JEfectos de una Sucesion de Cultivos en la Fertilidad de Suelos VolcanicosRespecto a la Sucesion Natural1

M. Mazzarino*, J. Ewel**, C. Berish***, B. Brown"

ABSTRACT

The effects of two treatments -natural succession andsuccessional monoculture- on volcanic soil fertility followingforest fell and burn were studied over five years in CostaRica. For the successional monoculture corn (Zea mays L.);cassava (Manihot esculenta Crantz) and laurel (Cordia allio-dora (Ruiz & Pav.) Oken) were chosen. Owing to microva-riability problems, each treatment was divided into twogroups of different fertility. The parameters above-groundbiomass and soil organic matter, total N, available P, percentacid saturation, extractable Ca, Mg, K and Al + H were ana-lyzed statistically. Percent acid saturation was considered asuitable index to evaluate tropical volcanic soil fertility. Theresults obtained were as follows: successional monoculturehad no effects on soil fertility compared to natural successionwhen original conditions of acid saturation were low (< 2% indepth 0-5 cm, < 20% in depth 5-25 cm), but it was signifi-cantly affected under original condition of high acid satura-tion (> 7% in depth 0-5 cm, > 50% in depth 5-25 cm). Anon-statistical comparison with a bare plot is also included.

INTRODUCCION

L a quema de bosques para el establecimiento demonocultivos es una practica habitual en lostropicos. Despues de varios anos, el descenso

marcado de los rendimientos obliga a abandonar lasparcelas y a quemar otras nuevas. Esto constituye labase de la "agricultura migratoria". Son varias las cau-sas a las que se atribuye el descenso de la productionsiendo una de ellas el agotamiento de la fertilidad delos suelos. De acuerdo con Sanchez (13) el grado dedeterioro de la misma depende de su nivel original.

1 Recibido para publication el 12 de julio de 1987. XAgiadecemos especialmente a M. Rivera por su ayuda enel campo experimental; a M. Artavia y D. Hazlett por suayuda en el campo y en el laboratorio, y al personal delLaboratorio de Suelos del CATIE, su valioso apoyo.

* Proyecto CATlE-Univ. de Florida. Actualmente becariadel CONICET, Argentina; direction; Conesa 1434 (1426)Buenos Aires.

** University of Florida.*** University of Georgia.

* * * « University of Wisconsin, U.S.A.

COMPEND10

Se estudiaron durante 5 anos los efectos de dos tratamien-tos: sucesion natural y sucesion de monocultivos en la fertili-dad de un suelo volcanico, despues de la tala y quema de unbosque secundario en Costa Rica. Para la sucesion de cultivosse ut i l i ze ' ) maiz (Zea mays L.), yuca (Manihot esculentaCrantz) y laurel (Cordia aUiodora (Ruiz y Pav.) Oken). Pro-blemas de microvariabilidad en los suelos obligaron a subdivi-dir cada tratamiento en dos grupos de diferente fertilidad. Seanalizo estadisticamente la biomasa aerea y en el suelo, losparametros materia organica, N total, % de saturacion acida,P, Ca, Mg K y Al + H extrai'bles. Se considero como indiceadecuado para evaluar la fertilidad de suelos volcanicos tropi-cales el % de saturacion acida. Los resultados obtenidos fue-ron los siguientes: la sucesion de monocultivos no afecta lafertilidad del suelo en comparacion con la sucesion natural silas condiciones originates son de baja saturacion acida (< 2%y < 20% en las profundidades 0-5 cm y 5-25 cm, respectiva-mente), pero la empeora significativamente cuando las con-diciones originates son de alta saturacion acida (> 7% y> 50% en las profundidades de 0-5 cm y 5-25 cm). Se incluyeuna comparacion (no estadi'stica) con una paicela mantenidasin vegetation.

Asi, suelos relativamente ricos en bases, como Alfiso-les o Andosoles, no manifiestan cambios significativosen su fertilidad que expliquen los descensos de rendi-mientos observados. En cambio, los explican'an en elcaso de suelos con niveles bajos de bases como Ultiso-les y Oxisoles.

Existen diversas publicaciones sobre la disponibili-dad de nutrimentos despues de la tala y quema, bajomonocultivo o sucesion, en suelos tropicales (1, 12,14, 16). Sin embargo, no existen estudios sobre losefectos de monocultivos respecto a la sucesion naturalen una evolution simultanea sobre suelos homogeneos.

