Características fisiográficas del área de estudio

Este trabajo se llevó a cabo en la localidad de San Miguel Tzinacapan, en el municipio de Cuetzalan del Progreso, al noroeste del estado de Puebla (Figura 1), fisiográficamente corresponde a la Sierra Madre Oriental, donde los materiales geológicos de la región están compuestos por calizas, lutitas, limonitas y areniscas. El clima con base en ^{García (2004)}, es del tipo Af que es cálido húmedo con lluvias durante todo el año; la temperatura media anual es de 20.15 °C y su precipitación media anual es de 4200 mm por lo que se considera que es uno de los municipios más lluviosos del país. Los suelos dominantes son Leptosoles, Acrisoles, Andosoles y Regosoles y la vegetación corresponde a un bosque mesófilo de montaña, selva mediana subperennifolia y pastizales inducidos (^{INEGI, 2009}; ^{OJP, 2010}).

Figura 1: Ubicación de la zona de estudio. 

Figure 1: Location of the study area.  

Trabajo en campo

En San Miguel Tzinacapan, se trabajó en tres agrosistemas cafetaleros que se encontraban en parcelas con una superficie menor a 1 ha, con diferente manejo y en cada una de ellas se describieron sus características biofísicas y morfológicas del suelo. Se consultó a los dueños de las parcelas, para obtener información sobre el manejo que realizan a sus cultivos. Se hicieron dos muestreos de suelos, el primero durante la época de secas y el segundo en la de lluvias. En cada agrosistema se describieron las características morfológicas y se tomó una muestra de 1 kg por horizonte del suelo (^{Vela-Correa, Rodríguez y López, 2011}). Posteriormente, cada muestra se empaquetó en bolsas de polietileno, y se almacenaron a temperatura ambiente, para su análisis en laboratorio. También se recolectaron muestras de aproximadamente 200 g por horizonte que se trataron como material biológico, las cuales se guardaron en bolsas estériles bajo condiciones de refrigeración (4 °C) para la cuantificación del CBM en laboratorio.

Trabajo en laboratorio

La determinación de las propiedades físicas y química de los suelos se realizó siguiendo los métodos descritos en la Norma Oficial Mexicana NOM-021-RECNAT-2000 (^{SEMARNAT, 2002}) donde se establecen las especificaciones sobre el estudio, muestreo y análisis de suelos, así como los propuestos por ^{Jackson (1982)} y ^{Vogt, Tilley, Edmonds y Harrison (2015)}. Las determinaciones que se realizaron fueron: humedad, misma que se cuantifico por el método gravimétrico, que se basa en la diferencia del peso que existe entre la muestra húmeda y seca; la densidad aparente (Da) por medio muestras inalteradas de suelo, utilizando un núcleo de acero; la densidad real (Dr) se cuantificó por el método del picnómetro, y la porosidad se obtuvo con la ecuación Espacio poroso (%) = 1-(Da/Dr)X100; mientras que la textura se estimó por el método del hidrómetro de ^{Bouyoucos (1962)}. En cuanto a los parámetros químicos, el pH se determinó en una mezcla con relación suelo: agua (1:2.5) con un potenciómetro Thermo Scientific™ modelo Orión 3-Star; la materia orgánica (MO) y el carbono orgánico (Corg) se cuantificaron con el método de combustión en húmedo usando una mezcla de dicromato de potasio (K₂Cr₂O₇) con ácido sulfúrico (H₂SO₄) propuesto por ^{Walkley y Black (1934)}; la capacidad de intercambio catiónico (CIC) por el método descrito en ^{Jackson (1982)}; los cationes intercambiables de Ca²⁺ y Mg²⁺ se calcularon con el método del versenato; y los iones intercambiables de Na⁺ y K⁺ con un fotoflamómetro Corning 400. Para cuantificar el CBM se utilizó el método de “fumigación-incubación” propuesto por ^{Jenkinson y Powlson (1976)}, que consiste en tres etapas: la fumigación, que se refiere a la lisis de los microorganismos al someter las muestras de suelo a una atmósfera de cloroformo; la incubación, consiste en inocular las muestras con suelo no fumigado; y la determinación analítica del carbono mineralizado.

