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Introducción
Se define como plantación forestal comercial aquella establecida en terrenos con previo uso agropecuario o que han perdido su vegetación forestal natural (Conafor, 2017). Estos sistemas productivos proporcionan bienes y servicios (Zhang y Stanturf, 2008) como madera, productos no maderables, agua y aire limpio, control de la erosión del suelo, biodiversidad, estética, secuestro de carbono y control climático. Para el establecimiento y manejo de las plantaciones se realizan actividades de preparación del sitio, plantación, replantación, control de malezas, fertilización, control de plagas, podas, prevención de incendios y cosecha (García et al., 2011).
El establecimiento y posterior desarrollo de la vegetación en una plantación forestal es influenciada por las condiciones del medio y en particular por las del suelo. En este sentido, la fertilidad es uno de los componentes de la calidad del sitio. Un suelo fértil proporciona a los árboles los elementos químicos esenciales en las cantidades y proporciones necesarias para su crecimiento (McGrath et al., 2014).
Muchas plantaciones forestales se establecen en parcelas agrícolas abandonadas; por ello, es posible que el manejo previo ocasione el enriquecimiento de la fertilidad del suelo ligado a su uso pasado, esto puede resultar en un aumento de la productividad forestal, en comparación con la fertilidad edáfica natural. Sin embargo, es posible que la producción de las generaciones forestales sucesivas disminuya, porque el suministro de nutrientes a los árboles hará que se retorne a su nivel de fertilidad natural (Ranger, 2018).
La determinación de la composición y las propiedades del suelo, como pH, textura, conductividad eléctrica y materia orgánica proporciona información básica para conocer el potencial productivo del suelo, ya que tales propiedades definen los procesos fisicoquímicos relacionados con la disponibilidad de nutrientes (Azcón-Bieto y Talón, 2008). Las partículas minerales y orgánicas de la fase sólida funcionan como reservorios de K, P, Ca, Mg y Fe, y los componentes orgánicos contienen N, P y S (Taiz et al., 2015), que después de ser mineralizados pueden ser aprovechados por las plantas.
La interacción de numerosas propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo controlan la disponibilidad de nutrientes para las plantas y la concentración de N, S, P y algunos micronutrientes está relacionada con la actividad microbiana del suelo (Havlin et al., 2014). La materia orgánica del suelo (MOS) cumple funciones físicas, entre ellas mejorar la agregación, aireación y movimiento del agua, además de reducir la evaporación y conductividad térmica; así como químicas, tales como mejorar el intercambio iónico, amortiguamiento, meteorización pedoquímica, quelación y translocación de sustancias dentro del suelo (Osman, 2013). La MOS desempeña un papel crítico en el balance global de carbono, que controla en gran medida el cambio climático global (Weil y Brady, 2017).
La MOS se descompone continuamente y se forma humus, compuesto que contribuye a incrementar la calidad del suelo. Sin embargo, una mala gestión humana interrumpe el ciclo de devolución de residuos vegetales o animales al suelo, lo cual altera o reduce los efectos benéficos (Franzmeier et al., 2016). El carbono orgánico, que depende de la MOS, es el almacén más grande de C en la Tierra (Doetterl et al., 2016) junto a la reserva de C inorgánico del suelo (Lal, 2016).
El objetivo del presente estudio fue evaluar la fertilidad edáfica y estimar la cantidad de carbono orgánico almacenado en el suelo de cuatro plantaciones forestales comerciales (PFC) establecidas dentro de la cuenca Amanalco-Valle de Bravo, Estado de México.
Los estudios previos sobre el estado de la fertilidad del suelo en plantaciones forestales son escasos en la región y no se conocen antecedentes en variables clave como pH, MO, C, N y P. Adicionalmente, no existe información en la literatura acerca del almacén de carbono orgánico del suelo (COS) de las plantaciones forestales comerciales, dentro de la cuenca, que permita valorar los servicios ambientales que brindan estos sistemas productivos. La hipótesis que se planteó fue que el almacén de C y la fertilidad en el suelo difieren entre las plantaciones debido a los antecedentes del uso del terreno y las características de cada plantación (edad, especie y manejo).