El presente trabajo ofrece una comparacion a estenivel en un suelo de origen volcanico. Las medicionesse realizaron durante 5 anos y para el monocultivo seseleccionaron cultivos ti'picos de la zona, los que seestablecieron siguiendo las formas de vida de la suce-sion natural: durante el primer ano dos cultivos demai'z (Zea mays L.); a continuation un arbusto, yuca(Manihot esculenta Crantz) y por ultimo, laurel (Cor-dia aUiodora Ruiz y Pav., Oken), un arbol de creci-

Turrialba Vol. 38, No. 4, 1988, pp. 345-351

346 TURRIALBA: VOL. 38 NUM. 4, TRIMESTRE OCTUBRE-DICIEMBRE 1988

miento rapido. Debido a diferencias en la fertilidadde los suelos, las seis repeticiones originates de cadatratamiento se subdividieron en dos grupos, alta ybaja fer t i l idad, lo que permite presentar un analisisadicional de los efectos del monocultivo bajo diferen-tes condiciones de fertilidad. A nivel cualitativo, seofrece ademas una comparacion con una parcela man-tenida sin vegetacion durante los 5 anos de duraciondel experimento.

MATER1ALES Y METODOS

El trabajo se llevo a cabo en un bosque experimen-tal del Centro Agronomico Tropical de Investigaciony Ensenanza (CATIE), Turrialba. Costa Rica. El sitioesta ubicado a 9°53'N, 83°40'0; a 650 msnm y co-rresponde a la zona de vida del bosque humedo tropi-cal premontano segun la clasificacion de Holdridge(15). La precipitacion media anual es de aproximada-mente 2 700 mm con una epoca seca entre enero ymarzo. Los suelos han sido descritos como TypicDystrandept por Martini (10).

A principios de 1979 se talo y quemo la vegetacionoriginal consistente en un bosque secundario de 8-9anos (5). Se establecieron los tratamientos segun undiseno de bloques al azar, con seis repeticiones de 16x 16 m cada una. Una parcela de 14 x 14 m, sin repe-ticiones, fue mantenida sin vegetacion. La duraciondel experimento se extendio hasta abril de 1984. Parael monocultivo se utilizaron densidades de siembratfpicas de la zona: 1 x 0.5 m para mai'z; 1 x 1 m parayuca y 2 x 2 m para laurel; no se utilizaron fertilizan-tes ni plaguicidas y fue desmalezado a mano. Se cose-charon los granos de rnai'z y las rai'ces de yuca, peroel resto del material vegetal permanecio en la parcela.Debido a la mayor intensidad de los cambios durantelos primeros anos, los muestreos de biomasa se reali-zaron todos los meses en 1979 y cada dos meses hastaoctubre de 1980. Los suelos fueron muestreados cadatres meses hasta octubre 1980. Desde 1981 a 1984ambos muestreos se llevaron a cabo dos veces porano.

Los muestreos de biomasa aerea se realizaron se-leccionando al azar subparcelas de la sucesion o 1 a 4plantas en el caso del monocultivo (3). Todo el mate-rial fue cortado a nivel del suelo; los datos incluidosen el presente trabajo resultan de la suma de hojas,ramas y troncos y partes reproductivas. El peso frescototal se determine a campo; para las conversiones apeso seco se secaron submuestras de 500 g a 70°C.Los resultados del ul t imo muestreo de biomasa de lasucesion no se incluyen pues presentaron gran variabi-lidad, como consecuencia de la reduccion de la super-ficie a muestrear al f inal del ensayo.

De los suelos se extrajeron muestras compuestaspor ocho submuestras tomadas al azar a 0-5, 5-25 y25-45 cm. A p a r t i r dc 1981 so incluyo la profundidad45-85 cm. Las muestras se secaron a 55°C y se tami-zaron por mal la de 2 mm. La materia organica se de-termino por el metodo de digestion humeda deWalkley y Black; N-total por la tecnica de semimicroKjeldahl y pH en una relacion suelo: agua de 1:2.5.Potasio, calcio, magnesio y fosforo, se extrajeron porel metodo del doble acido (0.05N HC1 + 0.025NH2S04). Los cationes se determinaron por absorcionatomica y P por colorimetn'a con SnC12 SpCb comoreductor. La acidez de cambio (Al + H) se extrajocon KC1 IN y se determine por titulacion (4). La ca-pacidad de intercambio cationico efectiva (CICE) secalculo como la suma de (Al + H) + Ca -f Mg + K yel % de saturacion acida como Al + H/CICE x 100.Dada la alta capacidad de fijacion de P de los suelosderivados de cenizas volcanicas se construyeron iso-termas de sorcion, segun el metodo de Fox y Kam-prath (6).

El analisis estadi'stico aplicado consistio en analisisde varianza con dos variables independientes; trata-miento y tiempo. Donde no hubo interacciones se uti-lizo para los tratamientos el analisis Duncan de signi-ficancia para p < 0.05.

