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Introducción
En México, los sistemas de producción con café de sombra reconocidos de forma cualitativa como rústicos, policultivos tradicionales, policultivos comerciales y monocultivos a sombra (Moguel y Toledo, 1999; 2004), representan 90 % de la superficie plantada y casi dos terceras partes están bajo manejo tradicional (Manson et al., 2008). El estado de Veracruz es el segundo estado productor de café del país (SIAP-SAGARPA, 2015) y la mayoría de las fincas se ubica en terrenos con pendientes fuertes (15°-35°) con riesgo de erosión hídrica y degradación de las tierras (Rosas-Arellano et al., 2008; Pérez-Portilla y Geissert-Kientz, 2006). A causa de la crisis en el sector cafetalero mexicano, muchos productores buscan intensificar el manejo de los cafetales, para mejorar los rendimientos y reducir el costo de la mano de obra. Una práctica intensiva de manejo es el uso de herbicidas para controlar las plantas arvenses, lo cual puede aumentar la erosión del suelo (Ataroff y Monasterio, 1997; Arellano, 2000). Los principales efectos de la erosión en una finca son la degradación de las propiedades hidrofísicas, químicas y biológicas del suelo, en detrimento de la producción de los cultivos, mientras que fuera de ella, están la sedimentación en ríos y embalses, el deterioro de la calidad del agua y los cambios en los patrones hidrológicos (Sidle et al., 2006).
La tasa de pérdida de suelo en cafetales es comparable con la de bosques o pastizales naturales sobre pendientes escarpadas (0.01 a 5 Mg ha-1 año-1), pero difiere de la de terrenos agrícolas (0.1 a 400 Mg ha-1 año-1) (Pimentel y Kounang, 1998). La tendencia general es 0.38-0.79 Mg ha-1 año-1 en cafetales de sombra y 0.31-1.57 Mg ha-1 año-1 en cafetales de sol (Ataroff y Monasterio, 1997; Arellano, 2000; Afandi et al., 2002 ). Aunque la pérdida de suelo en cafetales en general no rebasa 5 Mg ha-1 año-1, la diversidad de la estructura vertical de la vegetación y las variantes del manejo de la cobertura herbácea, modulan dicha tasa (Quiroz-Marín e Hincapié-Gómez, 2007; Pérez-Nieto et al., 2012). Bajo distintas coberturas a ras del suelo, las tasas de pérdida oscilan entre 0.0 y 2.7 Mg ha-1 año-1 en cafetales de sol (Afandi et al., 2003 ; Quiroz-Marín e Hincapié-Gómez, 2007) y entre 0.42 y 2.02 Mg ha-1 año-1 en cafetales de sombra (Arellano, 2000; Pérez-Nieto et al., 2005), aunque en los primeros la ausencia de cobertura herbácea puede ocasionar una erosión de hasta 22 Mg ha-1 año-1 (Afandi et al., 2002 ).
Las cifras anteriores, obtenidas de mediciones en parcelas de escurrimiento equipadas con colectores, varían en periodos de medición, tamaño de parcela, número de repeticiones y tipos de manejo, lo cual dificulta la comparación de resultados sobre el efecto de la cobertura vegetal en el control de la erosión. Según Boix-Fayos et al. (2006), el agotamiento a largo plazo del material disponible para ser erosionado en parcelas cerradas, los procesos erosivos actuando a diferentes escalas espaciales y temporales, la heterogeneidad, continuidad y conectividad de los factores detonantes, y los diferentes métodos de medición en campo, son también fuentes de variación de los resultados. De los dos grupos de métodos (de Ploey y Gabriels, 1980; Hudson et al., 1993), los volumétricos usan estacas y perfiladores para medir la erosión de forma indirecta, como consecuencia del rebajamiento microtopográfico y la sedimentación, y sus principales ventajas son proporcionar mediciones con un error mínimo, perturbar poco el terreno, ser fáciles de usar en un diseño experimental con réplicas, y poco onerosos. En contraste, los métodos dinámicos que miden de forma directa los procesos de escorrentía en parcelas de escurrimiento o microcuencas dotadas de un sistema de tanques colectores y divisores, causan más perturbación del terreno y requieren instalaciones onerosas (Marín y Desir, 2003).