Relación del CBM y salud del suelo

Para determinar la relación del CBM con las prácticas de manejo, se utilizó el método propuesto por ^{Altieri y Nicholls (2002)}, que determina la sostenibilidad de los cafetales a partir de la salud de los suelos. Se consideraron indicadores que se basan en el manejo que realizan los productores en sus parcelas, así como en algunos parámetros físico, químicos y biológicos que son fáciles de medir. A cada indicador seleccionado se le asigna un valor de 1 a 10 (1 = valor menos deseable; 5 = valor medio; y 10 = más deseable) de acuerdo con las características observadas en campo del atributo a evaluar. Una vez asignados los valores, se obtiene el promedio, de los indicadores y se elabora un gráfico radial (tipo ameba) a fin de visualizar el estado general de la salud del suelo. Cuanto más se aproxime la ameba al diámetro del círculo (valor = 10) el agrosistema tiene mejor salud del suelo, y con los valores que más se alejen se pueden considerar estrategias de manejo que las mejoren.

Caracterización fisiográfica de los agrosistemas

Los tres agrosistemas se encuentran en relieve accidentado, particularmente formado por laderas medias y cada parcela la superficie es menor a 1 ha y los suelos se encuentran sobre calizas (^{Ruelas-Monjardín, Nava y Barradas, 2014}), son someros con profundad máxima de 30 cm. Se describió un perfil de suelos por cada parcela y se tomaron muestra de cada horizonte de suelo para su análisis en laboratorio.

El agrosistema A-1 se localiza en los 20° 01’ 22” N y los 97° 32’ 20” O, a 959 m de altitud, se caracteriza por tener policultivo con manejo orgánico donde las plantas de cafeto (Coffea arabica L.) se encuentran asociadas con canela (Cinnamomum verum J. Presl.), plátano (Musa paradisiaca L.) y pimienta (Piper nigrum L.) (Cuadro 1). En el terreno, las plantas se distribuyen a tres metros equidistantes entre ellas. La parcela se abona con pollinaza la cual está conformada por los desechos de la producción de pollo de engorda, formado por una mezcla de heces, cama, orina, restos de alimento, mucosa intestinal descamada, secreciones glandulares, microorganismos de la biota intestinal, sales minerales, plumas, insectos, pigmentos, trazas de medicamentos, etc.; la cual se coloca a 20 cm de profundidad en tres sitios distribuidos en la parcela (^{Ochoa y Urrutia, 2007}). La periodicidad con la que se abona es a criterio del productor, al igual que los deshierbes y chaponeos que se realizan con machete, a lo largo del año. En este agrosistema se describieron los siguientes horizontes del perfil de suelo: El horizonte Ap (0 - 7 cm), que tiene influencia antrópica por prácticas agrícolas, además presenta acumulación de materia orgánica humificada, mientras que en el horizonte AB (7 - 10 cm) hay mayor acumulación de arcillas y de materiales orgánicos humificados. El Bw (10 - 20 cm) tiene un mejor desarrollo estructural por la mayor presencia de arcillas de neoformación. A partir de 20 cm de profundidad hay contacto lítico (R) con rocas calizas. El suelo en general presenta erosión severa leve de forma laminar, y los peds que predominan son de tamaño fino (5 a 10 mm de diámetro), su drenaje superficial es lento, por las características del policultivo, donde este aporta materiales que cubren al suelo durante la mayor parte del año.

El agrosistema A-2, se encuentra en los 20° 03’ 21” N y los 97° 32’ 38” O a 618.7 m de altitud y corresponde a policultivo orgánico, pero en este caso, las plantas de cafeto (Coffea arabica L.) se encuentran asociadas con árboles de mamey (Pouteria sapota J.), lima (Citrus aurantiifolia L.), naranja (Citrus sinensis L.), plátano (Musa paradisiaca L.) y pimienta (Piper nigrum L.), las cuales se encuentran en promedio a equidistancia de 4 m entre ellas. El productor aplica composta, que el mismo prepara con los insumos que tiene a la mano como restos de comida y cultivos, y no tiene una forma estandarizada de prepararla, por lo que su calidad es variable y está la esparce entre las plantas, donde la cantidad y periodicidad es a su criterio por lo que es posible impacte en las propiedades del suelo (Cuadro 1).

