Introducción

El suelo es uno de los recursos más importantes en la producción agropecuaria, su estado determina el tipo de actividades que se pueden realizar y los correctivos necesarios para alcanzar los niveles productivos deseados. Diversas propiedades físicas, químicas y biológicas, le confieren al suelo la calidad necesaria para albergar vida y mantener su capacidad productiva, funciones que se ven afectadas negativamente por fenómenos de degradación como la erosión y pérdida de componentes vitales como la fertilidad y la biodiversidad (^{UNCCD, 1996}).

En lugares con niveles de degradación avanzados se ha generado una disminución de hasta 50% de la capacidad productiva de la tierra, desencadenando un riesgo importante para la seguridad alimentaria de las personas (^{Eswaran et al., 2001}). Para el caso específico de México, la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y el Colegio de Postgraduados (CP) (²⁰⁰³), reportan que de la superficie total afectada por procesos degenerativos (44.9%), 88% presenta pérdida de suelo causada por erosión hídrica, a la vez que 92.7% muestra una degradación química generada específicamente por la pérdida de la fertilidad.

Se sabe que la erosión hídrica se da por el impacto de gotas de lluvia, o el flujo de agua a través de la superficie del suelo, y que en este proceso se desprende, remueve y arrastra material de suelos descubiertos que contiene la materia orgánica y los nutrientes necesarios para el desarrollo de las plantas, generando a largo plazo una pérdida de la fertilidad (^{Unger, 1996}; ^{Singer y Munns, 1999}). Fenómeno que tiene como agravante la reducción de la cobertura vegetal, que puede ser reconocida como el desencadenante de un círculo de degradación, debido al disturbio en el ciclo del agua que se genera.

De este modo en un suelo que no se encuentra protegido de lluvias erráticas e intensas, el agua no puede infiltrarse, generando un escurrimiento en la superficie que acarrea procesos erosivos durante periodos húmedos, lo que además induce una reducción del almacenamiento del agua en el suelo, eventos que con la alta evaporación que se da en terrenos sin cobertura pueden limitar la disponibilidad de agua para las plantas durante temporadas secas (^{UNCCD, 2009}). Además de la pérdida de suelo, la falta de vegetación puede afectar propiedades biológicas, ya que poblaciones de raíces, microbios y animales son importantes para mantener la fertilidad debido a que llevan a cabo procesos como el consumo y destrucción de materia orgánica, fabricación de humus y reciclaje de nutrientes (^{Singer y Munns, 1999}).

La agroforestería representa el arte y la ciencia de cultivar árboles en combinación interactiva con cultivos y/o animales en la misma unidad de tierra con propósitos múltiples (^{Krishnamurthy y Ávila, 1999}). Lo cual favorece una serie de efectos positivos sobre el suelo y por ende los cultivos que se encuentran en el sistema, según ^{Nair (1993)}, las arbóreas producen biomasa que mantiene y mejora los niveles de materia orgánica. Algunas especies son fijadoras de nitrógeno, otras protegen contra la erosión generada por el agua y el viento, reduciendo así la pérdida de nutrientes a la vez que favorecen un aumento de la fertilidad del suelo gracias a que pueden tomar nutrientes de las capas más profundas del mismo, también pueden mejorar diferentes propiedades físicas, generar un microclima favorable bajo el dosel de los árboles y propiciar un incremento en la actividad realizada por los microorganismos encargados de descomponer la materia orgánica presente. No obstante, también existen efectos adversos que se generan con una mala planeación agroforestal, estos incluyen competencia por agua y nutrientes e inhibición del crecimiento debido a sombra excesiva y dificultad para realizar cosechas mecanizadas de cultivos (^{Mahecha, 2003}).

En este orden de ideas, se generan diferentes hipótesis que promueven la capacidad de la agroforestería para mantener o incrementar la fertilidad del suelo, reducir sus tasas de erosión hídrica y mejorar o mantener el rendimiento de los cultivos, lo cual hace necesaria la investigación en áreas que permitan comprobar o refutar las afirmaciones que se generan en torno a la agroforestería. Por este motivo, el presente trabajo tiene por objetivo evaluar la pérdida y propiedades físicas químicas y biológicas del suelo en un sistema agroforestal en el que se produce maíz en asociación con árboles de olivo distribuidos en callejones, al tiempo que se determina la influencia del arreglo sobre la producción del componente agrícola, en comparación con un sistema convencional de maíz en monocultivo.

