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Introducción
El suelo es un cuerpo natural y un sistema complejo abierto desde el punto de vista de los flujos de energía y materia. Es el resultado de varios factores de formación, como son el tiempo, el material parental, el clima, la vegetación, los organismos y la topografía, integrados en un sistema con múltiples interacciones. Por tal razón el suelo no debiera conceptualizarse como un sistema estático sino como un sistema complejo y dinámico (Jenny, 1994) que para estudiarlo, lo fragmentamos en sus componentes ubicándolos en los ámbitos físico, químico y biológico. Los componentes desarrollan interacciones y transformaciones locales y generan el sistema edáfico (Hernández-Jiménez et al., 2006) que utilizamos para la producción agrícola y que generalmente estudiamos desde un punto de vista físico (determinando textura, estructura, profundidad del perfil, la capacidad de retención de agua, drenaje, etc.), químico (determinando el pH, la C.E, nivel de disposición de elementos esenciales, capacidad de intercambio cationico/anionico, etc) o biológico (colectando y clasificando una pequeña parte de los organismos vivos que contiene el suelo en tipos de especies y poblaciones) caracterizando de esta forma la fertilidad de los suelos (Benton-Jones, 2012).
Los suelos están conformados por tres fases: sólida, líquida y gaseosa (Sposito, 1981). La relación y la operación de las tres fases dependen de forma compleja de las interacciones y transformaciones físicas, químicas y biológicas. La fase sólida está conformada por diferentes partículas o agregados (Brady y Weil, 1999) de naturaleza inorgánica u orgánica de diferente granulometría. La parte inorgánica está relacionada con el contenido coloidal del suelo que proviene del material parental luego de verse sometido al intemperismo físico, químico y biológico que cambia sus propiedades fisicoquímicas (Gines-Navarro y Navarro, 2003). Las partículas o agregados orgánicos, denominados en conjunto materia orgánica, se acumulan gracias al aporte constante de material proveniente de los organismos, ya sea en forma de deshechos o como resultado de la muerte.
Este material orgánico es sometido a una serie de transformaciones complejas por parte de los microorganismos del suelo, resultando en la acumulación de coloides o moléculas orgánicas que aportan de manera relevante a la composición y fertilidad del suelo (Gines-Navarro y Navarro, 2003). En conjunto los componentes inorgánico y orgánico de la fase sólida dan lugar a la composición y propiedades del suelo (Buscot, 2005). La fase sólida del suelo posee una mayor estabilidad, menor capacidad de variación y puede servir, en términos generales, para la caracterización del suelo con propósitos taxonómicos. En comparación, la fase líquida y aún más la gaseosa, tienen fluctuaciones grandes y bruscas lo que las hace inadecuadas para la taxonomía de suelos (Gines-Navarro y Navarro, 2003).
Sin embargo desde el punto de vista nutrimental y del manejo de los cultivos la fase líquida es de suma importancia, debido a que está en contacto directo con las raíces de las plantas y es de donde las plantas toman sus nutrientes (Khasawneh, 1971; Menguel y Kirby, 2001). Esta fase está constituida por el agua que se encuentra en los poros del suelo y se le conoce como solución del suelo, agua disponible o agua del suelo (Gines-Navarro y Navarro, 2003). Esta fase del sistema edáfico es per se un sistema dinámico y complejo que refleja el impacto global de todos los componentes bióticos y abióticos, incluyendo el proceso de nutrición de las plantas (Snakin, 2001). La teoría de sistemas complejos indica que ciertas propiedades o comportamiento generalmente no son predecibles a partir de las propiedades de los componentes individuales del sistema (García, 2006). Por tal razón, siendo el agua del suelo un sistema dinámico complejo se espera que los detalles específicos de su composición no serán predecibles a partir de las propiedades físicas y químicas de los componentes individuales de la fase sólida (Ryan, 2007). Por esa razón es que se propone estudiar la solución del suelo en su composición y variabilidad temporal, considerándola como la fuente primaria de agua y nutrimentos para las plantas y cuya composición se asocia a grandes rasgos con los componentes inorgánico, orgánico y biótico del suelo, pero sin depender en los detalles de la composición de los componentes individuales de la fase sólida; sino más bien de las interacciones entre sí de los componentes físicos, químicos y biológicos y de estos con el clima prevaleciente en un cierto ámbito temporal.