Se describieron los horizontes: Ap (0 - 8 cm), B(w) (8 - 17 cm), y R (>17 cm). El primero presenta buena estructura y forma terrones de tamaño medio, la infiltración es moderada, aunque las lluvias fuertes crean algunos encharcamientos. En esta parcela el productor no practica deshierbes, por lo que el suelo se encuentra cubierto de herbáceas y arbustivas durante la mayor parte del año. Los árboles asociados al café son de porte alto y no presentan evidencias de plagas o enfermedades; pero en cuanto a los cafetos, el productor considera ya una plantación vieja (>20 años), y en su mayoría se encuentran infectados por roya (H. vastatrix). El productor comentó que, por tratarse de una plantación antigua, sus rendimientos son bajos (<1 Mg ha⁻¹), por lo que considera reemplazar las plantas de café por otras más jóvenes.

El agrosistema A-3 se ubica en los 20° 02’ 13” N y los 97° 32’ 17” O a una altitud de 770.1 m de altitud, el perfil del suelo presenta un horizonte Ap (0 - 25 cm) que se encuentra sobre calizas R (> 25 cm). Se cultiva como monocultivo convencional que se fertiliza con la fórmula de N- P- K (18 - 06 - 12). El productor deposita el fertilizante después de la cosecha y al inicio de la floración a un costado del tallo de las plantas de café (de 10 a 15 cm de distancia del tallo), los cafetos se ubican a 2.5 m de equidistancia entre ellos (Cuadro 1). El horizonte Ap (0 - 25 cm), es suelto, forma terrones pequeños que se deshacen con facilidad, presenta buena retención de humedad, pero durante la temporada de secas las plantas se ven afectadas debido a que el terreno es deshierbado, por lo que el suelo está descubierto parte del año, estando expuesto a los procesos de degradación por erosión que se presentan en la región. El productor, manifestó que desconoce el rendimiento de la parcela, por ser una plantación nueva, pero argumentó que con los cafetos anteriores este era muy bajo (< 400 kg ha^-1), (Cuadro 1).

Propiedades físicas de los suelos

En los tres agrosistemas, las propiedades físicas de los suelos se presentan en el Cuadro 2. Los suelos tuvieron mayor humedad durante la temporada de secas, pero se debe considerar que llueve casi todo el año, y que la temporada de lluvias es de abril a octubre con una precipitación de 1200 a 2800 mm (^{Jaramillo-Villanueva, Guerrero, Vargas y Bustamante, 2022}). El agrosistema con mayor humedad fue el A-1, seguido por A-3 y por último el A-2, esto se atribuye a la diversidad vegetal de los agrosistemas, donde los aportes de hojarasca que cubre al suelo disminuyen las pérdidas por evaporación y escurrimiento. Además de que, al integrarse la materia orgánica al suelo, influye directamente en la densidad aparente, donde esta presenta valores menores a la unidad, lo que a su vez repercute en que la porosidad sea mayor al 50% en todos sus horizontes, aunado a la textura arcillosa, que permite que este mantenga un régimen de humedad adecuada para que las raíces de las plantas, y la fauna edáfica se desarrollen adecuadamente (^{Martínez, Fuentes y Acevedo, 2008}; ^{Wu y Wang, 2019}).

Los agrosistemas A-1 y A-2 tienen un desarrollo edáfico mayor en comparación con el A-3 y presentan de forma incipiente un horizonte B(w) que se caracteriza por ser ligeramente más arcilloso que los horizontes supra y subyacentes en ambos suelos. Además, en la fracción arcillosa se encuentran gran cantidad de nutrimentos, lo que resulta esencial en procesos como la mineralización de la materia orgánica como la pollinaza y composta que los productores agregan a estos agrosistemas (^{Finn, Kopittke, Dennis y Dalal 2017}; ^{Madigan, Martinko, Bender, Buckley y Stahl, 2015}); mientras que en el agrosistema A-3 el manejo depende exclusivamente de la aplicación de fertilizantes químicos. Durante la temporada de lluvias el agrosistema A-2 presentó menor humedad, y mayor cantidad de partículas arcillosas (< 0.002 mm de diámetro), posiblemente por la presencia de poros muy finos que conlleva a un proceso de saturación y retención de humedad más lento (Cuadro 2).

