Introducción

La agricultura convencional que practica el agricultor del Altiplano semiárido del Centro-Norte de México, basada en las labores de barbecho y rastreo de la tierra para voltear la capa arable, es la principal responsable de la degradación del suelo. Este sistema iniciado hace más de medio siglo, hoy en día se demuestra como insostenible, al constituir un modelo emisor de gases de efecto invernadero (GEI) y no contribuir a la conservación y mejora de los recursos naturales (aire, suelo y agua) (^{Cotler et al., 2016}).

Una de las consecuencias del sistema de laboreo intensivo en relación al cambio climático, es la reducción del secuestro de carbono (efecto sumidero) del suelo, cuyo resultado directo es la disminución del contenido de carbono orgánico del suelo (COS), principal componente de la materia orgánica del suelo (MOS), por ello el COS es un indicador de calidad del suelo, sostenibilidad agronómica y de resiliencia ambiental (^{Lal, 2003}; ^{Osuna-Ceja et al., 2006}; ^{Carvalho-dos Santos et al., 2012}; ^{Van der Wal y de Boer, 2017}).

Por su parte, ^{Reicosky (2011}) sustenta que la agricultura intensiva ha ayudado a la pérdida entre 30% y 50% de COS en las últimas dos décadas del siglo pasado y continúa hasta estos días. Además, menciona que, las labores de labranza de los sistemas convencionales tienen un efecto negativo sobre el suelo en varios aspectos: principalmente promueve la pérdida de MOS la cual, se pierde entre 20 y 30% en solo dos años de cultivo intensivo.

La calidad de los suelos puede ser comprendida como ‘el atributo del suelo para sostener el desarrollo de un cultivo sin causar degradación de tierras o deterioro ambiental’ (^{Bone et al., 2010}; ^{Cotler et al., 2016}) o bien interpretarse como un vínculo entre la estrategia de conservación, las prácticas de manejo y el alcance de los principales objetivos de la agricultura sostenible (^{Udawatta et al., 2009}; ^{FAO, 2017}). La calidad edáfica la compone el estado de sus propiedades inherentes y dinámicas como el contenido de MOS, que está relacionada con funciones sobre el comportamiento físico, químico y biológico del suelo, repercutiendo en su fertilidad y productividad, diversidad de organismos o productos microbianos en un tiempo determinado (^{Bautista et al., 2004}).

La eficacia y calidad de la MOS que se incorpore al suelo afecta, en consecuencia, la calidad edáfica, misma que será función de la tasa con que ésta pasa a formar parte del COS (^{Cloter et al., 2016}). El COS es el componente principal de la MOS. Como indicador de la salud del suelo, el COS es importante por sus contribuciones a la producción de alimentos, la mitigación y adaptación al cambio climático y el logro de los objetivos de desarrollo sostenible y resiliente (^{FAO, 2017}). También, el COS mejora la estabilidad estructural del suelo al promover la formación y estabilización de agregados que, junto con la porosidad, aseguran suficiente aireación e infiltración del agua para un mejor crecimiento de la planta (^{De León-González et al., 2000}).

Asimismo, la presencia del carbono en el suelo conlleva a una mayor resistencia de agregados ante el impacto de fuerzas externas (lluvia o riego, labranza, etc.), al mejorar la capacidad de retención del agua en el suelo, incrementar el contenido de la biomasa microbiana y el reciclaje de nutrientes (^{Osuna-Ceja et al., 2006}; ^{Sandoval-Estrada et al., 2008}). Sin embargo, la dinámica de los depósitos de carbono y su calidad es altamente influenciable ante cualquier cambio en las prácticas de manejo agronómico (^{Bernoux et al., 2006}; ^{Docampo, 2010}), sobre todo aquellas que involucran la exposición y destrucción de los agregados del suelo.