Para el estudio de la solución del suelo se consideran dos propiedades: el volumen del agua líquida y la composición de la solución del suelo. El volumen influye directamente sobre la composición y concentración de la solución del suelo ya que si este cambia afectará la concentración de los iones (Menguel y Kirby, 2001). La determinación del volumen del agua se lleva a cabo por medio de métodos físicos como el método gravimétrico de humedad, o mediante la relación densidad aparente (Da) y la densidad real (Ds) de la fase sólida del suelo (Narro-Farías, 2004). La composición de la solución del suelo es todavía una situación más compleja, debido a su comportamiento dinámico y a su naturaleza multicomponente (Khasawneh, 1971), lo que hace difícil o hasta imposible predecir su comportamiento a partir de los componentes originales que son el agua y la fase sólida del suelo.
Este tema de la composición de la solución del suelo ha sido estudiado con cierto detalle en el caso de suelos contaminados y tecnosoles, en donde se han reportado predicciones en la solubilidad de Cu, Zn, Cd y Pb (McBride et al., 1997), así como en los niveles de Cd y Zn en la solución del suelo mediante procesos de fitoextracción con Thlaspi caerulescens (Knight et al., 1997) y rábano (Lorenz et al., 1997). Pero en el caso de suelos agrícolas no se dispone hasta donde sabemos de información publicada sobre su comportamiento dinámico.
El presente estudio es un acercamiento preliminar y descriptivo al fenómeno del comportamiento dinámico de la solución del suelo. El objetivo fue realizar un análisis de la composición de la solución del suelo a través del tiempo durante las diferentes etapas fenológicas de cinco cultivos en condiciones de producción intensiva en la zona Occidente de México, el cual nos permita describir la relación presente entre los diferentes iones, así como su comportamiento individual y colectivo mediante un análisis de componentes principales (ACP).
Metodología
El estudio descriptivo de la solución del suelo se realizó en la zona occidente de México en los estados de Jalisco y Colima, iniciando en la temporada verano-otoño del 2013 y terminando durante el invierno del 2014. Se realizaron monitoreos de la solución del suelo en cultivos ya establecidos en diferentes empresas agrícolas. Los cultivos evaluados para este estudio fueron: aguacate (Persea americana Mill) y arándano (Vaccinium sp) ubicados en Ciudad Guzmán Jalisco en las coordenadas 19° 40' 43.2" latitud norte, 103° 32' 06.9" longitud oeste y 19° 40' 53.13" latitud norte, 103° 32' 41.77" longitud oeste respectivamente, fresa (Fragaria L.) localizado en Tapalpa Jalisco (19° 55' 03.3" latitud norte, 103° 42' 11" longitud oeste), papaya (Carica papaya L.) en el municipio de Tecoman Colima (18° 48' 17.58" latitud norte, 103° 45' 9.13" longitud oeste) y el cultivo de pimiento (Capsicum annuum) en la localidad de Sayula Jalisco (19° 54' 05.4" latitud norte, 103° 35' 09.7" longitud oeste). En el momento del estudio el aguacate tenía cinco años de establecimiento, mientras que el arándano tenía un año. Para el resto de los cultivos el monitoreo se inició desde la etapa de plantación.
El estudio comprendió el análisis de la composición de la solución del suelo a través del tiempo. Para ello se instalaron extractores pasivos de solución del suelo tradicionales denominados lisímetros de la marca Irrometer. Se establecieron seis estaciones de muestreo para cada cultivo y en cada estación de muestreo se realizó una repetición. Por esta razón, se colocaron dos lisímetros por estación, a una profundidad de 20 cm y a una distancia de 20 cm de la planta, la distancia mínima entre una estación y otra fue de 500 m. La toma de las muestras se efectuó cada 15 días a través de todo el ciclo fenológico de los cultivos (Cuadro 1).
Una vez instalados los lisímetros la obtención de la muestras se realizó efectuando un vacío de -70 kPa. Esta actividad se llevó a cabo en condiciones de capacidad de campo una vez terminada la aplicación del fertirriego. Para determinar la capacidad de campo se contó con un tensiómetro de la marca irrometer modelo R. La recolección de las muestras se efectuó 24 horas después de haber realizado el vacío.