El manejo de la cobertura a ras del suelo en un cafetal de sombra reduce la erosión de 19-185 Mg ha-1 año-1 a 0.0-3.4 Mg ha-1 año-1 (Sidle et al., 2006). En consecuencia, es razonable pensar que el chapeo de las arvenses (corte manual con machete) pudiera prevenir la erosión y así contribuir a una mayor sustentabilidad del cultivo, lo cual a largo plazo reduciría los costos de mantenimiento del cafetal. En el estado de Veracruz, sin embargo, cada vez más productores eliminan las arvenses con herbicidas para disminuir el costo de jornales para el chapeo, sin conocer las consecuencias de esta práctica sobre la erosión del suelo y la productividad de la finca. Hasta ahora no hay un entendimiento suficiente del efecto de la cobertura de los distintos estratos vegetales de una finca sobre la erosión del suelo. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue primero medir la tasas de erosión y analizar su relación con las coberturas arbórea, arbustiva, herbácea y de hojarasca, y segundo, cuantificar el efecto del chapeo tradicional sobre la erosión en comparación con el uso de herbicida. La hipótesis fue que las coberturas arbórea y herbácea reducirán la tasa de erosión, y que el manejo del estrato herbáceo con herbicida generará más erosión que con el chapeo.
Materiales y métodos
Área de estudio
El estudio se realizó en cuatro fincas de la región de Huatusco, estado de Veracruz, entre mayo de 2012 y abril de 2013 (Figura 1). Para reducir la variabilidad ambiental, dichas fincas se seleccionaron por la similitud en estructura y manejo, en policultivos diversificados o simples (Hernández-Martínez et al., 2009), grado de erodabilidad del suelo (factor K), precipitación anual, y longitud y el grado de la pendiente (Factor LS) (Cuadro 1).
Figura 1 Localización en el centro del estado de Veracruz de las fincas estudiadas. ■ finca; ○ estación meteorológica; EMH: estación meteorológica HUCH Huatusco.
Los datos utilizados para caracterizar el suelo y calcular la erodabilidad (según Römkens et al., 1997), se obtuvieron de dos muestreos de superficie (0-20 cm) realizados en la misma finca en octubre y noviembre de 2011, cercanos a las parcelas de medición de cada finca. El clima es de tipo (A)C(m), semicálido húmedo con abundantes lluvias en verano (Soto y García, 1989) y el suelo dominante es Acrisol ándico (Geissert e Ibañez, 2008). Los datos de precipitación diaria e histórica del período de estudio se obtuvieron de la estación meteorológica HUCH Huatusco (19° 10’ 29.2” N, 96° 57’ 44.8” O y 1426 m de altitud) (Figura 1), a cargo de INIFAP-SAGARPA ( http://clima.inifap.gob.mx/redinifap/est.aspx?est=35873). La precipitación total anual en cada finca se estimó a partir de la interpolación espacial en ArcGis 10.1 de las nueve estaciones meteorológicas más cercanas (Amatitla, El Coyol, Coscomatepec, Elotepec, Tenampa, Ixhuatlán del Café, Totutla, Centro Regional Huatusco y Santa María Tatetla) de la misma red de monitoreo.
Diseño experimental y tratamientos
En cada finca se delimitaron tres bloques de tres parcelas cada uno, rectangulares de 8×4 m (lado más largo paralelo a la pendiente), en las cuales se asignaron al azar los tratamientos chapeo, herbicida y testigo (Figura 2).
Figura 2 Diseño experimental de bloques y parcelas en finca. Tratamientos: T=testigo, H=herbicida, CH=chapeo. Los puntos negros en cada parcela representan las estacas de medición de la erosión.
El chapeo consistió en el corte de la hierba con machete, a 10 cm de altura y se realizó en mayo, julio y octubre de 2012. El herbicida se aplicó una vez, en julio, con un aspersor manual de espalda, de la misma manera en las cuatro fincas; se utilizó glifosato en gránulos marca Rival (74.7 % glifosato), disueltos 100 g en 30 L de agua, resultando en una dosis de 521 L ha-1. El control consistió en el corte de hierba con desbrozadora o machete a 5 cm del suelo, conforme a la práctica actual del productor de cada finca.