Propiedades químicas de los suelos

Durante la temporada de secas, en los tres agrosistema el suelo del horizonte Ap es ligeramente ácido (6.1 - 6.5), incrementando su acidez hasta llegar a considerarse fuertemente ácido (< 5.5) en el horizonte B(w), atribuible a la migración de ácidos orgánicos provenientes de la vegetación de la parcela, donde los grupos carboxílicos y fenólicos contenidos en la materia orgánica se comportan como ácidos débiles por lo que tienden a disminuir el pH de los suelos (^{Vázquez-Alarcón, 1997}; ^{Martínez et al., 2008}).

El suelo más ácido correspondió al agrosistema A-3 donde el empleo de fertilizantes como la urea, que dejan residuo ácido, aunado a los aportes de materia orgánica, y que, por tratarse de monocultivo sin sombra, está más expuesto a mayor lavado de bases. El A-1 presentó las mayores concentraciones de materia orgánica, carbono orgánico, CIC y cationes intercambiables de Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ y K⁺, mientras que, durante la temporada de lluvias, el A-2 presentó valores más elevados en CIC, Ca²⁺ y Mg²⁺ posiblemente porque es la parcela que menos se deshierba, y en consecuencia tiene mayor cobertura vegetal y menor lavado de bases. Los valores de iones intercambiables y CIC disminuyeran en el A-1 durante la temporada de lluvias puede ser explicado por su posición en la ladera, están expuestas a lavado constante de nutrimentos por las lluvias (^{Lince y Sadeghian, 2016}; ^{Geissert, Mólgora, Negrete y Hunter, 2017}).

En cuanto a los cationes intercambiables existe la tendencia Ca²⁺>Mg²⁺>Na⁺>K⁺, por lo que se estima que las elevadas concentraciones de Ca²⁺ son atribuibles al material parental que está conformado por calizas y dolomitas. Donde mayormente se encuentran CaCO₃ y en menor proporción MgCO₃, lo que explica que el Mg²⁺ sea el segundo catión más abundante. Las concentraciones de estos cationes influyen en la biodisponibilidad del carbono que se encuentra en la materia orgánica (^{Finn et al., 2017}).

Los valores de Na⁺ y de K⁺ fueron bajos (^{Vázquez-Alarcón, 1997}), y se debe tener en cuenta que en los tres agrosistemas las mayores concentraciones correspondieron al ion Ca²⁺ en comparación con los demás cationes intercambiables; debido a que la oxidación de la materia orgánica por microorganismos quimiorganotrofos libera CO₂ es disuelto en el agua para formar ácido carbónico (H₂CO₃) el cual solubiliza los carbonatos de los que se componen las calizas (CaCO₃) (^{Madigan et al., 2015}). Las concentraciones más bajas correspondieron al ion K⁺ (Cuadro 3) y que, debido a su solubilidad, se desplaza fácilmente con las lluvias. Lo anterior repercute en que las hojas de los cultivos presenten clorosis por lo que las plantas no obtienen la cantidad suficiente de este elemento para activar enzimas responsables de la fotosíntesis (^{Römheld y Kirkby, 2010}).

Concentraciones de carbono de biomasa microbiana

Las concentraciones de CBM es muy heterogénea en los horizontes del suelo (Figura 2), esto debido a que no existe una distribución espacial específica de los microorganismos, además de tomar en cuenta que los suelos son poco profundos y de moderadamente a fuertemente ácidos, y se considera que la mayor cantidad de microorganismos está asociada a la rizosfera, lo que coincide con la mayor densidad de raíces que se presenta de 0 - 20 cm de profundidad en los cafetales (^{Gómez-González, Palma, Obrador y Ruiz, 2018}).

Figura 2: Perfiles de suelos en los agrosistemas.  

Figure 2: Soil profiles in agrosystems. 