En ese contexto, a lo largo de los últimos cincuenta años, existe una gran discusión sobre los impactos que el uso del arado y la rastra tienen sobre la calidad de los suelos (^{Lal, 2007}). La inversión del suelo, la destrucción de los agregados por los implementos agrícolas, desprotege y expone a la intemperie a la MOS que está ocluida en pequeños agregados (^{Alonso y Aguirre, 2011}), la cual puede oxidarse como dióxido de carbono (CO₂) (^{Bedard-Haughn et al., 2006}); mientras que cuando los residuos de cosecha se dejan en la superficie del suelo, su incorporación se realiza mediante la actividad de la fauna del suelo (lombrices de tierra y otros organismos), sin destrucción de los agregados, donde la MOS puede permanecer inmovilizada (^{Dendooven et al., 2012}; ^{Cloter et al., 2016}).

En México, los cultivos esquilmáticos como el maíz, sorgo, trigo y cebada que cubren más de 55% de las tierras de riego y temporal (^{SIAP-SADER, 2019}) están sujetos, en su mayoría, a una labranza convencional. En este sistema los suelos permanecen descubiertos la mayor parte del año después de la cosecha, ya que los esquilmos (residuos de hojas y tallos que quedan sobre el terreno después de cosechar el grano o semilla) son retirados del terreno para ser utilizados como alimento del ganado (^{Fuentes et al., 2001}; ^{Villegas et al., 2001}), como pastoreo directo o bien son quemados (^{Cotler et al., 2016}); sobre todo en la región Centro-Norte del país (^{Martínez y Osuna, 2017}).

La pérdida de la MOS conlleva a una disminución de fertilidad, a la reducción de la capacidad de retención de humedad y a la pérdida de productividad, lo cual repercute en la necesidad de incrementar la aplicación de fertilizantes para sostener los rendimientos (^{Alonso y Aguirre, 2011}). Uno de los mayores problemas que enfrentan los agricultores al labrar el suelo es la progresiva pérdida de MOS (^{Cotler et al., 2016}).

El objetivo de este estudio fue evaluar la capacidad de AC como medio para recuperar y conservar la calidad de los suelos agrícolas ante el cambio climático y con ello promover el incremento de los rendimientos, la disminución de los procesos de erosión y la mitigación de GEI, después de 25 años de manejo con AC comparado con el sistema de Agricultura convencional.

Materiales y métodos

El ensayo se realizó en el Campo Experimental San Luis, que se ubica en las coordenadas geográficas 22° 13’ 45.8’’ latitud norte y 100° 51’ 01.5’’ longitud oeste a una altitud de1 838 m. La precipitación y temperatura media anual es de 210 mm y 16.2 °C. El suelo de la unidad experimental es de tipo Pheozems, de textura franco arcillo-arenosa, con pH alcalino de 8.1, con 1.4% MO y CE de 0.81 dS m^-1 con fuertes problemas de compactación en todo el perfil. El agua para riego registró una CE de 0.29 dS m^-1 y RAS de 1.26, baja en salinidad y sodicidad (^{Sarabia et al., 2011}).

Desde 1995 se conduce un experimento de largo plazo (25 años) bajo condiciones de riego, donde se compararon dos sistemas de manejo de suelo: 1) labranza convencional barbecho más rastra (Br +Ra); y 2) labranza cero más 33% de cobertura del suelo con residuos de cosecha (LC+33% C), donde se realizan prácticas de rotación de cultivos de gramíneas de primavera-verano (PV) y otoño-invierno (OI) para la producción de grano y forraje. Cada unidad experimental tuvo 240 m² y se usaron dos repeticiones (^{Martínez y Osuna, 2017}).

