Área de estudio

El estudio se realizó en el Centro Regional Universitario Oriente (CRUO) de la Universidad Autónoma Chapingo, ubicado en el municipio de Huatusco, Veracruz (19° 09’ LN y 96° 57’ LO), a una altitud de 1 334 m. El clima es (A)C(m)w”b(i’)g (^{García, 1988}) con temperatura media anual de 17.2 °C y precipitación media anual de 1 745 mm. La vegetación natural es bosque mesófilo de montaña. Los suelos son Luvisoles de origen volcánico con materiales finamente divididos que presentan gran cantidad de minerales sin cristalización, por lo que no existen estructuras definidas. Los suelos son incipientes debido a que la vegetación provoca un microclima de alta humedad y relativamente baja temperatura, aspectos que frenan el desarrollo del suelo (^{Pérez, 2004}); el pH varía entre 5.2 y 6.0.

Características de las cubiertas arbórea y arbustiva

Procedimiento experimental

En cada sistema se ubicaron 10 puntos posibles de muestreo georreferenciados (GPS Garmin modelo eTrex vista HCx armin) y espaciados de tal modo que cubrieran el área. En la fase de gabinete, tomando como base estos 10 puntos, se eligieron tres de manera aleatoria que se consideraron como repeticiones. Cada uno de estos tres puntos denotados por sus coordenadas fue el centro de un área circular de 400 m² que conformó la unidad de muestreo (UM).

La cubierta vegetal de cada sistema se caracterizó y se determinaron sus diferencias. Para ello, en cada una de las UM se contabilizó el número de árboles, arbustos y plantas de café, midiendo la altura con un clinómetro y un estadal, y el diámetro con una cinta diamétrica. El diámetro de los árboles se midió a 1.30 m del nivel del suelo, y el de los arbustos y cafetos, a 15 cm del nivel del suelo.

Cada UM circular se dividió en cuatro partes trazando dos líneas perpendiculares entre sí y pasando por el centro. Las líneas dividieron cada UM en cuatro zonas delimitadas por arcos de círculo denominados cuadrantes. El centro de cada cuadrante se ubicó de manera visual y se tomó una submuestra de suelo con una barrena a las profundidades de 0 a 10, 10 a 20 y 20 a 30 cm, formando una muestra compuesta para cada profundidad. En total se obtuvieron 36 muestras compuestas, producto de cuatro sistemas, tres UM y tres profundidades.

Para cada muestra de suelo se determinó la densidad aparente con el método de la probeta (^{Sánchez-Junco et al., 2011}), y el N total con el método de Kjeldahl de acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-021-RECNAT-2000 (^{Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales [SEMARNAT], 2002}). El COS se determinó por medio de combustión seca, utilizando un analizador automático de carbono (Shimadzu TOC-5050 A, Japón), y el nitrato (NO₃ ^-) y amonio (NH₄ ⁺) se determinaron mediante destilación por arrastre de vapor (^{Bremner, 1965}). El N mineral (Nmin) se obtuvo de la suma de la concentración de NO₃ ^- y NH₄ ⁺, y el nitrógeno orgánico (Norg) se calculó de manera indirecta restando el N mineral (Nmin) al N total (Nt). La relación C:N se determinó utilizando los datos de concentración de COS y Nt. El contenido de COS y N en cada una de sus formas se obtuvo con los datos de las concentraciones y aplicando la fórmula propuesta por ^{Ellert y Bettany (1995)}:

ALMX = X ρb Px

Los datos de las concentraciones y contenidos por cada profundidad se sometieron a un análisis de varianza (ANOVA, P = 0.05) y prueba de comparación de medias de Tukey (P = 0.05) con el paquete SAS versión 9.4 (^{SAS Institute Inc., 2013}), para determinar el efecto de las cubiertas vegetales sobre dichas variables. También se hizo una correlación de Pearson entre las variables y se analizó el efecto de los sistemas sobre la relación C:N.