Materiales y Métodos
Área de estudio
El trabajo se desarrolló en la subcuenca hidrológica Amanalco-Valle de Bravo (392760 E y 2129224 N, Zona 14), al sur del Estado de México y que abarca una superficie total de 77 000 ha (Bonfil y Madrid, 2006). El clima predominante es templado subhúmedo, con una temperatura media anual de 18.8 °C y precipitación de 1 000 mm anuales (Inegi, 2020a). El suelo es tipo Andosol (Inegi, 2020b) derivado de ceniza volcánica (Meza-Pérez y Geissert-Kientz, 2006). En la fracción fina dominan los materiales amorfos del tipo alófano y ferrihidrita que tienen alta capacidad de retención de fosfatos (Alcalá de Jesús et al., 2009). Las plantaciones experimentales se localizan en cuatro comunidades de Amanalco (Figura 1), en las siguientes coordenadas UTM Zona 14 N: (1) Rincón de Guadalupe (395569 E y 2130744 N), (2) Loma del Rincón de Guadalupe (395670 E y 2132770 N), (3) San Miguel Tenextepec (389992 E y 2133174 N) y (4) El Potrero (395422 E y 2135813 N). La altitud promedio en la zona es de 2 609 m.
Plantaciones forestales comerciales
Se estudiaron cuatro plantaciones forestales comerciales de diferentes edades (Cuadro 1).
Cuadro 1 Características generales de cuatro plantaciones de especies de pino evaluadas en la cuenca Amanalco-Valle de Bravo, Estado de México.
| Localidad | Especie | Edad (años) | Densidad en 2022 (árboles ha-1) | Área (ha-1) | Manejo previo a la plantación |
|---|---|---|---|---|---|
| Rincón de Guadalupe | P. ayacahuite C. Ehrenb. ex Schltdl. | 20 | 719 | 1 | Cultivo de maíz con aplicación de fertilizante fosfato diamónico |
| Loma del Rincón de Guadalupe | P. pseudostrobus Lindl. | 8 | 980 | 4.2 | Cultivo de haba y maíz y aplicación de composta de estiércol ovino |
| San Miguel Tenextepec | P. patula Schltdl. & Cham. | 19 | 625 | 0.5 | Uso forestal |
| El Potrero | P. patula Schltdl. & Cham. | 6 | 1 000 | 1 | Cultivo de maíz y avena con aplicación de urea y composta de estiércol ovino bovino |
Caracterización del arbolado
En cada plantación se establecieron aleatoriamente 10 sitios de forma circular de 250 m2, y en cada uno se midieron las características de los árboles presentes, con base en los métodos consignados por West (2015). El diámetro normal (cm) con forcípula Haglöf ® Mantax Blue y la altura con un hipsómetro Haglöf ® Vertex Lasser Geo.
Muestreo de suelo
Para caracterizar la fertilidad se realizó un muestreo de suelo en septiembre de 2022. En cada plantación se extrajeron 10 muestras a una profundidad de 0 a 30 cm, en los mismos sitios donde se midieron los árboles, con una barrena de acero inoxidable (SPECTRUM ® modelo HA 6510) de 2 cm de diámetro (Acosta-Mireles et al., 2009). Las muestras simples de cada plantación se mezclaron para conformar una muestra compuesta que se colocó en bolsas de plástico para su transporte al Laboratorio de Fertilidad de Suelos y Química Ambiental del Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo para su análisis. El suelo se secó a la sombra, a temperatura ambiente y se molió en un mortero de porcelana hasta pasar el tamiz 2 mm. Finalmente se almacenó en sobres de papel hasta el momento de realizar el análisis químico.
Análisis químico del suelo
El pH se midió en una suspensión agua-suelo, relación 2:1 (Weil y Brady, 2017), con un potenciómetro portátil Hanna ® modelo GroLine Combo. La MOS y COS se cuantificaron con el método de Walkley-Black (Sleutel et al., 2007). El N se determinó con la técnica de semimicro-Kjeldahl (Saéz-Plaza et al., 2013) y el P con el método de Olsen et al. (1954).