Las muestras de solución de suelo obtenidas fueron analizadas in situ mediante equipos portátiles. El pH se determinó con un potenciómetro de la marca Hanna modelo HI98130, la conductividad eléctrica (CE) se evaluó con un equipo de la marca Horiba modelo Spectrum Cardy Twin; los iones se analizaron con equipos ión-selectivos de la marca Horiba; para los nitratos (NO3-) se utilizó el modelo B743; calcio (Ca2+) con el modelo B751; potasio (K+) con el modelo B731 y sodio (Na+) con el modelo B722.
Análisis estadístico
Se realizó un análisis exploratorio, con diagramas de dispersión y matrices de correlación de Pearson. Se efectuó un análisis estadístico no supervisado de componentes principales (ACP) con valores estandarizados. El ACP presenta múltiples ventajas (Broschat, 1979), es una técnica que reduce la dimensionalidad de un conjunto de datos multivariados, remueve las interrelaciones existentes entre variables, organiza los datos en forma de vectores ortogonales en donde cada una de las variables dentro del vector se comporta en forma similar con base en sus correlaciones, a cada uno de estos vectores se le llama componente principal. Los primeros componentes expresan la mayor parte de la varianza de los datos ortogonales, y son una herramienta útil para simplificar el análisis e interpretación de la gran cantidad de variables consideradas en una evaluación exhaustiva. Los cálculos se realizaron con el lenguaje y ambiente de cómputo estadístico R versión 3.1.1 (James et al., 2014).
Resultados y discusión
Dinámica de las variables químicas a través del tiempo para los diferentes cultivos
Al observar la dinámica nutrimental de las diferentes variables de la solución del suelo a través del tiempo (Figuras 1 a 5) se logra apreciar en los diferentes sitios patrones similares tanto en el comportamiento con respecto al tiempo como en los valores y concentraciones de las distintas variables. Para todos los casos el pH mostró valores fluctuantes, pero siempre manteniendo una tendencia positiva conforme los muestreos fueron avanzando, los valores abarcaron desde 5 hasta 7.8. La C.E mostró tendencia negativa versus el tiempo para el caso del aguacate, arándano y pimiento con niveles iniciales de 0.8, 1.74 y 1.41 respectivamente y decreciendo hacia las etapas finales a valores de 0.4 dSm-1 para el caso del aguacate y arándano y de 1 dSm-1 en pimiento. En cambio para los cultivos de fresa y papaya la tendencia de la C.E fue positiva iniciando en valores de 0.6 y 0.87 a 1.4 y 1.8 respectivamente. La concentración de Na+ y K+ exhibió tendencia decreciente para todos los cultivos, mostrando fluctuaciones en determinados muestreos; para los cultivos de aguacate, arándano y fresa los valores de Na+ se mantuvieron en un rango promedio de 154 a 15 mg L-1 y los niveles del K+ para los tres casos presentaron incrementos en sus primeras fechas de muestreo de hasta 296 mg L-1 como es para el caso del arándano, los niveles del K+ disminuyeron desde 231, 296 y 76 a 17, 84 y 28 mg L-1 respectivamente. Para la papaya y el pimiento el rango de Na+ fue mayor, tomando valores de 487 y 475 a 43 y 136 mg L-1 respectivamente, mientras el K+ mostró una disminución más suave, iniciando en concentraciones de 190 hasta 29 mg L-1 para el primer caso y de 62 a 2 mg L-1 para el pimiento. El Ca2+ y los NO3- mostraron el mismo patrón dinámico, siendo decrecientes en todos los cultivos a excepción de la papaya donde sus niveles alcanzaron hasta 580 y 620 mg L-1 respectivamente. Para el resto de los cultivos la concentración de Ca2+ y NO3- en la solución del suelo disminuyó mostrando rangos de: 381 a 34 mg L-1 y 418 a 112 mg L-1 (aguacate), 250 a 18 mg L-1 y 430 a 65 mg L-1 (arándano), 180 a 59 mg L-1 y 547 a 271 mg L-1 (fresa) y de 430 a 27 mg L-1 y 360 a 45 mg L-1 (pimiento).