Carbono capturado en la biomasa aérea

El carbono en la biomasa aérea, como un índice de cobertura vegetal de las especies arbóreas y arbustivas, se determinó con ecuaciones alométricas (^{Segura, Kanninen, & Suárez, 2006}), relacionando los atributos dasométricos de altura y diámetro con el contenido de biomasa por individuo. Las ecuaciones alométricas utilizadas para los árboles en el sistema bosque mesófilo de montaña, árboles de sombra agroforestales, y plantas de café y arbustos fueron, respectivamente, las siguientes:

Y = exp-2.289 + 2.649 lnDN - 0.021lnDN2 log₁₀Biomasa = -0.0834 + 2.223(log₁₀DN)

log₁₀Biomasa = -1.113 +1.578 * log₁₀(DN) + 0.581 * log₁₀(H)

Después de obtener el valor de biomasa por individuo se hizo una sumatoria del total de individuos por UM y se extrapoló a una hectárea (kg MS·ha^-1). Posteriormente, este resultado se multiplicó por el factor 0.5, con base en el supuesto de que 50 % de la biomasa total de las especies es carbono, tal como lo establece el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (^{IPCC, 2003}). Finalmente, el resultado se dividió entre 1 000 para obtener el carbono (Mg C·ha^-1) en cada unidad de muestreo.

Índice de cobertura vegetal

Con la finalidad de tener otra referencia de la magnitud de cobertura vegetal de cada sistema y compararla con los resultados obtenidos mediante las ecuaciones alométricas, se propuso un índice de cobertura vegetal (ICV, m) que se obtuvo con la siguiente fórmula:

ICV = NA * HA * DN+NAR * HAR * D

Magnitud de las cubiertas vegetales

El Cuadro 1 muestra que la magnitud del carbono capturado en las cubiertas vegetales, en orden de mayor a menor, fue el siguiente: BMM, AFCPT, AFCPC y MCPS. En el caso del ICV, el orden de magnitud de mayor a menor fue BMM, AFCPT, MCPS y AFCPC. En esta variable se dio un intercambio de posición entre las cubiertas de MCPS y AFCPC con respecto al orden de magnitud del carbono capturado. Este intercambio se dio debido a que el número de plantas de café (137), el diámetro (6.15 cm) y la altura (2.22 m) fueron mayores en el sistema MCPS que en AFCPC (58 plantas con diámetro promedio de 2.31 cm y altura promedio de 1.16 m). Este orden no se reflejó con el uso de ecuaciones alométricas, a pesar de que también consideran el diámetro y altura de las plantas de café y el diámetro de los árboles. La diferencia fundamental fue que el carbono capturado de los 11 árboles del sistema AFCPC fue mayor (13.73 Mg·ha^-1) que el de las 137 plantas del MCPS (sin árboles).

Valores medios de concentración de C y N en el suelo

El Cuadro 2 muestra que, en general, el orden de magnitud de las concentraciones medias de COS, Nt y Norg en los sistemas, ordenadas de mayor a menor, es BMM, AFCPT, AFCPC y MCPS, que fue el mismo orden de acuerdo con el carbono capturado. En los sistemas BMM y AFCPT, las concentraciones de dichas variables en las tres profundidades fueron estadísticamente similares (P > 0.05), a excepción del COS en la profundidad de 0 a 10 cm.

En el caso del COS, existen diferencias en las concentraciones por tipo de cubierta vegetal (P < 0.05), lo cual concuerda con lo encontrado por ^{Novara, La Mantia, Barbera, y Gristina (2012)}. ^{Powers (2004)} afirma que existe gran influencia de la transferencia de carbono de la vegetación al suelo por aportación de residuos vegetales, la cual podría explicar alrededor de 50 % de las diferencias observadas en la concentración de COS entre varios usos y tipos de suelos. Probablemente, también la densidad de la cubierta vegetal influyó en las concentraciones, ya que la radiación que llegó al suelo pudo ser desigual, degradando de manera diferencial a la materia orgánica por oxidación fotoquímica, tal como lo afirman ^{Gallo, Porras-Alfaro, Odenbach, y Sinsabaugh (2009)}.

En el caso del Nt, la cubierta vegetal tuvo efecto en las concentraciones del elemento. Este efecto puede estar relacionado con las comunidades microbianas presentes en el suelo de cada sistema; ^{Ewing, Southard, Macalady, Hartshorn, y Johnson (2007)} afirman que, a mayor cubierta vegetal, las comunidades microbianas son más grandes y reciclan nitrógeno más eficientemente que los microorganismos de los espacios abiertos. Por otra parte, la concentración de Nt decreció con la profundidad en todos los sistemas, coincidiendo con lo encontrado por ^{Heluf y Negassa (2006)}.