Las mayores concentraciones de CBM se presentaron durante la temporada de secas en los tres agrosistemas siendo el agrosistema A-1 el que tuvo la mayor concentración 0.93 g kg^-1 en el horizonte Ap (Figura 3), mientras que el mismo horizonte en el A-2 fue de 0.18 y en el A-3 de 0.61 g kg^-1 (Figura 4). El hecho de que se obtuvieran ligeramente valores más bajos de CBM en la temporada de secas, se debe a que la densidad de microorganismos se reduce, son más sensibles a la frecuencia de las lluvias, que a la duración de éstas (^{Ren et al., 2018}). Cuando los suelos son ácidos dan un panorama sobre la composición de la comunidad microbiana, que tal vez esté integrada primordialmente por hongos, seguidos por actinomicetos y al último bacterias. Por ejemplo, el grupo de las taumarqueas en suelos agrícolas crecen óptimamente en valores de pH 4 - 5 (^{Madigan et al., 2015}), mientras que ^{Hermans et al. (2017)}, encontraron que mientras más neutro sea el pH, mayor es la abundancia de la comunidad microbiana hasta en 9.6% particularmente de las clases Betaproteobacteria y Deltaproteobacteria.

Figura 3: Carbono de biomasa microbiana en el sistema A-1. 

Figure 3: Microbial biomass carbon in system A-1.  

Figura 4: Carbono de biomasa microbiana en el sistema A-2. 

Figure 4: Microbial biomass carbon in system A-2.  

La mayor concentración de CBM en el agrosistema A-1, se debe a que el terreno lo deshierban con mayor frecuencia, además, la pollinaza que se aplica, contiene elevados contenidos de proteínas fibrosas, como la queratina que forma parte de las plumas de los pollos, y una gran cantidad de aminoácidos por lo que la microbiota del suelo puede solubilizar sus compuestos lentamente, para que se incorporen al suelo durante más tiempo, favoreciendo la presencia de bacilos esporulados (^{Arthanari y Dhanapalan, 2019}).

El manejo que realiza el productor es generalmente con machete y azadón, lo que queda de manifiesto, debido a que la mayor actividad microbiana se presenta a una profundidad de 0 - 10 cm en la época de secas en los horizontes Ap y AB (Figura 3), disminuyendo el CBM alrededor del 30% en el horizonte Bw (>10 cm) ya que está conformado por materiales arcillosos disminuyendo a su vez el contenido de humedad y de porosidad (Figura 3); por lo mismo, el rompimiento de su capilaridad y movimiento del suelo es mínimo por el tipo de herramientas que emplean durante las labores de cultivo. Interesante es que durante la temporada de lluvias la CBM disminuye en más de 45% su concentración en los primeros 10 cm de espesor, debido al tipo textural que provoca que sus poros se saturen por las intensas lluvias, y su drenaje sea muy lento, provocando condiciones de anoxia a nivel microbiano (Figura 3).

En el agrosistema A-2 su suelo está cubierto de herbáceas y arbustivas, por lo que los nutrientes de la composta se consideran no son absorbidos por los cultivos, sino que existe una competencia con las demás especies vegetales y con microorganismos quimioautótrofos. La CBM en este agrosistema durante la temporada de secas fue las más baja (0.18g kg^-1), al igual que su contenido de humedad y presentar una textura arcillosa (Figura 4).

En comparación con el A-3, donde se aplica fertilizante con base en la fórmula 18-6-12 el N es absorbido directamente por las plantas, aunque no en su totalidad, debido a la precipitación, condiciones de relieve y de lixiviado en los suelos de la parcela (Figura 5). Lo anterior coincide con lo reportado por ^{Abumere, Dada, Adebayo, Kutu y Togun (2019)}, quienes encontraron en el cultivo de girasol (Helianthus annuus L.) abonado con pollinaza mejoraba la calidad del suelo, en comparación con otra parcela donde se aplicó fertilizante inorgánico.

Figura 5: Carbono de biomasa microbiana en el sistema A-3. 

Figure 5: Microbial biomass carbon in system A-3.  