Medición de pérdida de suelo
Para esta medición se usaron estacas de 30 cm de largo y 0.5 cm de diámetro, metálicas y tratadas con pintura anti-corrosiva. A los 8 cm de su borde superior se soldó una rondana. En cada parcela se clavaron siete estacas hasta que la rondana quedara al nivel del suelo, distribuidas para abarcar la cobertura herbácea, de hojarasca y el suelo desnudo. Las estacas se instalaron a principios de mayo del 2012 y se retiraron a finales de abril del 2013. La distancia entre la superficie del suelo y la rondana se midió con un vernier digital del lado pendiente abajo de la estaca, con una precisión de ±0.2 mm. En abril del 2013 se realizó en cada finca un total de 63 registros de erosión, de los cuales 21 en cada tratamiento. La erosión media por parcela (E) se expresó en números negativos (pérdida de suelo) y la sedimentación media (S) en números positivos (acumulación de suelo). La erosión neta (EN) se refiere a la diferencia entre la erosión y la sedimentación, expresada en mm o en Mg ha-1 y se calculó por parcela como EN=E+S, fórmula equivalente a la de Pizarro y Cuitiño (2002) cuando se utilizan valores negativos de E, con las igualdades siguientes:
La conversión en unidades de pérdida de suelo (Mg ha-1) se hizo con la densidad aparente (DA):
En cada parcela se determinó el grado de cobertura a ras del suelo (herbácea, hojarasca o suelo desnudo) con un estimador visual de porcentajes (Folk, 1951), en marzo de 2013. La cobertura arbórea se estimó en su apogeo en julio de 2012, con un densiómetro esférico cóncavo, a una altura de 1.20 m del suelo. Para la cobertura arbustiva se calculó la densidad de cafetos por parcela (Núm. plantas por cada 32 m2).
Análisis de la relación entre coberturas vegetales y erosión
La influencia de los tipos de cobertura vegetal y de los tratamientos (chapeo, herbicida, y testigo) sobre la erosión neta se determinó mediante el ajuste de un modelo lineal mixto por máxima verosimilitud. Las variables fijas del modelo incluyeron a los tratamientos, las coberturas de hierba (%), hojarasca (%), suelo desnudo (%) registradas en marzo del 2013 (fecha en la cual se obtuvo el mayor contraste entre los tratamientos con herbicida, chapeo y testigo), la densidad de cafetos por parcela y la cobertura de dosel arbóreo. Los factores de efecto aleatorio correspondieron a los bloques de parcelas anidados en finca.
La estructura espacial del diseño de muestreo no nos permitió realizar un ANDEVA simple, ya que cada observación no contribuyó con un grado de libertad completo y se incluyeron factores aleatorios en el análisis. Para encontrar el modelo mínimo adecuado se realizó un proceso de simplificación (Stepwise), haciendo comparaciones entre los modelos que incluían y excluían progresivamente las diferentes variables fijas y sus interacciones de segundo orden (Crawley, 2007). Esto se hizo para optimizar la selección de las variables más explicativas y ortogonales, y para evitar redundancia en el modelo final (Crawley, 2007). Para comparar los modelos anidados en el proceso de simplificación se usó el criterio de parsimonia mediante la comparación del Coeficiente de Información Akaike (CIA), para lo cual se calculó la diferencia de cada CIA (ΔCIA) respecto al del modelo máximo. El modelo seleccionado fue el de menor número de variables explicativas y un ΔCIA menor o igual a seis respecto al modelo con el ΔCIA más grande (Cayuela, 2012; Richards, 2015). El análisis de datos se hizo con el lenguaje y entorno estadístico R (R Studio 0.98.994, R Development Core Team, https://www.r-project.org).
Resultados y Discusión
Tasas de erosión
El año de estudio fue lluvioso (2392 mm), con 22.2 % más precipitación que la media histórica en Huatusco (1938 mm) (Figura 3). La precipitación total observada se repartió en 209 días. La mayor cantidad precipitada se concentró entre junio y agosto, cuando ocurrieron 13 días con lluvia de más de 50 mm. Al aplicar los intervalos de precipitación y de erosividad de Pérez-Nieto et al. (2005) a los registros de la estación de Huatusco, se detectaron 51 días con más de 12.7 mm de lluvia (24.4 % del total) que tuvieron un efecto erosivo, entre junio y octubre.