Figura 1 Dinámica de las variables químicas a través del tiempo para el cultivo de aguacate, en la parte inferior de las gráficas se indica el coeficiente de correlación de Pearson.
Figura 2 Dinámica de las variables químicas a través del tiempo para el cultivo de arándano, en la parte inferior de las gráficas se indica el coeficiente de correlación de Pearson.
Figura 3 Dinámica de las variables químicas a través del tiempo para el cultivo de fresa, en la parte inferior de las gráficas se indica el coeficiente de correlación de Pearson.
Figura 4 Dinámica de las variables químicas a través del tiempo para el cultivo de papaya, en la parte inferior de las gráficas se indica el coeficiente de correlación de Pearson.
Figura 5 Dinámica de las variables químicas a través del tiempo para el cultivo de pimiento, en la parte inferior de las gráficas se indica el coeficiente de correlación de Pearson.
Los resultados encontrados para el NO3- en la solución del suelo para la mayoría de los cultivos pueden estar dados por los procesos de lixiviación y absorción radical (Navarro-Blaya y Navarro-García, 2003). Ambos procesos pudieron asociarse no solamente con la disminución del NO3- sino también con la otros iones (K+, Ca2+, Na+) y en general con la CE de la solución del suelo.
Para el caso de la papaya (Figura 5) se observó un comportamiento contrario en la CE asociado aparentemente al incremento de Ca2+ y NO3- presente en la solución del suelo (Charley y McGarity, 1964; Menguel y Kirby, 2001).
En el caso de la fresa (Figura 3) la mayor concentración de NO3- y K+ en la solución del suelo se presentó en las primeras etapas lo cual fue descrito por las curvas de absorción estudiadas por Molina et al. (1993), quien indica que en sus primeras etapas la absorción es muy baja, incrementándose posteriormente en forma coincidente con la fructificación. La dinámica ascendente del pH de la solución del suelo, observada en todos los cultivos estudiados, pudiera deberse al efecto alcalinizante de los nitratos aplicados con los fertilizantes (Snakin, 2001). Las disminuciones de los iones de Ca2+ y K+ en la solución del suelo, es probablemente debida al aumento de absorción conforme el cultivo pasa de la etapa vegetativa a la de floración y llenado de frutos, esto debido a una preferencia en la absorción de estos iones por las plantas de aguacate (Figura 1) (Maldonado-Torres et al., 2007), arándano (Figura 2) (Ferreyra et al. 2001) y papaya (Figura 4) (Fallas 2014).
Este efecto decreciente en los iones presentes en la solución del suelo pudiera relacionarse con un incremento en la tasa de absorción de nutrientes a conforme el cultivo se desarrolla como se observa en el caso de la fresa (Figura 3) (Avitia-García et al., 2014) y del pimiento (Figura 5) (Rincón et al., 1995).
Para el arándano otro factor posiblemente involucrado en la reducción de los iones en la solución del suelo (Figura 2), sería por una parte la fijación en las partículas del suelo o bien, en el caso de suelos arenosos, por la lixiviación (Hancock y Draper, 1989). Para el caso de la disminución de Na+ en la solución del suelo (Figura 2) se ha reportado que el arándano tiende a absorberlo en niveles altos en los tejidos foliares, esto debido a que carece de un mecanismo de regulación de la absorción de este elemento (Spiers, 1983).
Análisis del primer componente principal
A los datos obtenidos en el estudio de la dinámica de la composición de la solución del suelo para los cinco diferentes cultivos, se les realizó un análisis estadístico multivariado no supervisado llamado componentes principales. Consistió en la creación de nuevas variables, denominadas componentes principales, a partir de las variables originales (NO3-, K+, Ca2+, Na+, pH y CE). Con este método lo que se logró fue crear una función lineal con la cual explicar el comportamiento multivariado del sistema constituido por la solución del suelo. Para ello se obtuvieron los valores de los componentes principales y se determinó utilizar solo el primer componente principal el cual agrupa la mayor varianza. Para el caso del aguacate agrupa el 50%, arándano el 40%, fresa el 40%, papaya el 33% y pimiento 62%.