El CBM como indicador de salud en los agrosistemas

El agrosistema A-1 obtuvo los valores más altos (8.6) de CBM de los parámetros evaluados (Cuadro 4), seguido por el agrosistema A-2 (7.3) y por último el A-3 (5.8). En los tres agrosistemas se obtuvieron valores deseables en cuanto a estructura, compactación e infiltración y profundidad del suelo, lo cual se explica por su porosidad y presencia de arcillas que promueven la actividad microbiana, el intercambio de nutrimentos, así como por el paso de aire y agua. Además, se considera que los microorganismos segregan substancias poliméricas derivadas de la descomposición de materiales orgánicos que son necesarios para la formación de biopelículas y la formación de agregados (^{Madigan et al. 2015}; ^{Finn et al., 2017}); mientras que los agrosistemas A-2 y A-3 presentaron valores muy bajos referente al estado de los residuos que se encuentran en la superficie del suelo y considerando su color, olor y concentraciones de materia orgánica, esta fue mejor en el A-2 que el A-3, lo que coincide con los valores obtenidos de CBM, pH, MO, Corg y cationes intercambiables.

Por otra parte, las tres parcelas tuvieron valores deseables en cuanto a retención de humedad siendo mejores las correspondientes al A-1 y A-2 por la aplicación de materiales orgánicos, que a su vez repercute en el desarrollo de raíces en el agrosistemas A-1, su textura franca permite un mejor desarrollo radicular y por lo tanto, existe mayor concentración de microorganismos asociados a las raíces de las plantas, lo que explica que en este sistema se hayan obtenido las mayores concentraciones CBM; no obstante, en el caso del A-1 y A-2 podría existir competencia de los cafetales con los demás cultivos por efectos alelopáticos de los exudados radiculares (Figura 6), (^{Berroa, Cotilla y Mulén, 2013}).

Figura 6: Gráfico radial de la salud de los suelos en cada agrosistema.  

Figure 6: Radial chart of soil health in each agrosystem. 

Referente a la cobertura del suelo, el agrosistema A-2 presentó el valor más deseable, y las concentraciones más bajas de CBM, lo que puede explicarse porque esta cobertura se compone de vegetación viva que no puede ser mineralizada por la comunidad microbiana. En cuanto a la erosión del suelo, los agrosistemas A-1 y A-2 presentaron los valores más altos, y en el caso del A-3 por pendiente, posición en la ladera, fuertes lluvias y suelo descubierto, existen problemas de erosión. La actividad biológica se refiere a la presencia de mesofauna, y en los tres agrosistemas se obtuvieron valores deseables que benefician la descomposición primaria de la materia orgánica (^{Wu y Wang, 2019}). Por último, el agrosistema A-2 tuvo el promedio más bajo, el cual coincide con el hecho de que haya tenido menor CBM por lo que los residuos orgánicos se descomponen con mayor lentitud.

La calidad de los suelos en los agrosistemas es de media para el A-3, con limitaciones en el contenido de humedad, desarrollo de las raíces y principalmente sobre cobertura del suelo, donde ésta es mínima debido a que no hay aportes de materia orgánica por parte de la vegetación del lugar, para el A-2, y para el agrosistema A-1 se considera buena; sin embargo, para que alcance este estatus se podrían mejorar las propiedades del suelo (Figura 6), así como incrementar la actividad biológica y su cobertura. Por lo que es necesario que la pollinaza pase por un proceso de compostaje antes de aplicarse en las parcelas, para que los nutrimentos contenidos en las plumas y excretas queden en formas químicamente disponibles por un mayor tiempo (^{Arthanari y Dhanapalan, 2019}).

Mientras que en el A-2, se debe considerar incrementar la actividad biológica y mejorar el estado de los residuos, además de remover los restos de herbáceas y arbustivas, para que los nutrimentos de la composta puedan ser utilizados mayormente por los cultivos. En el A-3, que fue el que tuvo el promedio más bajo, es necesario aumentar la cobertura del suelo, la materia orgánica y mejorar el estado y calidad de los residuos. Se puede mejorar al incrementar la materia orgánica mediante el uso de abonos e implementar prácticas de labranza cero, y diversificar los cultivos a fin de que no se pierdan los nutrimentos, y el carbono orgánico almacenado, principalmente por escorrentía (^{Finn et al., 2017}). En los tres casos, es importante implementar estrategias de conservación como la retención de residuos orgánicos sobre el suelo, que lo protejan de los factores atmosféricos y que mantengan las condiciones microambientales adecuadas para fortalecer la actividad microbiana.