La densidad aparente de la profundidad de 0 a 30 cm del suelo se determinó al relacionar la masa del suelo seco (secado en un horno ICB ® 18 L, a 105 °C por 24 horas) y el volumen de la barrena con que se extrajo la muestra (Osman, 2013). El valor promedio de la densidad aparente fue 1.1 Mg m-3. Esta información se utilizó para calcular el almacenamiento de C en el suelo.
Los resultados de las determinaciones se compararon con los valores de referencia de la NOM-021-RECNAT-2000 (Semarnat, 2002) y datos de la literatura científica (Binkley y Fisher, 2013; Osman, 2013; Havlin et al., 2014; Weil y Brady, 2017; Porta et al., 2019).
El almacenamiento de carbono en el suelo se calculó con la siguiente fórmula (Acosta-Mireles et al., 2009):
Donde:
A= Área del terreno (10 000 m2)
PS = Profundidad de muestreo (0.3 m)
DA = Densidad aparente del suelo (1.1 Mg m-3)
COS = Concentración de Carbono Orgánico en el Suelo
Análisis estadístico
Para identificar diferencias entre las plantaciones, los datos de diámetro y altura de los árboles se sometieron a un análisis de varianza, el cual es un método de prueba de igualdad de tres o más medias poblacionales por medio del análisis de las varianzas muestrales (Triola, 2018) y pruebas de comparación de medias con el método Tukey (p≤0.05), mediante el programa estadístico SAS versión 9.4® (SAS, 2013). Los datos de fertilidad química del suelo no se analizaron estadísticamente porque solo se obtuvo un valor a partir de la muestra compuesta por plantación forestal.
Resultados y Discusión
El diámetro y altura de los árboles presentaron diferencias según la especie y la edad de la plantación (Cuadro 2). Pinus ayacahuite C. Ehrenb. ex Schltdl. (Rincón de Guadalupe) y Pinus patula Schltdl. & Cham. (San Miguel Tenextepec) registraron los valores más altos en diámetro y altura, por ser de mayor edad (Cuadro 1); sin embargo, estos últimos fueron 5.7 m más altos que los individuos de P. ayacahuite. Los ejemplares de P. patula (El Potrero) fueron 70 cm más altos que los de P. pseudostrobus Lindl. (Loma del Rincón de Guadalupe), a pesar de ser los primeros, más jóvenes. Ese comportamiento es común en estas especies (Romo et al., 2014; González et al., 2016).
Cuadro 2 Características de los árboles de cuatro plantaciones forestales en la cuenca Amanalco-Valle de Bravo, Estado de México.
| Localidad | Especie | Diámetro (cm) | Altura (m) |
|---|---|---|---|
| Rincón de Guadalupe | P. ayacahuite C. Ehrenb. ex Schltdl. | 18.6±2.8 a | 15.9±1.6 b |
| Loma del Rincón de Guadalupe | P. pseudostrobus Lindl. | 9.1±2.3 b | 5.4±2.3 d |
| San Miguel Tenextepec | P. patula Schltdl. & Cham. | 19.0±3.6 a | 21.6±1.4 a |
| El Potrero | P. patula Schltdl. & Cham. | 8.3±3.3 b | 6.1±2.4 c |
Medias con la misma letra en cada columna son estadísticamente iguales Tukey (p≤0.05).
Variables químicas del suelo
Los resultados de las variables de fertilidad del suelo se muestran en el Cuadro 3.
Cuadro 3 Análisis químico del suelo de cuatro plantaciones forestales en la cuenca Amanalco-Valle de Bravo, Estado de México.
