Descripción del área en estudio

Las fincas cacaoteras donde se realizó el estudio se localizan al noreste de la provincia El Oro (Ecuador), principalmente en los municipios de: El Guabo, Machala, Pasaje y Santa Rosa; ubicadas entre las coordenadas 3° 5´-3° 30´ S y 79° 90´-79° 39´ O (Figura 1). La precipitación promedio anual entre los años 1975 al 2010 fue de 912 mm y la temperatura media de 26 ºC (^{Luna-Romero et al., 2018}). El suelo es de origen aluvial, formado de material fluvial y marino, encontrándose los órdenes: Inceptisol, Alfisol y Entisol, con predominio de las fracciones mineralógicas, limo y arena sobre la arcilla (^{Moreno et al., 2016}).

Figura 1 Localización geográfica del área muestreada.  

Figure 1 Geographical location of the sampled area. 

Descripción del muestro

Para el presente estudio, se tomaron 25 fincas cacaoteras de forma aleatoria con una superficie promedio de 2 ha, que se separaron en: f incas con cacao Nacional, de baja incidencia de fertilización inorgánica, riego irregular y escaso control fitosanitario; y fincas con cacao CCN51, con fertilización inorgánica, riego y control fitosanitario regular. Se consideró la homogeneidad del terreno (observación en campo) y su relieve; en los casos de cambios bruscos del suelo, se tomaron muestras adicionales quedando estructura el muestreo en 30 parcelas (12 del cacao Nacional y 18 del cacao CCN51). El trabajo de campo se realizó entre julio y octubre del 2015.

Muestras de suelo. El patrón de muestreo utilizado para el suelo fue en zig-zag, extrayendo submuestras de los primeros 0.30 m de profundidad por cada parcela; se depositaron en un recipiente limpio y se extrajo 1000 g de suelo. Las muestras fueron secadas al aire, bajo sol, por 72 h, homogenizadas y tamizadas con malla de 2 mm, para su posterior envío al laboratorio (500 g para los análisis de las propiedades físicas y químicas y 5 g para los análisis elemental e isotópico).

Muestras de hojarasca. Las muestras de hojarasca fueron tomadas con un marco de madera de 0.25 m² que se ubicó debajo de los árboles, siguiendo el recorrido de las submuestras de suelo hasta colectar 1000 g. Las muestras fueron secadas en horno a 60 °C por 48 h; posteriormente, se trituraron con la mano y se tamizaron con malla de 0.5 mm. De hojarasca se extrajo 5 g por muestra, para su posterior análisis elemental e isotópico.

Conformación de grupos. Las muestras (30 de suelo y 25 de hojarasca), se enlistan en el Cuadro 1, por tipo de cacao y por orden de suelo (Alfisol, Entisol, Inceptisol), las plantas de mayor edad pertenecen al cacao Nacional. La diferencia de altitud entre las f incas, por orden de suelo y tipo de cacao, muestra una diferencia de 5 a 703 m (Figura 2).

Figura 2 Ubicación de las fincas por altura, enlistado en orden de suelo y tipos de cacao. A = Alfisol; E = Entisol; I = Inceptisol. 1 = CCN51; 2 = Nacional. 

Figure 2  Location of the farms by height, listed in soil orders and cocoa types. A = Alfisol; E = Entisol; I = Inceptisol. 1 = CCN51); 2 = Nacional). 

Análisis de laboratorio

Con las muestras de suelo se determinó: el porcentaje de las partículas del suelo (arena, limo y arcilla) por el método del hidrómetro (^{Beverwijk, 1967}), el pH en agua con relación 1:2.5, y la capacidad de intercambio catiónico (CIC) en acetato de amonio (CH₃COONH₄) 1N en pH 7 (^{USDA-NRCS, 2014}). También se determinó la densidad aparente (Da) por medio de la Ecuación (1) de ^{Bernoux et al. (1998)}. Los análisis fueron realizados en el laboratorio de suelos de la Universidad Técnica de Machala (Ecuador).

El C (%) y el N (%) elemental, fueron realizados, junto con la determinación de los isotopos de δ¹³C y de δ¹⁵N del suelo y la hojarasca, en el laboratorio de análisis elemental de la Universidad de La Coruña (España). Se tomó una porción de 5 mg de suelo y hojarasca de las muestras, se encapsularon en estaño y se colocaron en un analizador modelo FlashEA1112 (Thermo Finnigan, Oregón, USA); manteniendo las siguientes condiciones analíticas: temperatura de oxidación 1020 ºC, temperatura de reducción 650 ºC, flujo gas portador helio 100 mL por minuto y una de presión de oxígeno de 100 Kpa.