A los vectores de carga obtenidos para el primer componente principal (Cuadro 2) se les identificó el mayor valor absoluto para cada cultivo estudiado, determinando con esto cual variable fue la que más contribuyó a la variación del primer componente. Para el caso del aguacate y arándano la variable más importante fue K+, para el caso de la fresa fue el pH, para la papaya fue el NO3- y para el pimiento fue el Na+. Estos caracteres de la solución del suelo pudieran regir como variables de acondicionamiento (variables independientes) (Jenny, 1994), en el comportamiento dinámico del sistema y presumiblemente son diferentes en cada cultivo por tratarse de distintos suelos y sitios geográficos.
Cuadro 2 Vectores de carga estandarizados del primer componente principal de las diferentes variables evaluadas para los diferentes cultivos.
A pesar de la diversidad de suelos y cultivos, en el comportamiento conjunto de los vectores de carga se encontró un patrón en todos los cultivos: los valores de los coeficientes de carga fueron positivos para el pH y negativos para la gran mayoría de los casos restantes (Cuadro 2). Este resultado indica que en todos los casos el pH tiene a elevarse durante el crecimiento del cultivo, indicando un déficit en la protonación de la solución del suelo, posiblemente derivado de la ausencia de una adecuada concentración de materia orgánica, la cual se sabe es el repositorio para el intercambio de e-/H+ (Menguel y Kirby, 2001) así como del ya mencionado efecto de alcalinización por la aplicación de NO3- en los fertilizantes (Snakin, 2001). El resto de los coeficientes, de signo negativo, indican la tendencia a la caída en la disponibilidad de nutrimentos minerales en la solución del suelo. Una posible explicación de lo anterior sería insuficiente capacidad de la fase sólida del suelo para aportar los nutrimentos necesarios en la solución del suelo (Menguel y Kirby, 2001) como para cubrir todas las necesidades del cultivo, ello a pesar del aporte de fertilizantes vía fertirriego.
Al observar el comportamiento dinámico del primer componente principal podemos ver la variabilidad de las observaciones versus el tiempo o número de muestreos, encontrándose que la dinámica del primer componente principal fue parecida para los seis cultivos, con una clara tendencia ascendente (Figura 6). Este comportamiento ascendente está regido mayormente por las variables con mayor ponderación en el primer componente principal.
Figura 6 Comportamiento del primer componente principal a través del tiempo para los diferentes cultivos estudiados.
Dichas variables, a través de los coeficientes de carga, son negativas para el aguacate, arándano y pimiento, mientras que para los cultivos de fresa y papaya son positivas. Una posible respuesta para esta similitud estaría dada por el pH de la solución del suelo a través del tiempo, el cual como se mencionó con anterioridad, para todos los casos presento correlación positiva (Figura 1, 2, 3 y 5) y se asocia de forma muy similar al del componente principal (Figura 6) a través del tiempo. Esto sucede para todos los cultivos con excepción de la papaya (Figura 4), donde los NO3- juegan un papel clave en el comportamiento ascendente del componente principal. En todos los casos el primer componente presenta una tendencia positiva a través del tiempo, lo que nos indica la posible presencia de un patrón temporal en la dinámica conjunta de los atributos de la solución del suelo.
Estos resultados por una parte parecen indicar la efectividad del primer componente principal en modelar la dinámica conjunta de las soluciones del suelo en los diferentes cultivos. En particular es una integración de los resultados que se presentaron anteriormente en los análisis univariados de los diferentes iones para los distintos cultivos a través del tiempo.
Por otro lado, la dinámica descrita señala la plausibilidad de modelar el comportamiento de un sistema complejo como es la solución del suelo, si bien no utilizando alguna variable individual, o grupos de variables analizadas de manera individual, sino una función lineal de las variables determinadas en el agua del suelo. Es posible que al aumentar el número de variables determinadas en la solución del suelo sea mayor el poder del modelo para predecir el comportamiento dinámico conjunto. Dichos estudios deben realizarse para verificar si el estudio de la solución del suelo puede ser un complemento útil a los tradicionales estudios realizados en la fase sólida del suelo.