La rotación de cultivos fue maíz (Zea mays L.) PV y triticale (Triticum aestivum L.) OI. Para maíz la densidad de población establecida fue 70 000 plantas ha^-1y las dosis de fertilización fueron 200 kg ha^-1 N, 100 kg ha^-1 P₂O₅ y 00 kg ha^-1 K₂O. Para triticale se usó 80 kg ha^-1 de semilla y la fertilización fue de 90 kg ha^-1 N, 40 kg ha^-1 P₂O₅ y 00 kg ha^-1 K₂O en este caso. En relación con el control de malezas en el caso de maíz con LC + 33% C en todos los ciclos de cultivo, se hizo una aplicación de herbicida pre-emergente atrazina a 0.75 kg ia. ha^-1 después de la siembra mientras que en el sistema convencional Br + Ra se realizaron dos escardas mecánicas a los 21y 35 dds. El control de plagas se realizó mediante una aplicación de insecticida Spinetoram en dosis de 0.75 ml ia. ha^-1 para el control del gusano cogollero.

Resultados y discusión

Se detectó significancia estadística entre los dos sistemas de manejo de suelo (ɑ= 0.05) en el contenido de COS, (_b, DPM _a y K _s (Cuadro 1). Los resultados del análisis estadístico indicaron que, con excepción de la (_b, las demás variables presentaron valores significativamente mayores en labranza cero con 33% de cobertura, como consecuencia de una acumulación mayor de materia orgánica en el tratamiento LC + 33% C (MOS= 5.4%) comparado con el tratamiento Br + Ra (MOS= 1.7%) en los 0-10 cm del suelo. Esto indica que los rastrojos tienden a favorecer la calidad edáfica cuando permanecen sobre el suelo, lo cual se reflejó en un aumento del COS, en dicha profundidad (Cuadro 1).

Al contrario, el tratamiento sin residuos (Br +Ra) tuvo un nivel significativamente menor (p= 0.05) de COS que el tratamiento con ciclaje de residuos (LC +33% C), lo que sugiere el alto grado de deterioro de este sistema convencional. Este aumento significativo de COS en la capa superficial del suelo deja entrever la importancia del ciclaje de residuos como una práctica sostenible y resiliente en el tiempo, que además reduce las emisiones del CO₂ a la atmosfera y mitiga los procesos de cambio climático, lo cual coincide con algunos autores como ^{Bronick y Lal (2005)}.

El valor medio de DPM _a en la labranza convencional mostró un valor bajo, lo cual indica una estabilidad estructural débil. No obstante, la labranza cero con residuo presentó un valor medio significativamente (p= 0.05) mayor de DPM _a respecto al tratamiento Br + Ra dentro de los primeros 10 cm de profundidad. Esto denota una mayor proporción de macroagregados debido al efecto de la MOS en el incremento de la estabilidad estructural (^{Sandoval-Estrada et al., 2008}). Lo anterior mejoró la infiltración del agua (^{Sánchez et al., 2008}), reduce la erosión del suelo (^{Cadena et al., 2012}) y disminuye la compactación (^{López et al., 2018}).

La comparación de valores de conductividad hidráulica saturada (K_s) entre ambos sistemas de manejo de suelo, muestra que LC +33% C, presentó significativamente mayor (p≤ 0.05) tasa de infiltración en relación con Br + Ra. Esto se debió en gran parte al aumento de COS en los primeros centímetros del suelo producto del aporte de rastrojos, lo cual corrobora la bondad del sistema LC +33% C en la creación de poros grandes, estables y continuos en el perfil del suelo.

Esta contradicción con el hecho de contarse con tamaños de poros más pequeños dentro de los agregados en los suelos con labranza de conservación refleja la importancia de la descomposición de las raíces y la acción de la fauna del suelo en la producción de poros continuos y estables (^{Rachman et al., 2003}).

Rendimiento de maíz y triticale

Los rendimientos de grano de maíz (RGM) y materia seca de triticale (RMST) en rotación para el ciclo primavera-verano y otoño-invierno 2020, se muestran en la Figura 1. El análisis estadístico para RGM y RMST de ambos cultivos, reportó diferencia entre medias de tratamientos (p= 0.05), favorable al tratamiento de labranza cero con residuos. Estas diferencias se atribuyen a la mejora de los indicadores de la calidad del suelo ((_b, DPM_a y K_s) así como con el mayor nivel de COS alcanzado y su relación con los cambios de estructura del suelo a largo plazo (^{Sandoval-Estrada et al., 2008}).