Figura 3 Precipitación mensual registrada en la estación meteorológica HUCH Huatusco del INIFAP, ubicada en el municipio de Huatusco, Veracruz.
La erosión neta promedio en las parcelas testigo fue -3.5 mm año-1, equivalente a una pérdida de suelo de -33.5 Mg ha-1 año-1. La variabilidad alta (error estándar ±38.6 Mg ha-1 año-1) (Cuadro 2) corrobora que la erosión tiene múltiples causas relacionadas con la complejidad de las interacciones entre variables (Boix-Fayos et al., 2006). La escorrentía responsable de la erosión fue en su mayoría de tipo laminar y ocasionalmente en forma de surcos.
Cuadro 2 Erosión neta (negativo) y sedimentación neta (positivo) por finca y por tratamiento, con su respectivo error estándar.
De las fincas con erosión neta, HU03 presentó la tasa menor, a pesar de un mayor grado de erodabilidad del suelo que en las otras (Cuadro 1). En la finca HU16 la tasa de erosión fue la más alta, lo cual puede relacionarse con una pendiente más fuerte. En HU08 hubo sedimentación neta, producto del tránsito de partículas y agregados del suelo, y su acumulación dentro de las parcelas. Estudios previos en cafetales de sombra no señalaron una sedimentación neta porque las mediciones se hicieron en parcelas de escurrimiento, de las cuales se obtuvo un valor global de pérdida de suelo, sin posibilidad de cuantificar sus manifestaciones dentro de las parcelas. La finca HU07 tuvo una tasa de erosión alta y parecida a HU16, en condiciones similares de precipitación y de erodabilidad, a pesar de una pendiente de menor inclinación.
Las tasas de erosión en las fincas HU07 y HU16 rebasaron el límite máximo de tolerancia de 12.5 Mg ha-1 año-1 establecido por el US Soil Conservation Service (Soil Survey Division Staff, 1993) para suelos profundos y menos susceptibles a la erosión. Sin embargo, es preferible fijar los límites de tolerancia sobre la base de la producción sustentable de cultivos, que tome en cuenta la conservación de la materia orgánica y de los nutrientes (Young, 1989). En este sentido y de acuerdo con los grados de erosión en sistemas de producción de café de sol y sombra establecidos por el Centro Nacional de Investigaciones de Café (Cenicafé) de Colombia (Gómez-Aristizábal y Rivera-Posada, 1993), las fincas HU07 y HU16 rebasaron el límite máximo de tolerancia de 3 Mg ha-1 año-1 y la erosión fue muy severa (>30 Mg ha-1 año-1). Al contrario, el grado de erosión fue bajo (1.0-3.0 Mg ha-1 año-1) en HU03 y natural (<1.0 Mg ha-1 año-1) en HU08. Estos resultados muestran que en cafetales de sombra la pérdida de suelo por erosión no siempre es inferior a 5 Mg ha-1 año-1, como lo indicaron Ataroff y Monasterio (1997), Arellano (2000) y Pérez-Nieto et al. (2005). Los valores altos en HU07 y HU16 pueden estar sobrestimados al tomar la medición en la parte pendiente abajo de la estaca, ya que el escurrimiento del agua a lo largo de la estaca y la consecuente turbulencia en su base, incrementan en este punto la escorrentía, aun en estacas de 5 mm de grosor. Sin embargo, tomar la medición pendiente abajo de la estaca es un procedimiento que simula adecuadamente el proceso de erosión que ocurre en fincas sobre terrenos inclinados, el cual se inicia a menudo en la base de los troncos de los cafetos, según observaciones propias. La posible sobrestimación de la erosión con la técnica de las estacas respecto a las mediciones con colectores de sedimentos es un problema metodológico aun no resuelto (Marín y Desir, 2003).
Efectos de las coberturas vegetales y de su manejo sobre la erosión
El modelo lineal mixto reveló que de las coberturas a ras del suelo (hierba, hojarasca, suelo desnudo), sólo la herbácea tuvo un efecto sobre la tasa de erosión. La segunda variable fija explicativa de la erosión fue la cobertura arbórea (% dosel). El modelo final respecto a los factores fijos fue:
Erosión neta
El Coeficiente de Información de Akaike fue 236.68, con un ΔCIA de 3.57, respecto al modelo con menor CIA y de -17.84 respecto al CIA máximo (Cuadro 3). La varianza estimada de los factores aleatorios fue 1.592 (con IC95% 0.32-0.82) y la residual 2.52 (con IC95% 3.04-5.28).