Los resultados isotópicos se expresan en delta ( por mil (%) a partir de la proporción relativa del isótopo pesado δ¹³C al isótopo ligero δ¹²C en una muestra (R_sample ), con relación al Vienna-Pee Dee Belemnite (R _V‑PDB ) (^{Korenaga et al., 2019}). El δ¹⁵N fue expresado con relación δ¹⁵N/δ¹⁴N (R_sample ) con el estándar de Nitrógeno Atmosférico (N_AIR ) (^{Korenaga et al., 2019}). El error de réplica fue de 0.3% para δ¹³C y el 0.5% para δ¹⁵N. La abundancia isotópica de las muestras se estructuró en las Ecuaciones δ¹³C (2) y ¹δ¹⁵N (3) empleadas por ^{Squeo y Ehleringer (2004)}:

Análisis estadístico

Todas las datos fueron analizados con el programa SPSS versión 23 (^{SPSS, 2013}). Las propiedades físicas y químicas de los suelos fueron tratadas con la media. Para establecer diferencia entre los isotopos de δ¹³C y δ¹⁵N, se utilizó un análisis de varianza (ANOVA) de dos factores (orden de suelo y tipo de cacao) con nivel de significancia de 5%. Las medias del C y N elemental, y de los isotopos δ¹³C y δ¹⁵N del suelo y la hojarasca por orden de suelo, fueron analizadas con la prueba de Tukey (P < 0.05).

Análisis descriptivos de las muestras

Los promedios de las variables físicas y químicas de los suelos, mostraron una condición adecuada para el cultivo del cacao (Cuadro 2). Los valores de arena (Alfisol = 354 g kg^-1; Entisol = 425 g kg^-1; Inceptisol = 374 g kg^-1), limo (Alfisol = 406 g kg^-1; Entisol = 325 g kg^-1; Inceptisol = 303 g kg^-1) y arcilla (Alfisol = 240 g kg^-1; Entisol = 250 g kg^-1; Inceptisol = 324 g kg^‑1); permitieron clasificar los suelos con el triángulo de textura en: franco (Alf isol), franco arcillo arenosa (Entisol) y franco arcilloso (Inceptisol). La Da registró valores altos que crecieron a medida que las muestras de suelo fueron tomadas a mas altura y la cantidad de arcilla aumentaba (Alfisol 1.21 g cm^‑3; Entisol 1.19 g cm^-3; Inceptisol 1.70 g cm^‑3). Los promedios de pH indicaron una reacción química con tendencia hacia la neutralidad (Alfisol pH = 7.22; Entisol pH = 7.37; Inceptisol pH = 6.31). Los valores de CIC fueron: 27.33 cmol (+) g^-1 (Alfisol), 37.78 cmol (+) g^-1 (Entisol) y 27.43 cmol (+) g^-1 (Inceptisol); resultados superiores al nivel óptimo para cacao de 19.36 cmol(+) g^-1 (^{Amores et al., 2010}; ^{Snoeck et al., 2016}). Valores similares a los mostrados, fueron reportados por ^{Fontes et al. (2014)}; ^{Arévalo-Gardini et al. (2015)}; ^{Rosas-Patiño et al. (2017)} en Perú, Brasil y Colombia respectivamente, en suelos cacaoteros con manejo agroforestal y en monocultivo.

Análisis de varianza (ANOVA) de isotopos δ¹³C y δ¹⁵N de suelos cultivados con cacao

El ANOVA de dos vías, permitió establecer diferencias significativas (P < 0.05) por tipo de cacao del isotopo de δ¹³C y por orden de suelo del isotopo de δ¹⁵N (Cuadro 3). Los promedios de δ¹³C por orden de suelo, fueron menores en Nacional (Alfisol, -25.44% ±0.87; Entisol, -26.46% ±1.72) con respecto a CCN51 (Alfisol, -24.55% ±2.12; Entisol, -23.81% ±1.46). En el orden Inceptisol, donde se registró la mayor diferencia de edad entre las parcelas de Nacional (44 años) y CCN51 (9 años), la diferencia de δ¹³C fue muy reducida (Nacional, -25.70% ±1.13; CCN51, -25.22% ±1.49). ^{Rhoades et al. (2000)}, en suelos del orden Andisol en Ecuador con rango de arcilla de 287‑639 g kg^‑1, encontró poca diferencia entre los suelos de bosque primario (-29.4% ±0.8 a -29.9% ±0.3) y bosque secundario (-29.30% ±0.8 a -30.10% ±0.0). En el presente estudio, la poca diferencia en las cantidades de arcilla, pudo ser un factor para no encontrar diferencias significativas del δ¹³C por orden de suelo. Por otra parte, varios investigadores coinciden que la acumulación de biomasa microbiana en los primeros 30 cm, influye en el incremento del isotopo de δ¹³C, y que se ubiquen entre -23.00 y -26.00%, en suelos con uso agronómico (^{Carvajal et al., 2009}; ^{Gautam et al., 2016}).