Materiales y métodos

Ubicación del experimento. La investigación se desarrolló en un sistema agroforestal en callejones compuesto por árboles de olivo (Olea europaea) y maíz, ubicado en Texcoco, Estado de México, a 19° 28' 15.17" latitud norte y 98° 52' 26.02" longitud oeste. El municipio se encuentra a una altura de 2 265 m, cuenta con una temperatura media de 15.9 oC, una precipitación media anual de 650 mm y un clima que se caracteriza por ser templado semi-seco (^{Moreno, 2007}). Fue seleccionado un predio de 6 hectáreas en el que se tienen árboles de olivo con una edad de 60 años (que ya no producen aceituna), bajo los cuales se siembra maíz criollo como cultivo principal, que en ocasiones se rota con fríjol y avena a modo de sistema agroforestal; el predio también cuenta con una zona caracterizada por la ausencia total de árboles, en la que igualmente se siembra maíz en forma de monocultivo, el terreno en su totalidad recibe las mismas labores de manejo y los mismos tratamientos de fertilización, situación ideal para establecer el experimento y evaluar el efecto de los árboles sobre la producción de maíz, ya que sus rendimientos gracias a la homogeneidad del lugar y la cercanía de las zonas con y sin árboles, presenta condiciones similares que permiten inferir que las posibles diferencias en producción sean efecto de la presencia o no, de los árboles.

El sistema agroforestal se caracteriza por filas de árboles sembradas a una distancia de 8 x 8 m que dejan un callejón en el cual se instalan 7 surcos de maíz, sembrado a 80 cm, en dirección norte sur.

Como se mencionó anteriormente, todo el predio se manejó bajo las mismas labores agrícolas, las cuales constaron de una fertilización manual a razón de 92 kg ha^-1 de nitrógeno y 46 kg ha^-1. Así como, labores mecanizadas de labranza.

Diseño experimental. Se establecieron dos tratamientos: sistema agroforestal (SAF) y monocultivo (MC). Como condiciones para la selección del lugar de instalación del tratamiento, se tuvo en cuenta que ambos fueran similares en cuanto a pendiente (2%) y profundidad efectiva (30 cm); en el caso del tratamiento con árboles, se consideró una distribución homogénea de los mismos, y para el monocultivo fue tomada en cuenta una distancia adecuada de los árboles para evitar un efecto de borde y la posible influencia de los mismos.

En cada tratamiento se ubicaron tres repeticiones compuestas por parcelas útiles de 16 m², en las cuales se midieron diferentes variables para evaluar la influencia del sistema agroforestal sobre la fertilidad (propiedades físicas, químicas y biológicas), pérdida de suelo y producción de maíz. Adicionalmente se realizaron mediciones diarias de la precipitación y temperatura ambiente, bajo los árboles y en monocultivo.

Propiedades físicas del suelo. Fueron realizadas las determinaciones de diferentes propiedades físicas del suelo, con el objetivo de caracterizar el sistema; estas fueron llevadas a cabo en el laboratorio de física de suelos de la Universidad Autónoma Chapingo (UACH), bajo los estándares y metodologías de la norma oficial mexicana NOM-021- RECNAT-2000 (^{SEMARNAT, 2000}). Por último, los registros de temperatura del suelo fueron obtenidos durante todo el tiempo de duración de la investigación. Adicionalmente, se realizó una determinación de la humedad volumétrica del suelo mediante el uso de reflectometría de dominios de tiempo (TDR),específicamente con el uso de un TDR300, con el fin de establecer la capacidad de conservación de agua en cada tratamiento, conforme al comportamiento de la precipitación.

Propiedades químicas. Se realizó una medición de los parámetros químicos del suelo para caracterizar el sistema y establecer las condiciones nutrimentales disponibles para las plantas. Las determinaciones fueron realizadas en el laboratorio central de la Universidad Autónoma Chapingo, bajo las metodologías establecidas por la norma oficial mexicana NOM-021-RECNAT-2000 (^{SEMARNAT, 2000}).

