cuadro 1).

Cuadro 1 Coeficientes de correlación de Spearman para las variables estudiadas. 

^†Triangular inferior y valores de p bilaterales en la triangular superior (n=80). ^¶DA: densidad aparente; CE: conductividad eléctrica; MOS: materia orgánica; pH: reacción del suelo; K: permeabilidad; AU: agua útil.

Para los promedios de los tratamientos el coeficiente de Spearman mostró que la correlación significativa de DA fue positiva con el pH (0.636) y la resistencia mecánica a la penetración (0.661), pero fue negativa con la CE (-0.891) y la MOS (-0.867). La CE mostró correlación significativa positiva con MOS (0.794) y negativa con pH (-0.685) y RMP (-0.867), mientras que el pH tuvo correlación negativa significativa con AU (-0.770) (Cuadro 2).

Cuadro 2 Coeficientes de correlación de Spearman para los promedios de los tratamientos en las variables estudiadas. 

^†Triangular inferior y valores de p bilaterales en la triangular superior (n=10). ^¶Significancia.

El análisis de varianza (Cuadro 3) indicó que para el modelo y el tratamiento todas las variables presentaron diferencias significativas, excepto el porcentaje de AU (p=0.108). Para el factor vegetación (FA^a) las variables con diferencias significativas fueron la CE (p=0.006), la MOS (p=0.007) y el pH (p=0.001), y para el factor de los tratamientos rodillo e incendio (FB^b) todas las variables presentaron diferencias significativas. La interacción entre la vegetación y los tratamientos (FA*FB) fue significativa para MOS (p=0.005), permeabilidad (p=0.012), pH (p=0.031) y la infiltración acumulada (p=0.001), mientras que la profundidad sólo mostró diferencias significativas para MOS (p=0.049) y pH (p=0.031).

Cuadro 3 Análisis de varianza para el modelo con dos criterios de clasificación, (Tratamiento y Profundidad o Tratamiento y Estación). 

^†DA: Densidad aparente; CE: Conductividad eléctrica; MOS: Materia orgánica; K: Permeabilidad; pH: Reacción de suelo; AU: Agua útil; IAc: Infiltración acumulada; RMP: Resistencia mecánica a la penetración.

Los métodos de mejoramiento del hábitat implementados (RA e IN) en el matorral desértico rosetófilo disminuyeron la densidad aparente del suelo; en los tratamientos RA11 e IN11 el decremento fue 12 a 20 % respecto al testigo. En el tratamiento RA11 del matorral desértico micrófilo la densidad aparente disminuyó 6 % respecto al testigo, lo cual coincide con el reportado por ^{Anriquez et al. (2005)} de que la DA fue menor al implementar el tratamiento de rodillo en ecosistemas semiáridos en el Chaco occidental en Argentina. Estos resultados son similares a los de ^{Nandapure et al. (2011)}, quienes evaluaron los efectos a largo plazo del manejo integrado de nutrientes en las propiedades físicas del suelo vertisol en Ankola, India y a los de un estudio en China (^{Pei et al., 2008}) sobre los cambios en las propiedades del suelo y la vegetación en áreas de pastoreo y exclusión, en el cual la DA fue sensible a los cambios en el manejo del área.

Los resultados indican que en los primeros tres años de establecido el tratamiento de rodillo aireador la MOS y la CE aumentan, mientras disminuye la RMP, la IAc y el pH. Aunque los valores de MOS, K, pH y CE presentaron diferencias significativas entre tratamientos, en la clasificación de suelo de la Norma Oficial Mexicana NOM-021-SEMARNAT-2000, los valores están en la misma categoría, por lo que debemos aceptar que no existen diferencias significativas debido al efecto de los tratamientos. La MOS y la DA fueron las únicas variables que presentaron diferencias estadísticas y se ubicaron en otra clasificación dentro de la Norma (Cuadro 4).

Cuadro 4 Clasificación NOM-021-SEMARNAT-2000. 

^†Clasificación para MOS y DA: MB: Muy bajo; B: Bajo; M: Medio; A: Alto.

Las variables pH y CE no presentan cambios de categoría de acuerdo con la NOM-021-SEMARNAT-2000, resultados que concuerdan con los obtenidos por ^{Silva-Arredondo et al. (2013)} cuando analizaron los cambios en las propiedades químicas del suelo impactado por la agricultura intensiva en el noreste de México; además, enfatiza la importancia de considerar las clasificaciones con el objetivo de detectar cambios que pueden ser relevantes para los propósitos de manejo.