RESULTADOS Y D1SCUSION

Si bien los suelos del sitio son homogeneosdesde el punto de vista de su genesis y clasifica-cion (2), se observaron diferencias significativas defert i l idad en lo que respecta a cationes extrafbles aci-dez de cambio y % de saturacion acida. lo cual obligea subdividir cada t ra tamiento en dos grupos de tres re-peticiones cada uno: Gl de alta y G2 de baja fertili-dad. En el Cuadro 1 se presentan las caracten'sticasgenerales de los suelos para dos fechas: 5 y 61 mesesdespues de la quema. Es posible que las diferencias defert i l idad entre ambos grupos de suelos se deban altipo de uso de la tierra previo al establecimiento delbosque secundario desmontado para el presente expe-rimento.

Resulta complejo caracterizar la fertilidad de sue-los volcanicos tropicales pues parametros tales comoP disponible, materia organica y nitrogeno total noresultan adecuados; el P, por sus bajos niveles, y lamateria organica y el nitrogeno por su alta estabilidad(7, 11). En el presente trabajo, se escogio como mdi-ce de fe r t i l idad al % de saturacion acida pues permiteevaluar disponibil idad de cationes y toxicidad de alu-minio (13). El analisis de este parametro, hasta 85 cmde profundidad y todas las fechas de muestreo, arrojodiferencias s ignif ica t ivas entre monocultivo y sucesion

MAZZARINO£T/1/,..- FERTILIDAD DE SUELOS VOLCAN1COS 347

tfI

Cuadro 1 . Concentracion de nutrimentos cinco meses (a) y 61 meses (b) despues de la quema.

Sucesion

Profundidad (cm)

PH

m.o.

N

P

Grupo 1Ca

Mg

K

CICE

A1+ H

sat.ac.

Grupo 2Ca

Mg

K

CICE

Al + H

sat.ac.

abababab

abababababab

abababababab

0-5

5.55.1

16.313.6

0.730.737.43.1

20741 888

295225121199

13.312.10.30.423

1 221788312168157130

9.76.80.71.27

17

5-25

4.84.79.37.00.390.431.31.7

651487138102102

755.74.91.11.4

1929

24717380317751

4.94.12.82.9

5770

25-45

4.84.88.36.10.300.311.21.9

490419

957556664.85.01.42.1

3042

19617760364757

4.33.82.72.5

6265

45-85

_

4.9_5.1_0.25-1.6

-412

-73

_

36-3.7-1.0—

27

_

131-

32_

20-2.9_1.8—

62

0-5

5.34.9

16.811.90.780.627.72.9

21591 253

309169230103

14.18.70.11.01

11

96531022966

19769

8.34.71.22.4

1551

Monocultivo

Profundidad (cm)

5-25

4.74.69.06.80.410.411.31.6

609374135

4414651

5.44.40.92.0

1645

2401016520

11257

5.44.43.43.6

6381

25-45

4.74.68.1

- 5.80.330.301.11.9

53932311847

13232

5.04.41.02.3

2053

18882451946314.53.93.13.2

6883

45-85

_4.6_4.5—0.26-2.0

-274

-42-

30-3.2-1.4-

43

—100

-22-

28-3.6_

2.8-

78

0-5

5.24.5

16.59.00.750.542.84.4

1 266125240

1819654

9.14.50.33.63

80

Sin vegetacion

Profundidad (cm)

5-15

4.44.4

11.87.50.540.381.31.8

3466384

810251

5.14.12.43.6

4787

25-45

4.54.6

11.46.70.390.311.31.7

3105769

886304.73.62.43.2

5188

45-85

_4.5

—4.5-

0.24_

2.4

_

51-

5-

26

—3.0_

2.6-

88

Los datos linicos son x de n = 6, los dobles son x de n = 3 y corresponden a los suelos de alta (grupo 1) y baja fertilidad (grupo 2). Ma-teria organica (m.o.), N total y saturacion acida (sat.ac.) en %, CICE en cmol/kg-1; Ca, Mg y K extrafbles y P disponible en mg/kg-1.

Ii

natural en los suelos de menor fertilidad (G2): bajomonocultivo se presentaron los valores ma's altos desaturacion acida como consecuencia de diferenciassignificativas en las concentraciones de Ca, Mg y K(valores mas bajos) y Al + H (valores mas altos). Talesdiferencias se acentuaron en el tiempo como puedeobservarse en la Fig. 1, donde se presentan las tenden-cies hasta 25 cm de profundidad. En el caso de los

suelos de alta fertilidad (Gl), en cambio, no se obser-varon diferencias significativas entre ambos tratamien-tos, lo que indican'a que el monocultivo afecta la fer-t i l idad del suelo dependiendo de sus condiciones ori-ginales (13). En la parcela sin vegetacion, sometida auna mayor exposicion a lluvias y a altas temperaturas,el aumento del % de saturacion acida resulto especta-cular; de 3% a 80% en los primeros 5 cm y de 47%entre 5-25 cm.