Propiedades biológicas. El muestreo para la determinación de los indicadores biológicos fue realizado en tres ocasiones, con el objetivo de evaluar su comportamiento durante el periodo productivo del maíz. Para la presente investigación fueron elegidos, como parámetros a evaluar, la actividad microbiana y la mesofauna. La actividad microbiana se determinó mediante la técnica de respiración de suelo, propuesta por ^{Anderson (1982)}, en la cual se mide la liberación de CO2 (expresada en mg CO2 kg^-1 de suelo) proveniente de la descomposición de la materia orgánica de los microorganismos presentes en el sistema.

La mesofauna se determinó mediante el método de Berlese modificado por Tullgren ^{Karyanto et al. (2012)} en el cual un foco de 60 W calienta 500 g de suelo tamizado por una maya de 2 mm (tamaño máximo de la mesofauna) que se disponen en un embudo, provocando que los individuos presentes desciendan hacia la punta del mismo, buscando zonas más frescas, para luego caer en un frasco con alcohol etílico al 70%. Los individuos obtenidos fueron cuantificados y clasificados, estableciendo así el número y tipo de organismos presentes por metro cuadrado.

Escurrimiento y pérdida de suelo. Para corroborar el escurrimiento y la pérdida de suelo fueron establecidas parcelas de 16 m² (área útil de cada repetición) que captaban el agua de escorrentía en tinas cúbicas de 144 litros de capacidad; a su vez, las parcelas contaban con un borde de 15 cm de alto, cubierto con plástico, para delimitarlas y mantener dentro el agua captada. Diariamente (del 30 de junio al 5 de septiembre del ciclo agrícola primavera - verano 2014), fue revisado el pluviómetro para registrar la precipitación y con cada evento pluvial se observaba la presencia o no de agua escurrida captada en las tinas. Cuando la precipitación causaba escurrimiento, se registraba la lámina de agua captada y se tomaba una muestra de 110 ml para cuantificar la pérdida de suelo por erosión hídrica.

Desarrollo y producción del maíz. Para determinar la influencia de la presencia de los árboles sobre el desarrollo y producción de las plantas de maíz, se registró semanalmente la altura de 20 plantas, seleccionadas al azar dentro de cada parcela útil a partir de la quinta semana de edad, hasta que se presentó la floración en 100% de las plantas de cada tratamiento. Posteriormente, se cuantificó la producción del total de plantas presentes en cada parcela útil (16 m²). Las mazorcas recolectadas fueron desgranadas y secadas a la intemperie, para después pesar la producción de grano de cada repetición, la cual fue extrapolada a kg de grano ha^-1.

Análisis estadístico. Los datos obtenidos fueron analizados con el software estadístico SAS 9.1 mediante análisis de varianza de un factor (Anova) y pruebas de Tukey para determinar diferencias significativas (p< 0.05) entre tratamientos. Adicionalmente, con el uso del mismo software, se realizaron pruebas de correlación entre la precipitación y el escurrimiento, precipitación y pérdida de suelo y escurrimiento y pérdida de suelo, para los dos tratamientos.

Resultados y discusión

Propiedades físicas. A pesar de la cercanía de los dos tratamientos y de la aparente homogeneidad del terreno y condiciones edáficas que a través de los resultados evidenciaron similitudes en cuanto a la densidad real y aparente, la presencia de árboles ha incidido significativamente (p< 0.05) en características estructurales, en determinaciones como CC, PMP, conductividad hidráulica y humedad aprovechable (Cuadro 1), las cuales fueron definitivas al momento de hacer una valoración de la calidad de los suelos, ya que modificaron el comportamiento de agua en el sistema y su disponibilidad para las plantas.

Cuadro 1 Propiedades físicas del suelo perteneciente al sistema agroforestal (SAF) y monocultivo (MC) a 20 cm de profundidad. 

^z valores sobre cada renglón con diferentes letras son diferentes (p< 0.05) mediante la prueba de Tukey.