| Localidad | Especie | pH | N (%) | P (mg kg-1) |
MO (%) |
COS (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rincón de Guadalupe | P. ayacahuite C. Ehrenb. ex Schltdl. | 6.3 | 0.01 | 0.3 | 4.5 | 2.6 |
| Loma del Rincón de Guadalupe | P. pseudostrobus Lindl. | 6.7 | 0.21 | 8.2 | 5.1 | 3.0 |
| San Miguel Tenextepec | P. patula Schltdl. & Cham. | 6.2 | 0.04 | 1.4 | 6.0 | 3.5 |
| El Potrero | P. patula Schltdl. & Cham. | 6.3 | 0.30 | 11.9 | 6.2 | 3.6 |
pH
El pH del suelo se ubicó en el intervalo de 6.2 a 6.7. Los datos concuerdan con estudios realizados en la región, en los cuales el pH del suelo de un bosque templado fue de 6.2 (Prado et al., 2007) y en una plantación de aguacate (Persea americana Mill.) de 6.4 (García-Martínez et al., 2021). Esta variable afecta, principalmente, la disponibilidad de nutrientes para las plantas. De acuerdo con la clasificación de la NOM-021-RECNAT-2000 (Semarnat, 2002), el pH del suelo de la plantación de Loma del Rincón de Guadalupe fue neutro y en las otras fue moderadamente ácido. Por lo general, los suelos forestales presentan valores de pH de muy ácidos (pH 4.0) a ligeramente ácidos (pH 6.5) (Barnes et al., 1998).
Los elementos en el suelo están disponibles en un intervalo de pH de 5.5-6.5 (Porta et al., 2019). Por ello, los resultados de la presente investigación indican que no existen restricciones para la absorción de macro y micronutrientes en las plantaciones de Rincón de Guadalupe, San Miguel Tenextepec y El Potrero. Sin embargo, en la de Loma del Rincón de Guadalupe pueden existirr limitaciones en la disponibilidad de micronutrientes, pero es necesario realizar estudios de diagnóstico nutrimental en los árboles para confirmarlo.
Materia Orgánica y Carbono Orgánico
El suelo de la plantación de El Potrero tuvo concentración media de MO. Esta parcela se utilizó anteriormente para el cultivo de maíz y avena con aplicación de composta de estiércol (ovino y bovino) y urea. El bajo contenido de MO en las plantaciones del Rincón de Guadalupe y Lomas del Rincón de Guadalupe se relaciona con el cultivo previo de maíz con aplicación de abonos minerales y la siembra de haba y maíz con la adición de composta de estiércol bovino, respectivamente. El predio San Miguel Tenextepec siempre ha tenido uso forestal; por lo tanto, se infiere que el contenido de MO no ha experimentado cambios importantes. En general, su contenido en suelos agrícolas es de 2 % aproximadamente; mientras que, en los bosques los valores alcanzan hasta 5 % (Osman, 2013). La MO proviene de la deposición de biomasa vegetal aérea o de las raíces y es el sustrato que se necesita para el crecimiento y mantenimiento de las poblaciones microbianas edáficas (Barnes et al., 1998).
El porcentaje de COS en los sitios experimentales, ordenado de mayor a menor, fue el siguiente: El Potrero (3.6 %), San Miguel Tenextepec (3.5 %), Loma del Rincón de Guadalupe (3.0 %) y Rincón de Guadalupe (2.6 %); valores inferiores a los registrados por Acosta-Mireles et al. (2009) en bosques mixtos de Pinus patula y Abies religiosa (Kunth) Schltdl. & Cham. en Tlaxcala, México, donde las concentraciones de COS se ubican en 7.92 % en el perfil de 0-20 cm y 5.28 % de 20 a 40 cm de profundidad. Prado et al. (2007) refirieron una disminución del COS desde 5.5 % en el perfil de 0-10 cm hasta 1.3 % en la capa de 15-37 cm. Además, después de los histosoles, los andosoles acumulan las mayores concentraciones de C, por lo cual tienen un alto potencial para secuestrar C (Galicia et al., 2016), y la fertilidad del suelo, generalmente, está dada como una función del contenido de COS (Szalai et al., 2016).
N
El N es el nutriente mineral que las plantas requieren en mayor cantidad; por ello, en suelos deficientes de ese elemento, los árboles no presentan un buen desarrollo (Taiz et al., 2015). El intervalo del N-Kjeldalh en los suelos de las parcelas experimentales fue de 0.01 a 0.30 %. Según Havlin et al. (2014), el contenido total de N en suelos minerales varía de 0.02 a 0.5 % y está correlacionado positivamente con el contenido de MO y negativamente con la profundidad. En las plantaciones de Loma del Rincón de Guadalupe y El Potrero, el mayor porcentaje de N se debió a que el productor aplicó fertilizantes nitrogenados en los dos años previos a la evaluación. Las plantaciones del Rincón de Guadalupe y San Miguel Tenextepec son más antiguas y no recibieron aplicaciones de fertilizantes después de su establecimiento.