En el BMM, la concentración de NH₄ ⁺ en las tres profundidades fue mayor que la de NO₃ ^-, lo cual parece indicar que la nitrificación no es muy activa en los suelos. Esto puede deberse probablemente a que en el BMM se tuvo menor aireación; de acuerdo con ^{Malavolta (2006)}, el proceso de nitrificación se da bajo condiciones de buena aireación del suelo, necesaria para el funcionamiento de las bacterias nitrificantes, aun con pH ácidos como en los suelos de estos sistemas. La alta tasa de amonificación también puede ser producto de los contenidos altos de COS y, por lo tanto, de materia orgánica. Entre los sistemas AFCPT, AFCPC y MCPS, las concentraciones de amonio y nitratos fueron más homogéneas.

Contenido de C y N en el suelo

El Cuadro 3 muestra que el orden de magnitud de mayor a menor de los sistemas, con base en los contenidos de COS, Nt y Norg, fue BMM, AFCPT, AFCPC y MCPS, el cual coincide con el orden de magnitud de la cubierta vegetal de acuerdo con el carbono capturado. Los contenidos de estos elementos disminuyeron a medida que la profundidad incrementó.

Los resultados mostraron que el suelo del BMM obtuvo mayor cantidad de COS, aunque estadísticamente el contenido fue similar (P > 0.05) en el sistema AFCPT. Esto no coincide con lo reportado por ^{Callo-Concha, Krishnamurthy, y Alegre (2002)}, quienes encontraron que, a 1 m de profundidad del suelo, el bosque primario secuestró 98.78 t·ha^-1de COS contra 113.54 t·ha^-1 de COS para café + sombra. No obstante, los resultados si coincidieron con lo encontrado por ^{Corral-Fernández, Parras-Alcántara, y Lozano-García (2013)}, quienes afirman que los valores altos de COS se pueden deber a la cantidad de hojarasca y raíces muertas en la superficie y a la modificación de las condiciones ambientales bajo los árboles, tales como la variación de la temperatura, la sombra y la lluvia, que disminuyen la mineralización e intensifican la humificación. La magnitud mayor de la cubierta vegetal y, por tanto, la cantidad de residuos orgánicos aportados por los sistemas, incrementaron el COS, sobre todo en las profundidades de 0 a 10 y 10 a 20 cm; este comportamiento es similar a lo reportado por ^{Delgado, Alliaume, García, y Hernández (2006)}, quienes indican que el efecto solo sucede en los horizontes A y B.

En el caso del Nt, los más bajos contenidos se encontraron en los sistemas MCPS y AFCPC; la cubierta vegetal menor provocó una disminución del contenido de Nt coincidiendo con ^{Aranguren, Escalante, y Herrera (1982)}, quienes, en un estudio de un cafetal bajo sombra, indicaron que el flujo asociado con la caída de hojarasca de los árboles fue de 86 kg de N·ha^-1·año^-1, mientras que el aporte de la hojarasca del café fue de 28 kg de N·ha^-1·año^-1. El bajo contenido en el MCPS también se pudo deber a un agotamiento progresivo de las reservas del Nt, después del establecimiento de las plantaciones. De acuerdo con ^{Sadeghian, Mejía, y Arcila (2007)}, las cantidades removidas en los cafetales a plena exposición solar pueden superar los 120 kg·ha^-1·año^-1 de N.

El orden de magnitud de las concentraciones y de los contenidos de COS, Nt y Norg (Cuadros 2 y 3) es el mismo, sobre todo en las capas de 0 a 10 cm y 10 a 20 cm. Este orden corresponde con la magnitud de la cubierta vegetal ordenada de mayor a menor (BMM, AFCPT, AFCPC y MCPS). De acuerdo con ^{Delgado et al. (2006)}, el efecto de la cubierta vegetal ocurre sobre todo en los horizontes A y B. En el caso del NH₄ ⁺, dicho orden se alteró, ya que el sistema AFCPT tuvo el menor contenido y concentración. Con respecto al NO₃ ^- y Nmin, los contenidos y concentraciones fueron estadísticamente similares (P > 0.05) en los cuatro sistemas en las tres profundidades, a excepción del Nmin en la profundidad de 10 a 20 cm, donde el contenido y concentración fueron mayores en el BMM.