Figura 1 Rendimiento medio de grano de maíz (RGM) y materia seca de triticale (RMST) bajo dos sistemas de manejo de suelo. Promedios con letra distinta en la columna son estadísticamente diferentes según Tukey (0.05). Las barras significan error estándar de la media n= 4. 

Lo anterior es una manera de hacer evidente que la agricultura de conservación (AC) es una alternativa de producción, que incrementa la sostenibilidad, a través de establecer un grado de resiliencia (capacidad de retornar a su condición original al suelo después de un disturbio) y está asociada con el potencial de reducir la emisión de gases de efecto invernadero (^{Lal, 2003}).

Con la AC, el COS se incrementa de manera significativa. En la región del Altiplano semiárido del Centro-Norte de México este incremento puede alcanzar 1.6 veces más COS en los primeros 10 cm, comparado con el sistema convencional después de 25 años o una tasa de incremento de COS de 0.58 Mg ha^-1 año^-1 (^{Follett et al., 2005}). En esta investigación, el COS en AC fue 2.6 veces más que en el manejo convencional, que representa una tasa promedio de 0.95 Mg ha^-1 año^-1 en los 25 años del estudio.

Este aumento está directamente correlacionado con la acumulación en la superficie de los residuos de cosecha que al disminuir su contacto con los microorganismos del suelo provocó una descomposición más lenta de la MOS (^{Salinas-García et al., 2002}), por lo que se aumenta la cantidad de COS secuestrado (^{Follet et al., 2005}). El aumento de COS es evidente en los primeros centímetros de suelo (^{Fuentes et al., 2010}) y logra alcanzar el doble de COS en los primeros diez centímetros, comparado con la labranza convencional, lo cual favorece la formación y estabilización de agregados (^{Castellanos-Navarrete et al., 2012}).

Esta investigación de largo plazo mostró resultados significativos después de 25 años y demuestra como la AC recupera y mantiene la potencialidad del suelo e influye al mismo tiempo en la cantidad de COS que este puede almacenar. En el mismo sentido este sistema propone una condición sostenible de la tierra que establece, la reconstrucción de las reservas de carbono en el suelo en función de las tasas de acumulación de residuos vegetales o biomasa sobre el suelo y la disminución de CO₂ atmosférico y la desaceleración del calentamiento global (^{Caviglia et al., 2016}; ^{Cotler et al., 2016}).

La adopción de una AC con una gestión sostenible de la tierra para aumentar el COS y reducir la emisión de CO₂, sería una alternativa resiliente para complementar los esfuerzos de los grandes retos ambientales: cambio climático, degradación de tierras y pérdida de diversidad biológica. Desde otro punto de vista, se señala que la captura de carbono es una responsabilidad para ofrecer alternativas saludables y nuevos beneficios a los agricultores en las zonas áridas y semiáridas de México.

El incremento de la MOS que está enlazada con múltiples funciones básicas del suelo y significa una mitigación de los GEI y del calentamiento global. Todo lo anterior resulta, porque la MOS causa una ‘serie de condiciones o funciones’ que están relacionadas con las propiedades del suelo, el efecto amortiguador, la capacidad de resiliencia y la sustentabilidad (^{Burbano-Orjuela, 2018}).

Lo anterior implica que el desarrollo de una AC en la que se toma en cuenta el contenido de carbono presente en la MOS (^{Burbano-Orjuela, 2018}). Al retener una mayor cantidad de COS, la AC tiene el potencial de reducir la emisión de CO₂. Bajo este criterio se estima que la conversión de 2.5 millones de hectáreas de cultivos bajo labranza convencional en la región árida y semiárida del Centro-Norte de México hacia AC podría permitir el secuestro neto de 58 g cm^-2 año^-1 (^{Dendooven et al., 2012}).