P
El contenido de P-Olsen en el suelo es un indicador aproximado de su disponibilidad; en las plantaciones Rincón de Guadalupe y San Miguel Tenextepec fue bajo (0.3 y 1.4 mg kg-1, respectivamente), pero medio en la Loma del Rincón de Guadalupe (8.2 mg kg-1) y alto en El Potrero (11.9 mg kg-1). En esta última se realizaron aplicaciones de fertilizantes fosfatados al suelo en los primeros cuatro años, lo cual explica los altos valores de P-Olsen. En los suelos de regiones húmedas y tropicales el contenido de P extraíble es menor, comparado con el de zonas áridas y semiáridas; para asegurar la disponibilidad de este elemento para las plantas es conveniente aplicar fertilizantes minerales u orgánicos (Havlin et al., 2014).
En el presente caso, en el cual los suelos son andosoles, se espera que la disponibilidad de P sea relativamente baja, aunque no se midió, se espera que las raíces de los pinos tengan asociaciones con hongos ectomicorrícicos, como los citados por Garibay-Orijel et al. (2013) en un estudio realizado en la Faja Volcánica Transmexicana.
Almacenamiento de Carbono en el Suelo
El almacén de C del suelo es importante en la mitigación del cambio climático. El suelo tiene la capacidad de almacenar más C que la biomasa aérea, pero para que ocurra, se requiere del suministro constante de material vegetal (Ontl y Schulte, 2012). Los almacenes de COS de los suelos se muestran en la Figura 2. El suelo de la plantación de El Potrero almacenó 38.5 % más C que en Rincón de Guadalupe, 15.4 % más que en Loma del Rincón de Guadalupe y 3 % más que en San Miguel Tenextepec. La menor cantidad de C almacenado en las plantaciones de Rincón de Guadalupe y Loma del Rincón de Guadalupe se debe a su previa vocación agrícola. En la plantación de El Potrero, aunque la parcela fue de vocación agrícola en el manejo de la plantación se hicieron aportes de fertilizantes orgánicos (estiércol), lo cual explica el mayor almacenamiento de carbono. Finalmente, en San Miguel Tenextepec el terreno conservó su vocación forestal, con ello se mantuvo un alto nivel de C en el suelo.
Figura 2 Almacén de carbono en el suelo (0-30 cm) en cuatro plantaciones forestales comerciales en la cuenca Amanalco-Valle de Bravo, Estado de México.
Pérez-Ramírez et al. (2013) describieron que el promedio de COS en bosques conservados de pino-encino es de 103 Mg ha-1, mientras que los aprovechados y perturbados tienen 39 y 13 Mg ha-1. En el área natural protegida El Faro en Tlalmanalco, Estado de México, Cano-Flores et al. (2020) midieron el almacenamiento de COS en bosques de Pinus-Quercus y Quercus-Pinus, lo que resultó ser 59.8 Mg ha-1 y 98.3 Mg ha-1, respectivamente. En general, la cantidad de C acumulado depende del grado de erosión del suelo (Li et al., 2019).
Conclusiones
El almacenamiento de C y la fertilidad en el suelo son distintos entre las plantaciones forestales evaluadas debido a los antecedentes y características de cada una (edad, especie y manejo). Las diferencias en la fertilidad y en las concentraciones de MO, N y P en los suelos estudiados están relacionadas con la aplicación de fertilizantes minerales y orgánicos como parte del manejo previo a su establecimiento. Los resultados aportan información sobre las características del suelo de estos sistemas productivos y apoyan el diseño de programas para el manejo de la fertilidad en plantaciones forestales de la región, ya que existen vacíos de conocimiento sobre el manejo de los suelos previo a la instalación de plantaciones forestales.