Estratificación de los contenidos de carbono y nitrógeno

El Cuadro 4 muestra que el orden de magnitud de los porcentajes de COS, Nt y Norg en cada profundidad no fue el mismo, denotando una dinámica diferente por efecto de la cubierta vegetal. El porcentaje de acumulación de COS, Nt y Norg se dio mayormente en la capa de 0 a 10 cm en todos los sistemas.

El mejor sistema fue el BMM ya que obtuvo los valores mayores de contenidos de COS, Nt y Norg. Con respecto a los contenidos en el BMM, las pérdidas de COS en MCPS, AFCPC y AFCPT fueron 136.77, 138.37 y 18.30 Mg·ha^-1, representando 59.64, 60.34 y 7.98 %, respectivamente; mientras que las de Norg fueron 9.53, 8.20 y 1.86 Mg·ha^-1, representando 59.81, 51.18 y 11.65 % en el mismo orden de sistemas. De lo anterior, se infiere que el sistema con mayor impacto negativo fue el MCPS seguido del AFCPC y AFCPT.

Coeficientes de correlación

El Cuadro 5 muestra los coeficientes de correlación de Pearson (r) para los 36 datos de concentración. Se observó correlación lineal positiva alta (r > 95 %) entre las concentraciones de las variables COS, Nt y Norg, y correlación positiva intermedia (r > 60 %) entre las concentraciones de Nmin con COS, Nt, Norg, NH₄ ⁺ y NO₃ ^-, y entre NH₄ ⁺ con Nt y Norg. Las correlaciones altas e intermedias coinciden con ^{Conant, Paustian, Del Grosso y Parton (2005)}, quienes mencionan que existe estrecha vinculación entre el ciclo del C y el de N, principalmente en la acumulación de estos elementos en la materia orgánica del suelo en climas templados y subtropicales.

Relación carbono:nitrógeno

La Figura 1 muestra las relaciones C:N para las profundidades del suelo de 0 a 10, 10 a 20 y 20 a 30 cm. No hay tendencia en el comportamiento de la relación con base en la magnitud de la cubierta vegetal de cada sistema, dada por el carbono capturado (BMM>AFCPT>AFCPC>MCPS). La prueba de Tukey (P = 0.05) mostró que no existieron diferencias significativas por efecto de los sistemas sobre la relación C:N para cada profundidad.

De manera general, se puede notar que el sistema AFCPC, el más alterado de los dos sistemas agroforestales con respecto a especies introducidas, tuvo relación C:N menor (12.00) que los sistemas MCPS (14.29), BMM (14.48) y AFCPT (15.00). ^{Veum, Goyne, Motavalli, y Udawatta (2009)} afirman que una relación C:N mayor indica un retardo en los procesos de mineralización, mientras que una relación C:N menor denota un proceso más avanzado de mineralización. Asimismo, ^{Parfitt, Yeates, Ross, Mackay, y Budding (2005)} indican que los valores de la relación C:N exhiben una relación negativa fuerte con la mineralización del N. De acuerdo con ^{Watt y Palmer (2012)}, la variación de la relación C:N solo puede ser atribuible al clima, tipo de suelo y cubierta vegetal; por lo tanto, debido a la ubicación cercana de los sistemas, los cambios fueron ocasionados por la magnitud de la cubierta vegetal de los sistemas BMM, MCPS, AFCPC y AFCPT. Los resultados también coinciden con ^{Smal y Olszewska (2008)}, quienes encontraron que los suelos con vegetación nativa tuvieron valores de la relación C:N más altos que otros tipos de cubierta.

Figura 1 Relaciones C:N en los suelos con cobertura vegetal de bosque mesófilo de montaña (BMM), monocultivo de café a pleno sol (MCPS), agroforestal de café como policultivo tradicional (AFCPT) y agroforestal de café como policultivo comercial (AFCPC) en tres profundidades de suelo. No existieron diferencias significativas por efecto de los sistemas sobre la relación C:N para cada profundidad (Tukey, P > 0.05).