Cuadro 3 Modelos mixtos que explican la erosión y que en el proceso de simplificación de modelos tuvieron un ΔCIA (diferencia con el CIA mínimo) menor o igual a 6.
† Solamente se mencionan las variables fijas de los modelos contrastados: Tratamiento (Tr), cobertura de hierba (Ch), hojarasca (H), suelo desnudo (Sd) y densidad de cafetos (Dc) de marzo de 2013, cobertura de dosel (Cd) de julio de 2012. Los factores aleatorios se mantuvieron constantes y fueron Finca anidada en Bloque. ¶Modelo elegido por su mejor poder explicativo porque tiene el menor número de variables fijas dentro del grupo de modelos con un ΔCIA menor a 6. §Modelo que durante el proceso de simplificación de modelos tuvo el CIA mínimo.
El modelo estimó una erosión promedio en las parcelas de estudio de 19.56 mm (IC95% 1.5-37.7 mm); a mayor cobertura de hierba hubo menor erosión y en algunos casos, incluso sedimentación (Figura 4), aunque la cobertura herbácea fue poco explicativa (pendiente 0.06; con IC95% -0.01-0.12). La cobertura de dosel tuvo una influencia mayor pero opuesta a la cobertura herbácea (Figura 5); a mayor cobertura de dosel hubo mayor erosión (pendiente de -2.28; con IC95% -0.28-0.49), debido en parte al incremento del efecto erosivo por la lluvia que se escurre sobre las hojas de los árboles (Nanko et al., 2004) y por la disminución de la cobertura de hierbas intolerantes a la sombra.
Figura 4 Efecto de la cobertura de hierba sobre la erosión neta. La línea contínua indica los valores estimados a partir del modelo lineal mixto. Cada punto representa la erosión neta media (en negativo) de siete estacas por parcela.
Figura 5 Efecto de la sombra sobre la erosión neta. La línea contínua indica los valores estimados a partir del modelo lineal mixto. Cada punto representa la erosión neta media (en negativo) de siete estacas por parcela.
El efecto combinado de las coberturas arbórea, arbustiva, herbácea y de hojarasca sobre la variación de la pérdida de suelo es complejo. En una finca de café bajo sombra del centro-norte del estado de Veracruz, Pérez-Nieto et al. (2012) determinaron que sólo las coberturas arbustiva y de hojarasca tuvieron efecto reductor de la pérdida del suelo. Su análisis se hizo por tipo de cobertura individual y la pérdida de suelo se midió en microcuencas sin réplicas, con un muestreador de escurrimiento superficial. Sus resultados difieren del modelo de erosión obtenido en nuestro estudio, el cual mostró que sólo el efecto combinado de las coberturas arbórea y herbácea influyó en la erosión. Dicho modelo indica que una cobertura de dosel arbóreo ≤60 % no ocasionaría erosión aún en ausencia de un estrato herbáceo. En tal caso, controlar las arvenses con chapeo o eliminarla con herbicida, no tendría efecto en la generación de la erosión. Además, dada una cobertura de dosel de 80 %, un aumento de 40 % a 50 % de la cobertura de hierba reduciría la erosión cuatro veces (de 0.76 mm año-1 a 0.18 mm año-1) y cuando esta última es ≥60 %, ya no se produciría erosión. En estos dos escenarios, convendría mantener o aumentar la cobertura de hierba.