En el caso del isotopo de δ¹⁵N, los valores más altos, por tipo de cacao, se presentaron en Alfisol (CCN51, 9.69%; Nacional, 10.48%), de textura franco; y los de menor valor en Entisol (CCN51, 8.24%; Nacional, 7.96%), de textura franco arenoso. Factor importante es la clase de textura, debido que en suelos franco arenosos el N se lixivia a capa inferiores del suelo, siendo una posible causa de la menor proporción del δ¹⁵N en Entisol. Por otro lado, estos resultados, se interpretan como indicadores de bajo nivel de fertilización inorgánica por esta sobre el 6.60% de δ¹⁵N para plantas tipo C3 (^{Amundson et al., 2003}). En el caso del cacao CCN51, con fertilización inorgánica regular, el procesos de reciclaje de N entre el suelo y la atmosfera conducen a pérdidas en forma NH₃, a través de la volatilización y desnitrificación, resultando en el enriquecimiento de δ¹⁵N en el suelo (^{Bateman et al., 2007}; ^{Dixon et al., 2010}; ^{Koba et al., 2012}). Esto indica que la fertilización inorgánica de las granjas con cacao CCN51 fue realizada con fertilizantes amoniacales.

Análisis de varianza (ANOVA) de isotopos δ¹³C y δ¹⁵N de hojarasca de cacao

El ANOVA para los isotopos de δ¹³C y δ¹⁵N en hojarasca de cacao, presentó diferencias significativas (P < 0.05) para δ¹³C por orden de suelo (Cuadro 4). Los promedios mínimos del isotopo de δ¹³C en la hojarasca por tipo de cacao se obtuvieron en Inceptisol (CCN51, -29.86%±1.57; Nacional, -29.36%±0.77), valores muy similares a los obtenidos por ^{Tezara et al. (2016)} en hojas vivas de cacao (-29.21%±0.2). El mayor promedio del isotopo de δ¹³C, fueron muy similares en Alfisol (CCN51, -27.21%±0.74) y Entisol (Nacional, -27.80%±1.30), ubicadas en áreas de mayor radiación solar, con respeto a las f incas localizadas en Inceptisol y cuyos valores están dentro de los niveles isotópico obtenidos por ^{Perini et al. (2016)} y ^{Diomande et al. (2015)} en semillas de cacao (-26.00 a -29.00%). La diferencia isotópica del δ¹³C en las plantas, está asociada a la baja capacidad de retención hídrica del suelo (^{Araque et al., 2012}), en los suelos Alfisol y Entisol, donde el predomino de las fracciones arena y limo, así como, los valores altos de Da (Cuadro 2); son factores que afecta la fotosíntesis, y por tanto, provoca disminución del isotopo de δ¹³C (^{Farquhar et al., 1989}; ^{Squeo y Ehleringe, 2004}).

Los promedios por orden de suelo del isotopo de δ¹⁵N, también fueron muy similares entre CCN51, (Alfisol=8.38%±1.86, Entisol=5.64%±1.99, Inceptisol=5.71%±3.69) y Nacional (Alfisol=6.25% ±7.83, Entisol=4.85%±1.98, Inceptisol=4.77%±3.34). ^{Farquhar et al. (1989)} y ^{Araus et al. (2003)} expresan que los valores de δ¹⁵N en hojarasca se ubican entre 0 y 5%, y ^{Craine et al. (2015)} indican que el rango es entre -7.8 y 8.7%. Pero el trabajo de ^{Tezara et al. (2016)}, en hojas vivas, muestra una variación de 3.84%±0.48 (cacaos Forastero) y 5.51%±0.19 (cacaos Criollos), similar a las encontrada en la presente investigación en Entisol e Inceptisol.