Desde los tiempos de Dokuchaev se planteó que el conocimiento de los suelos es el medio de dominarlos y dirigirlos con objetivos aplicados a la agricultura (Hernandez-Jimenez et al., 2006). En base a lo encontrado en esta investigación podemos inferir que es posible la predicción de la dinámica nutrimental de la solución del suelo en suelos con manejo agrícola. Este comportamiento podría verse modificado al cambiar el manejo del cultivo y/o uso del suelo y por ende tendrá consecuencias en el patrón del componente principal. Este efecto en la modificación de la solución del suelo se ha reportado por Snakin et al. (2001), quien indica que en suelos de bosque sin intervención humana la variabilidad de la solución tiende a decrecer, lo cual pudiera hacer más sencillo el estudio predictivo de la solución del suelo.
El mismo autor indica que las actividades humanas pudieran crear heterogeneidad dinámica adicional a la que naturalmente surge de las características de cierto suelo. Lo anterior apoya lo encontrado en este estudio en donde los suelos agrícolas por una parte parecen mostrar una dinámica multivariada análoga que parece indicar patrones de comportamiento comunes en los diferentes sistemas, pero con heterogeneidades específicas en el caso de cada cultivo y que seguramente provienen de cada combinación específica suelo-especie vegetal-manejo agronómico. También se han reportado resultados de un comportamiento cíclico diario del pH, potencial redox y calcio en la solución del suelo en bosques (Snakin, 1983), pero sin encontrarse tendencias similares en los diferentes suelos. En la actualidad no existe información sobre la dinámica de la composición de la solución del suelo a través del tiempo para cultivos así como tampoco análisis estadísticos multivaríados que intenten explicar o predecir el comportamiento del sistema de la solución del suelo.
Es indispensable seguir con estos tipos de estudio y repetirlos en los años subsiguientes adicionando mayor número de variables como son otros iones (NH4+ Mg2+, H2PO4-, SO42-, CO32- Mn2+, Fe2+, Cu2+, H3BO3, Zn2+, MoO42-, Si(OH)4, Al3+, etc), el potencial de óxido reducción (ORP), la concentración de ácidos orgánicos (malato, citrato, lactato, etc.), acidez titulable, poblaciones y especies de bacterias, hongos y protistas o bien estudios metagenómicos de los mismos, entre otras. También sería de gran importancia el realizar este tipo de trabajos bajo condiciones naturales sin intervención humana o bien en zonas agrícolas de temporal, labranza reducida o agricultura orgánica, para determinar si a pesar de las diferentes condiciones existentes en los suelos existen patrones comunes entre ellos como los descritos en este estudio.
Este estudio explora el amplio panorama acerca de la composición del suelo y de su comportamiento. Ofrece la perspectiva de evaluar la solución del suelo como un complemento a las clásicas determinaciones fisicoquímicas realizadas en muestras de la fase sólida del suelo.
Desde el punto de vista metodológico, este trabajo ilustra la utilidad del análisis de componentes principales, como una herramienta útil para el estudio descriptivo de la solución del suelo, ya que al ser un sistema complejo y dinámico está conformado por infinidad de elementos que rigen su comportamiento tanto de forma individual como colectiva. El estudiar por separado los componentes individuales sin una herramienta integradora de reducción de dimensiones, fallaría en la exploración de la dinámica conjunta del sistema de la solución del suelo, en donde no solamente cuenta el comportamiento de los atributos individuales, sino del sistema en conjunto que emerge de los componentes unidos por sus interacciones e interdependencias.
Conclusiones
El comportamiento individual de las variables químicas de la solución del suelo mostró patrones de respuesta similar para los cultivos de aguacate, arándano y pimiento con tendencias negativas para todas las variables a excepción del pH. Esta misma conducta exhibió el cultivo de fresa con la diferencia que adicional al pH la CE también tendió a incrementar a través del tiempo.
Para el cultivo de papaya las variables químicas como son los NO3-, Ca2+, pH y CE mostraron tendencia al incremento frente al tiempo mientras que el K+ y el Na+ se redujeron.
El estudio demostró la factibilidad de aplicar la modelación multivariada en la descripción del comportamiento dinámico de la solución del suelo.
Los resultados demuestran que, independientemente del tipo de suelo, la ubicación y hasta del cultivo, existen patrones de comportamiento similar y potencialmente predecible que permitirían predecir el comportamiento dinámico de la solución de suelo.