Un mayor aporte de materia orgánica al suelo puede influir en un mejoramiento de sus condiciones estructurales (^{Nair, 1993}). No obstante, al observar los resultados del análisis químico no se encontraron diferencias importantes en los contenidos de este parámetro en los dos tratamientos, lo cual se confirma al estudiar los registros de densidad real y aparente, que son similares tanto en el SAF como en el MC. Al analizar los mayores registros de capacidad de campo y punto de marchitez permanente se observó, mediante un gráfico de retención de humedad (Figura 1), que el sistema agroforestal presentó una menor fuerza de retención de agua respecto al monocultivo a medida que se aumentó la presión, lo cual coincide con la mayor velocidad de infiltración que posee el suelo bajo la presencia de árboles, situación que puede ser favorable para prevenir el escurrimiento ante la presencia de lluvias intensas, pero que resultaría en un riesgo para el sostenimiento de la producción vegetal si la precipitación fuera escasa.

Figura 1 Curva de retención de humedad del suelo bajo los tratamientos SAF y MC. 

Según de la Rosa (2008), suelos con similar densidad real y aparente presentan valores cercanos de porosidad, no obstante, la distribución de macro y micro poros puede variar para cada uno, en donde aquel con una mayor proporción de espacios de gran tamaño incide en una mayor velocidad de infiltración y en una menor capacidad de retención de agua. En el presente estudio se observó que el suelo bajo la influencia de árboles de olivo cuenta con una presencia significativamente mayor de macroporos en relación al monocultivo, situación que explica la menor capacidad de retención de agua del sistema agroforestal (Cuadro 2).

Cuadro 2 Relación de macro y micro poros en el suelo bajo los tratamientos SAF y MC. 

^z valores sobre cada columna con diferentes letras son diferentes (p< 0.05) mediante la prueba de Tukey.

La porosidad del suelo puede ser mantenida, mediante el aumento de la cobertura vegetal, la cual protege al sistema de la disrupción, que causa el impacto de las gotas de la lluvia, mediante la anulación o disminución de su capacidad para desintegrar los agregados del suelo y separar las partículas finas, generando así, una escasa o nula obstrucción de poros en la superficie del suelo (^{Shaxson y Barber,2005}).Deigual manera estos autores también reportan que las raíces de los árboles o cultivos de cobertura actúan como subsoladores biológicos que penetran los diferentes horizontes, generando) canales más estables que los formados por medios mecánicos, ya que las raíces liberan sustancias orgánicas que estabilizan la superficie de los mismos. Una vez que las raíces han muerto y se han contraído, dichos poros serán lo suficientemente grandes y estables como para facilitar la infiltración del agua.

^{Melloni et al. (2008)} registraron en un estudio realizado en Minas Gerais, Brasil, un valor de densidad aparente en un suelo cubierto por un Bosque típico de la Mata Atlántica brasilera de 0.94 kg dm3, el cual fue menor que los registrados por una plantación de A. angustifolia, una plantación de Eucalyptus grandis y una pastura en monocultivo de Brachiaria decumbens, que presentaron valores de 1.25, 1.06 y 1.36 kg dm3, respectivamente. Adicionalmente, la Mata atlántica obtuvo un porcentaje de macroporosidad del 34.31%, el cual fue significativamente mayor al obtenido por el tratamiento sin árboles (B. decumbens) que registró un valor de 13.53%.

Los registros más altos de temperatura ambiente y temperatura del suelo para el monocultivo fueron 35 y 28 o C respectivamente, mientras que el sistema agroforestal presentó temperaturas ambientales y edáficas máximas de 33 y 28 oC, lo que permite inferir que la sombra generada por las leñosas perennes incidió directamente sobre el calentamiento del suelo a 20 cm de profundidad. Durante un mes fue evaluada la humedad volumétrica del mismo en los dos tratamientos, determinación que permitió observar una menor pérdida de agua en el SAF, condicionada principalmente por la menor temperatura ambiental y edáfica presente en este tratamiento (Figura 2), en esta se puede notar que ante una recarga del sistema mediada por la precipitación, el contenido de humedad en el SAF y MC fue similar, no obstante, cuando la precipitación disminuyó, la sombra generada por los árboles, evitó que el agua del suelo se perdiera con mayor velocidad en relación al monocultivo, favoreciendo así, una mayor conservación y disponibilidad de la misma para las plantas.

Figura 2 Humedad volumétrica del suelo registrada para los tratamientos SAF y MC en relación a la precipitación. 