Comparación de abundancia de C, N y los isotopos de δ¹³C y δ¹⁵N

Se determinaron, con la prueba de Tukey (P < 0.05), en el isotopo de δ¹⁵N en suelo, el C elemental y el isotopo de δ¹³C en hojarasca de cacao, diferencias signif icativas entre Alf isol, Entisol e Inceptisol (Cuadro 5). Los valores obtenidos de C (Alfisol=1.74%±0.92; Entisol=2.12%±1.39; Inceptisol=1.74%±0.78) y N (Alfisol=0.16%±0.07; Entisol=0.19%±0.11; Inceptisol=0.17%±0.07) se clasif icaron como alto y medio respectivamente; al compararse con los valores de 0.78-1.11% de C y 0.07-0.27% de N obtenidos por ^{Dawoe et al. (2014)} y de 0.80-2.39% de C y 0.06-0.23% de N por ^{Zaia et al. (2012)}, en suelos cacaoteros del orden Inceptisol en Ghana y Brasil respetivamente. Los valores de N, también fueron similares a los obtenido por ^{Niether et al. (2019)}, de 0.16 a 0.18%, en plantación de cacao con manejo orgánico en Bolivia.

Los promedios del isotopo de δ¹³C en suelo fueron:-24.75%±1.90 (Alfisol), -24.99%±2.03 (Entisol), -25.46%±1.28 (Inceptisol). Los valores sugieren que la vegetación asociada al cultivo de cacao, como las malezas (Tipo C4) en CCN51 y los árboles frutales asociados a Nacional, no afectaron los niveles de δ¹³C, y que no existieron sucesiones recientes a plantas tipo C4 (<-20.00 δ¹³C), un caso similar detalla ^{Dortzbach et al. (2015)} en sucesiones de bosques primarios conformados por plantas tipo C3 (-28.35%) hacia plantas tipo C3 con manejo agronómico (-26.20%). En el caso de los suelos en estudio si hubiere cambios de Nacional a CCN51 la discriminación isotópica del δ¹³C, seria mínima.

Los valores del isotopo de δ¹⁵N en el suelo fueron: 9.87%±1.58 (Alfisol); 8.11%±1.40 (Entisol); 8.52%±1.32 (Inceptisol). Estas diferencias pueden estar asociada a la correlación positiva entre el N que aporta la hojarasca y el N mineralizado en el suelo (^{Paolini et al., 2016}). Aunque las condiciones de manejo son diferentes en cuanto a la aplicación de fertilizantes inorgánicos y riego, labores como la poda son comunes en todas las f incas, generando nuevos brotes, y por tanto, una entrada constante de biomasa al suelo (^{Salgado-Mora et al., 2009}; ^{Fontes et al., 2014}).

En el análisis del C y N elemental en suelo (Cuadro 5), los promedios más altos fueron en Inceptisol (C, 40.30%±3.19; N, 1.53%±0.31) y los valores mínimos en Alfisol (C, 33.89%±5.52; N, 1.38%±0.29). ^{Puentes-Páramo et al. (2014)} y ^{Salgado-Mora et al. (2009)} explican que los niveles de C y N en hojarasca, son superiores en plantaciones de cacao con edad entre 4 y 16 años de cultivadas, sin sombra; producto de una mayor emisión foliares en comparación con los arboles mayores de 30 años, lo que ocasiona mayor acumulación de biomasa. Este aspecto no guarda relación con el presente estudio, debido que las plantas de cacao de mayor edad que se ubican en el orden de suelo Inceptisol, fueron las que mayor nivel de C.

El isotopo de δ¹³C en hojarasca, mostró valores inferiores a los determinados en el suelo (Alfisol=-27.42%±0.88; Entisol=-28.37%±-29.63; Inceptisol=-29.63%±1.24), mientras que los promedios del isotopo de δ¹⁵N en hojarasca fueron: 7.84%±3.49 (Alfisol), 5.25%±1.82 (Entisol) y 5.28%±3.39 (Inceptisol), inferior a los encontrado en el suelo (Cuadro 5). ^{Squeo y Ehleringer (2004)} expresan que la variación isotópica del δ¹⁵N entre el material vegetal y el suelo, presenta un fraccionamiento menor que el isotopo de C, por lo que su proporción no tiene una marcada diferencia. La acumulación, por largos periodos de tiempo, de la MOS sin cambio en el uso del suelo en plantas C3 incide un menor nivel del isotopo de δ¹³C y aumento en los niveles del isotopo de δ¹⁵N.