Si bien esta investigación mostró los diversos beneficios ecológicos, económicos y ambientales de la AC, también es importante reconocer ciertas limitaciones que indican que esta tecnología requiere condiciones específicas (manejo de residuos en la superficie) para cada situación a fin de alcanzar un uso del suelo sostenible bajo este sistema. Esta condición puede limitar que el agricultor adopte esta tecnología en algunas regiones, sobre todo en el semiárido del Centro-Norte de México, debido a que usa los residuos del cultivo como forraje para la alimentación del ganado (^{CENAPROS, 2001}). Si esta situación se presenta, el productor puede disponer de la mitad del residuo y dejar la otra mitad sobre el terreno, ya que la adopción de la AC requiere una conversión progresiva de todo el sistema de producción (^{Beuchelt et al., 2015}).

Secuestro de CO₂ en el suelo

La adopción de la AC supone una reducción drástica de las operaciones de labranza, reducción que, en el caso del método de siembra directa llega a la total eliminación de las labores mecánicas de alteración de la capa arable del suelo. Esta reducción influye sobre el volumen de emisiones de CO₂ que se produce, por un lado, debido a la ruptura de los agregados del suelo y el consiguiente intercambio gaseoso que se ocasiona tras la labranza, y por otro, al consumo de combustible y al consumo energético originado de la realización de las operaciones de laboreo del suelo (^{González-Sánchez et al., 2012}).

Con el cambio de labranza convencional al de AC, el contenido de COS resulta en un aumento de este en la fracción del suelo. Además, la AC reduce en gran medida los procesos de oxidación del carbono al disminuir la manipulación mecánica del suelo. Actualmente existen evidencias en la literatura donde se reporta que a partir de 1 Mg de C se generan 3.7 Mg de CO₂ a través de procesos de oxidación microbiana que tienen lugar en el suelo (^{González-Sánchez et al., 2012}).

Por tanto, los resultados de COS obtenidos adicionan una buena cantidad CO₂, se estima que la AC fijó 2.2 Mg de CO₂ ha^-1 año^-1, comparado con Br + Ra con solo 1.4 Mg de CO₂ ha^-1 año^-1 (Figura 2). En base a estos datos, y sustentados en las cifras reportadas en estudios científicos es posible suponer que, durante los primeros 25 años de AC es probable fijar hasta 57% más CO₂ por hectárea al año respecto al sistema de laboreo convencional basado en la utilización del arado de vertedera y la rastra de discos.

Figura 2 Valores promedio de CO₂ (Mg ha^-1 año^-1) secuestrado bajo dos sistemas de manejo de suelo. 

Así pues, la investigación dio como resultados no solo un mayor control de la erosión del suelo, sino también un descenso de las pérdidas de MOS y de emisiones de CO₂ que se producen como consecuencia del laboreo intensivo del suelo. La no remoción del suelo que considera la AC mejora la estructura de este, aumenta la estabilidad de los agregados frente a los procesos de desagregación, permite una mayor protección de la MOS frente a los ataques de la microfauna edáfica y mantiene ‘secuestrado’ en el espacio poroso del suelo, el CO₂ resultante de los procesos de mineralización de la MOS (^{González-Sánchez et al., 2012}).

Conclusiones

La actividad agrícola convencional genera gases de efecto invernadero, lo cual favorece el calentamiento global. La agricultura de conservación contribuye al secuestro de carbono en el suelo y a mantiene un balance a favor de una menor liberación de CO₂. La labranza convencional basada en la utilización del arado de vertedera y la rastra de discos, ha llevado a un deterioro de las propiedades edafológicas y a una reducción de su productividad al propiciar cambios en la estructura edáfica que facilitan la oxidación de la MOS y la pérdida de estabilidad de los agregados del suelo.

Después de 25 años de experimentación con AC se mejoró la tasa de infiltración y la cantidad de agua disponible, se disminuyó la erosión, incrementó el rendimiento y mitigó la emisión de GEI. Además, constituye una herramienta heurística útil para el desarrollo de una agricultura sustentable en los territorios productores de cultivos de riego y temporal de las zonas áridas y semiáridas del Centro-Norte de México.