Estos datos coinciden con los obtenidos por Matoso et al. (²⁰⁰⁷) quienes encontraron en un cultivo de café a la sombra de diversos árboles maderables, un contenido de humedad que se mantuvo entre de 0.5 a 2% superior, en relación al café en monocultivo, a una profundidad de 20- 40 cm.

Propiedades químicas. Tanto el SAF como el MC presentaron contenidos similares (sin diferencia estadística) en el total de parámetros evaluados (Cuadro 3), destaca que a pesar de la presencia de árboles el porcentaje de materia orgánica fue similar en los dos tratamientos, lo cual indica que los olivos no aportan la suficiente biomasa, como para incrementar su contenido en el suelo, por ende los nutrientes incluidos en la evaluación no evidenciaron diferencias significativas.

Cuadro 3 Propiedades químicas del suelo perteneciente al sistema agroforestal (SAF) y monocultivo (MC) a 20 cm de profundidad. 

^zvalores sobre cada renglón con diferentes letras son diferentes (p< 0.05) mediante la prueba de Tukey.

En diferentes sistemas agroforestales evaluados, la presencia de árboles no ha sido causante de una mayor concentración de nutrientes en el suelo, ejemplo de esto lo otorgan Ávila et al. (²⁰⁰⁴), quienes en un sistema agroforestal de Eucalyptus deglupta asociado con café, en Costa Rica, evidenciaron un menor contenido de nitratos (68 kgNO3 ha^-1) en comparación con un cafetal en monocultivo (115 kgNO3 ha^-1) indicando que los árboles reducen la disponibilidad de nitrógeno para el cultivo de café; en otro estudio ^{Barreto et al. (2006)} encontraron mayores contenidos de potasio en una pastura en monocultivo (0.2 cmol dm^-3), en comparación con un SAF de cacao asociado con árboles maderables (0.12 cmol dm-3); por ultimo en un estudio realizado por Bertalot et al. (2014) no se encontraron diferencias significativas en la fertilidad de un SAF compuesto por árboles de Leucaena diversifolia y maíz en comparación con un monocultivo de maíz, en este estudio el análisis nutrimental determinó lo siguiente: un pH idéntico en los tratamientos (5.2); materia orgánica de 17 y 16% para el SAF y MC respectivamente; contenido de fósforo de 17 y 14 mg dm-3 en el mismo orden y por último, una concentración de potasio similar en los dos tratamientos SAF (0.4 mmolc dm-3) y MC (0.3 mmolc dm-3).

Propiedades biológicas

Se observó una tendencia hacia una mayor actividad microbiana expresada en mg kg de CO₂, en el sistema agroforestal; sin embargo, no se presentó una diferencia significativa entre tratamientos para los primeros dos muestreos (Figura 3).

Figura 3 Actividad microbiana registrada en los tratamientos SAF y MC. 

La presencia de individuos fue alta en el primer muestreo, cuando aún no daba inicio la temporada de lluvias, en este caso, la población estaba representada en su mayoría por ácaros, que abundaron tanto en el MC como en el SAF, y colémbolos que tuvieron una presencia significativamente mayor en el SAF; para el segundo muestreo, la presencia de individuos por m² descendió drásticamente, pasando de cerca de 16 000 ácaros m^-2 en el MC a 4 682 ácaros m^-2, en el mismo tratamiento, situación que probablemente se dio por el elevado porcentaje de agua en el suelo y las bajas temperaturas del mismo, que obligan a los individuos a buscar zonas más cálidas, motivo por el cual, la presencia de estos organismos fue mayor en el MC ya que sin la influencia de la sombra de los árboles la temperatura del suelo era de 0.5 - 1.5 oC mayor que en el SAF. Para el tercer muestreo, las condiciones edáficas en cuanto a temperatura y humedad, permitieron la presencia de una mayor cantidad de individuos m², salvo que en esta ocasión se caracterizó por una mayor presencia de colémbolos y ácaros en el SAF.