^{Rusan et al. (2007)} evaluaron los efectos sobre las variables de calidad de suelo y planta a largo plazo en la irrigación de cultivos con aguas residuales y las concentraciones de pH, Cu, Zn, Fe y Mn no presentaron cambios. Nuestro estudio es similar a lo anterior porque el pH no cambió lo suficiente para involucrar dos categorías diferentes en la norma utilizada en laboratorio. Los resultados muestran que el uso del tratamiento mecánico de rodillo aireador es una alternativa viable para incrementar la permeabilidad y la materia orgánica del suelo solo a corto plazo, ya que la primera mostró aumento significativo en el valor de la variable en el matorral desértico rosetófilo. Sin embargo, después de 8 a 10 años (tratamientos de 2004 y 2008), MOS e IAc disminuyen, al tiempo que aumentan DA y pH.

Según la prueba de Tukey (p≤0.05) la densidad aparente del suelo mostró dos grupos y un subgrupo (Cuadro 5). Los tratamientos MDMRA11 (1.00 g cm^-3) y MDRIN11 (1.01 g cm^-3) se ubican en el grupo con menor compactación de suelo (grupo a), en una clasificación de muy baja. Los tratamientos MDRt (1.26 g cm^-3), MDRRA04 (1.25 g cm^-3), MDRRA08 (1.20 g cm^-3) y MDMRA08 (1.19 g cm^-3) están en el grupo con las medias más altas, es decir fueron los tratamientos con mayor compactación de suelo (grupo b). El tratamiento MDMRA11 mostró la densidad aparente más baja, lo cual se atribuye a la “reciente” remoción del suelo por acción de las cuchillas del rodillo aireador y a las coberturas inducidas por éste (^{Medina et al., 2016}). Este resultado es similar al obtenido por (^{Lozano et al., 2010}) en su estudio de los efectos de los cultivos de cobertura y el pastoreo sobre las propiedades físicas del suelo en una sabana, en la cual las menores densidades de suelo ocurrieron en las coberturas inducidas, lo cual se atribuyó a una mayor cobertura del suelo.

Cuadro 5 Medias por tratamiento y resultado de la prueba de Tukey (p≤0.05). 

^†Medias con distinta letra en un renglón son estadísticamente diferentes (Tukey p≤0.059).

La CE presentó dos grupos definidos y cuatro subgrupos: el grupo a incluyó el tratamiento MDMRA11 (137.3 µS s^-1) con la CE más elevada, y el grupo d incluyó los tratamientos MDMRA04 (56.3 µS s^-1), MDRt (56.2 µS s^-1) y MDRRA04 (55.9 µS s^-1) con la menor CE. La MOS mostró dos grupos definidos y cuatro subgrupos: el grupo a incluyó el tratamiento MDRt (1.31 %) con el menor contenido de MOS y el grupo d incluyó los tratamientos MDMRA11 (3.96 %) y MDMIN11 (3.73 %) con el mayor porcentaje de MOS. Las prácticas de manejo afectan la calidad del suelo, la dinámica de nutrientes y las propiedades químicas (^{Lauber et al., 2008}; ^{Zhang et al., 2013}; ^{Zhang et al., 2014}). Además, ^{Velasquez et al. (2007)} estudiaron indicadores de calidad de suelo en Colombia y muestran que la MOS es una variable que indica la calidad y el aprovechamiento de carbono secuestrado en el suelo porque en suelos erosionados tiende a disminuir la cantidad de MOS dependiendo de las prácticas de uso del suelo. El mayor porcentaje de MOS se observó en los tratamientos MDRRA11 y MDRIN11, lo cual se atribuye al aporte de materia vegetal al suelo por acción del rodillo y no por la cobertura vegetal y la densidad arbustiva. Este resultado se asemeja al obtenido por ^{Demuner-Molina et al. (2014)} al evaluar el efecto de labranza y mejoradores de suelo en humedad y desarrollo radicular y muestran un mejor rendimiento de cultivo debido a los mejoradores los cuales actúan como fertilizantes orgánicos. En contraste, ^{Montaño-Arias et al. (2006)} determinaron que los bajos contenidos de MOS se deben a la presencia limitada de vegetación arbustiva.