El análisis lineal mixto no detectó diferencias estadísticas significativas entre los valores de la erosión neta y los tratamientos de herbicida, chapeo y testigo, por lo cual fue innecesario realizar más pruebas de medias, ya que este factor no contribuyó en la explicación de la variabilidad de la erosión neta. En particular, el tratamiento con herbicida no tuvo un efecto concluyente sobre la erosión neta al cabo de un año de mediciones. Después de la aplicación en julio, la hierba se secó en una semana, y en septiembre seguía desprendida en forma de rastrojo. En diciembre comenzó a expandirse de nuevo y en marzo de 2013, poco antes de retirar las estacas, las coberturas fueron en promedio 18 % en las parcelas tratadas con herbicida, 45 % en el chapeo y 42 % en el testigo. Al final del año de mediciones y comparado con el testigo, la aplicación de herbicida solo produjo un incremento de la erosión neta en las parcelas de HU08 (de 2.5 mm a -5.3 mm). En las otras fincas hubo una disminución (HU07 y HU16) e incluso, sedimentación (HU03) (Cuadro 2). En esta última, el desplazamiento de las partículas y agregados por acción de la escorrentía, pudo ser frenada por la parte aérea muerta de las arvenses esparcida en la superficie de la parcela, favoreciendo así la sedimentación. Estas conclusiones son similares a las reportadas por Carvalho et al. (2007) para cafetales al sol con diferentes tratamientos de la cobertura herbácea. Los sitios tratados con herbicida tuvieron valores de erosión intermedios entre los de otros manejos de la cobertura herbácea y del suelo desnudo, debido al efecto protector del rastrojo en la superficie del suelo. En un cafetal de sombra de Costa Rica, se necesitaron nueve aplicaciones de glifosato (Roundup 35,6L) en dos años, para que la pérdida de suelo alcanzara 0.33 Mg ha-1 año-1 (Gómez, 2005), por lo cual repetidas aplicaciones durante el año también podrían aumentar las tasas de erosión en las fincas de Veracruz más allá que las reportadas acá.
Los resultados obtenidos en nuestro estudio sólo son válidos para las condiciones ambientales y de manejo de las fincas estudiadas: precipitación anual entre 1750 y 1850 mm, factor K de erodabilidad del suelo entre 0.05 y 0.10, factor LS de pendiente entre 9.04 y 11.41, cobertura de dosel >60 %, densidad de cafetos entre 1900 y 3300 ha-1 y cobertura de hojarasca ≥90 %. Aun así, el estudio contribuyó al conocimiento de la erosión en cafetales de sombra multi-estratificada, al mostrar que varía en el espacio debido a los procesos erosivos y de sedimentación, y a la influencia del manejo de la cubierta vegetal a ras del suelo. Sin embargo, para mejorar el entendimiento de las causas y magnitud de la erosión con la técnica de las estacas, se requeriría ampliar la investigación a un período de tres a cinco años, ya que la erosión del suelo varía también en el tiempo (Afandi et al., 2002 ; Verbist et al., 2010), y además incluir un número mayor de fincas y parcelas para abarcar una amplia variación ambiental, porque la sensibilidad litológica y edáfica de un sitio a la erosión es aún más importante que la edad del cafetal o la presencia de árboles de sombra (Verbist et al., 2010). También es necesario tomar en cuenta que medir la erosión del suelo con estacas es un procedimiento recomendado a escala de parcela cuando dominan procesos laminares y de escorrentía difusa, pero su utilidad se reduce cuando se manifiestan proceso de erosión en surcos o cuando se quiere extrapolar las mediciones a escala de cuenca donde ocurren procesos de erosión en cárcavas y deslizamientos de tierra. En todos los casos, el manejo de la cubierta vegetal es el medio más simple para controlar la erosión en cafetales de sombra sobre pendientes, por lo cual es recomendable incorporar el manejo integral de arvenses (Quiroz-Marín e Hincapie-Gómez, 2007) y la selección de especies arbóreas, arbustivas y herbáceas (Sidle et al., 2006).
Conclusiones
Este estudio sobre la erosión del suelo, medida en parcelas de café de sombra con la técnica de estacas, mostró que solo las coberturas herbácea y arbórea explicaron la variación de la erosión neta, de acuerdo con el modelo lineal mixto. El efecto combinado de ambas coberturas redujo la tasa de erosión al aumentar la herbácea y disminuir la arbórea. Las coberturas arbustiva y de hojarasca no tuvieron un efecto significativo. La erosión neta promedio en la parcela testigo, con corte manual tradicional de arvenses, fue superior a la esperada en este tipo de agroecosistema. La aplicación de herbicida produjo un incremento de la erosión en una finca, pero no se pudo concluir que su efecto, al igual que el del chapeo, genere más erosión que el testigo. Además, los procesos de erosión y de sedimentación son comunes en cafetales de sombra.