Pérdida de suelo y escurrimiento. La evaluación se realizó del 29 de junio al 4 septiembre, periodo que presentó 35 eventos pluviales, de los cuales 15 (42%) causaron escurrimiento y de estos, 100% fueron erosivos, la precipitación mínima que causó un flujo de agua superficial con arrastre de partículas fue de 7.63 mm, y la máxima precipitación registrada dentro del análisis fue de 26.24 mm, aunque en dos ocasiones se presentaron eventos con una mayor intensidad que causaron escurrimiento, no obstante la magnitud de los mismos rebasó la capacidad de las tinas de agua, por lo que fue imposible realizar una medición de la lámina presente, lo que llevó a que dichas precipitaciones no se tomaran en cuenta dentro del estudio, por lo tanto el número de eventos pluviales analizados bajó de 15 a 13. En términos generales, el sistema agroforestal, gracias a la protección que otorgan los árboles incidió en menores tasas de escurrimiento y pérdida de suelo a lo largo del estudio, en comparación con las observadas en el monocultivo las cuales fueron estadísticamente mayores (Cuadro 4).

Cuadro 4 Escurrimiento y pérdida de suelo en el SAF y MC, durante el tiempo de duración de estudio. 

^z valores sobre cada columna con diferentes letras son diferentes (p< 0.05) mediante la prueba de Tukey.

^{Pinese et al. (2008)} evaluaron la erosión laminar en un suelo bajo diferentes coberturas vegetales en Minas Gerais, Brasil, sometidos a una precipitación de 457.5 mm, en donde evidenciaron una escurrimiento de 19.5 L m^-2 en un monocultivo de maíz, el cual fue mayor al observado por un bosque nativo, el cual presentó 0.5 L m^-2, relación que se mantuvo en cuanto a la pérdida de suelo la cual fue mayor en el cultivo de maíz respecto al bosque nativo (144.3 y 0.08 g m^-2); Resultados que permiten inferir que ante una mayor cobertura vegetal, el escurrimiento así como la magnitud del proceso erosivo se presentan en menor cuantía.

Desarrollo y producción de maíz. Contrario a lo esperado, tanto la producción como el desarrollo del maíz fueron inferiores en el sistema agroforestal, en el cual las plantas presentaron un crecimiento más lento y manifestaron una menor altura en relación con las presentes en el monocultivo, situación que radica en el hecho de que los árboles de olivo generaban una sombra intensa y constante sobre el cultivo, lo que dificultó en gran medida su desarrollo. En general, el componente agrícola del SAF presentó distintas limitantes para manifestar su capacidad productiva; en primer lugar, a pesar de que la siembra de los dos tratamientos se efectuó el mismo día, las semillas bajo los árboles, en promedio, tardaron más en germinar, posteriormente su crecimiento se dio a una menor velocidad; el exceso de humedad del suelo, generó síntomas de amarillamiento por deficiencia de oxígeno y las plantas al ser más débiles que las del monocultivo se acamaron en distintas ocasiones. Las diferencias en cuanto a crecimiento y desarrollo observadas en la figura anterior, se confirman mediante las determinaciones de altura que se realizaron semanalmente; a partir de la quinta semana de edad del cultivo (Figura 4), en esta se puede observar que desde la primera medición, hasta la floración de 100% del cultivo las plantas sembradas a plena exposición solar presentaron una mayor altura, que las ubicadas a la sombra de los árboles de olivo.

Figura 4 Altura de las plantas de maíz a través del desarrollo del cultivo en los tratamientos SAF y MC. 

Al ser una planta de tipo C4, la radiación solar es un parámetro vital para el desarrollo y producción del cultivo de maíz, y que una reducción en la radiación fotosintéticamente activa del 30 - 40%, por periodos prolongados puede atrasar la maduración de los granos, retrasar el crecimiento y ocasionar caídas en la producción (^{Cruz et al., 2006}). Por este motivo, los sistemas agroforestales tienen que ser establecidos en un dirección este - oeste, y de esta forma permitir una entrada de luz sobre el componente agrícola que garanticé el desarrollo óptimo de la fotosíntesis (^{Nair, 1993}).

Conclusiones

La asociación del cultivo de maíz con árboles de olivo, favoreció un mejoramiento de características que en conjunto contribuyen a la conservación del recurso, manifestando así, un beneficio ambiental producto de la práctica agroforestal, que se hace notable al reducir la cantidad de suelo que se pierde, a causa de la erosión hídrica. No obstante, las ventajas ambientales se ven opacadas al contrastarlas con los rendimientos productivos del maíz, que fueron mayores en el monocultivo. Por este motivo es necesario generar tecnologías que expresen en la producción del cultivo asociado, el potencial de la agroforestería.