Larrea tridentata favorece islas de fertilidad y acumula bajo su dosel mayor concentración de nutrientes, capacidad para retener agua y actividad microbiana (^{Celaya y Castellanos, 2011}), lo cual pudiera explicar los resultados obtenidos en los tratamientos RA11 e IN11 del matorral desértico micrófilo, donde una de las especies dominantes es L. tridentata (^{Medina et al., 2016}), y se observan los mayores contenidos de MOS debido al aporte reciente de biomasa de esta especie en el suelo por la acción del rodillo. En contraste, ^{Kabzems y Haeussler (2005)} no encontraron diferencias significativas al analizar las propiedades del suelo y la respuesta de la vegetación después de remover la MOS. En nuestro estudio el uso de rodillo aireador funcionó bien a corto plazo porque aumentó la MOS, pero el incremento no se mantuvo; en contraste, un sistema agroforestal incrementa a través del tiempo el contenido de MOS (^{Murray et al., 2014}). Según ^{Martínez et al. (2008)}, la MOS es responsable de la naturaleza de propiedades del suelo como la compactación, la fertilidad, la retención de agua y la estabilidad de la estructura. En nuestro estudio los resultados son similares respecto a la relación entre la MOS y la DA para todos los tratamientos y la MOS con K y la IAc, en la cual hubo una relación positiva entre dichas variables para los tratamientos RA04 del MDM y del IN11 de ambos tipos de vegetación. El pH mostró dos grupos definidos y cinco subgrupos: el grupo a incluyó el tratamiento MDRIN11 con el pH más bajo y el grupo d incluyó el tratamiento MDRRA04 con el mayor pH.

El valor K del suelo mostró tres grupos definidos: en el grupo a, el tratamiento MDRRA11 (0.298 cm s^-1); en el grupo b, los tratamientos MDMt (0.004 cm s^-1), MDMRA04 (0.004 cm s^-1), MDMRA11 (0.002 cm s^-1), MDMIN11 (0.004 cm s^-1), MDRt (0.005 cm s^-1), MDRRA04 (0.004 cm s^-1), MDRRA08 (0.003 cm s^-1), y MDRIN11 (0.004 cm s^-1); en el grupo c, el tratamiento MDMRA08 (0.007 cm s^-1).

La IAc presentó dos grupos definidos y cinco subgrupos: el tratamiento MDMRA11 (109.22 cm h^-1) presentó la menor infiltración acumulada y se ubicó en el grupo a; en el grupo e se ubicó el tratamiento MDMIN11 (396.44 cm h^-1) con la mayor IAc. El uso de rodillo aireador disminuyó la IAc en los tres tratamientos, respecto al testigo en ambos tipos de vegetación, pero el tratamiento MDMIN11 presentó la mayor IAc de todos los tratamientos. Estos resultados difieren de los obtenidos por ^{Velásquez et al. (2011)} con tres tratamientos (pastoreo continuo, exclusión al pastoreo y el paso de rodillo aireador), pero la infiltración no fue diferente entre sitios ni entre tratamientos.

Para la RMP se obtuvieron dos grupos y cuatro subgrupos: en el grupo a, el tratamiento MDRRA11 (2.19 kg cm^-2) con la menor resistencia a la penetración; en el grupo d, el tratamiento MDRRA04 (7.19 kg cm^-2). Los tratamientos de 2004 (MDMRA04 y MDRRA04) causaron un aumento en la RMP: en 4 % matorral micrófilo y 37 % en el del rosetófilo respecto a los testigos. En contraste, en los tratamientos de rodillo del 2008 hubo una menor RMP de 24 % en ambos tipos de vegetación; en el tratamiento de RA11 de ambos tipos de vegetación la resistencia fue menor en 50 % con respecto al testigo. En el tratamiento IN11 del matorral micrófilo, el suelo tuvo menor resistencia a la penetración en 51 % y en el tratamiento del rosetófilo la resistencia fue menor en 18 % respecto al testigo. Asimismo, respecto al testigo el uso de rodillo disminuyó la RMP hasta en 50 % del matorral desértico micrófilo, y hasta en 59 % en el tratamiento de MDRRA11. Estos resultados concuerdan con los de ^{Ohep et al. (1998)} quienes analizaron el efecto de la labranza sobre las propiedades físicas del suelo y encontraron diferencias significativas en la DA, macroporosidad, microporosidad y resistencia a la penetración para los tratamientos de labranza. Esta similitud de resultados se puede deber a que durante la labranza y el uso de rodillo aireador se logra roturar el primer estrato del suelo.

Conclusiones

En ambos matorrales desérticos el uso de rodillo aireador es una alternativa de manejo del suelo eficiente para incrementar la materia orgánica y disminuir la compactación de suelo en los primeros tres años de establecido el tratamiento. Además, en el matorral desértico rosetófilo la infiltración de agua aumenta y la resistencia mecánica a la penetración de suelo disminuye en los primeros tres años después del uso de rodillo.

El fuego es una alternativa viable para incrementar la materia orgánica del suelo en ambos tipos de vegetación: en el matorral desértico micrófilo incrementa la infiltración acumulada, mientras que en el matorral desértico rosetófilo disminuye la compactación de suelo. Pero los beneficios proporcionados por el fuego son a corto plazo.