,Y

a,

Turrialba Vol. 38, No. 4, 1988, pp. 345-351

348 TURRIALBA: VOL. 38 NUM. 4, TRIMESTRE OCTUBRE-DICIEMBRE 1988

I

16.

14.

12

10.

8

6

materia orginica

0 - 5 cm

•sucesidn• monocul t ivo• sin vegetacidn

10 20 30 40 50 60t i empo ( meses )

16.

14

12.

10

8

a•o'

r r a t e r i a orgdnica

5 - 25 cm

10 20-T—30

— i —40

i —50

—i—60

t iempo ( meses )

50.

40.

3d

20.

10.

0.

saturacidn a'cida del grupel

0 - 5 cm

sucesidn

monocult ivo

10 20 30 40 50 60

tiempo ( m e s e s )

50.

<OL

30.

20.

10.

saturacidn a'cida del grupo 1

0 10 20 30 40 50 60t iempo ( meses )

90.

80-

70.

ea

5a

40.

30.

20.

10.

0_

saturacidn a'cida del grupo 2

0 - 5 cm ;

sucesidn

monocultivo

Sin vegetacidn .-o.

10 20 30 40 50 60t i e m p o ( meses)

90-

8Q

70

60.

5CL

40

30.

20

ia

a

saturacidn a'cida del grupo 2

5 - 25 cm

10 20 30 40 50 60t i empo (meses)

Fig. 1. Distribucion d£ la materia organica y del JiAe saturacion -acida en el tiempo y dos profundidades -0-5 cm-y 5-25 cm- de los trestratamientos: sucesion natural, monocultivo y sin vegetacion. Los datos de materia organica son medias de n = 6 y los del % desat. acida son medias de n = 3 para los dos grupos de suelos: Gl alta y G2 baja fertilidad.

MAZZARINO£7*>1Z,.: FERT1LIDAD DE SUELOS VOLCANICOS 349

E4COQ

33000

02000j13

KXX>- 75Q

5CQ350

0.

Sucesicin natural0 - 5 cm5 - 25cm

a= agosto 1979b= octubre 1983

001 at 02 TO 10P en solucidn

100

o£

3000

02000.

fisoct/)0.000,

75T,

500350-

a

monocultivo

001 0.1 0.2 "To fo ~~iooP en solucio'n (mg.L"')

g'AOOQ

o

i1/13000.

c

oZOOO,

BOQ75050Q350-

a

sin vegetacidn

001 0.1 0.2 TO 100P en solucidn (mg.L1)

Fig. 2. Isotermas de retention de fosforo de los tres trata-mientos para dos fechas de muestreo -comienzo yfinal del ensayo- y dos profundidades: 0-5 y 5-25cm. Los dates de sucesion natural y monocultivo co-rresponden al grupo de suelos de baja fe r t i l idad (G2).

Los suelos tropicales derivados de cenizas volcani-cas presentan una alta capacidad de retencion de P de-bido a la presencia de alofanos y de Al hitercambia-ble; los Dystrandepts ocupan entre ellos una posicion

intermedia (7). Se construyeron isotermas de P parados suelos representatives de ambos grupos, dos pro-fundidades y dos fechas: cinco y 55 meses despues dela quema. Los valores fluctuaron entre 400-1 000 mgP/kg-1 de suelo para una concentration estandar ensolucion de 0.2 mg L-l (Fig. 2 y Cuadro 2). En gene-ral, la capacidad de retencion de P aumento en eltiempo para los tres tratamientos en el siguienteorden: sucesion < monocultivo < sin vegetacion yfue mayor en G2 que en G l . Estas diferencias de re-tencion no se manifestaron, sin embargo, en el nivelde P disponible que fue, en general, muy bajo, sin di-ferencias significativas entre grupos o tratamientos.

No se observaron diferencias significativas en losniveles de materia organica entre sucesion y monocul-tivo (Fig. 1). En el caso de la parcela sin vegetacion seobserve un descenso muy marcado durante los prime-ros 18 meses (50% de perdida) para luego subir y es-tabilizarse a valores muy altos: 9-12%. A mayor pro-fundidad (5-25 cm), los valores en esta parcela fueronmas altos que en el monocultivo y la sucesion, proba-blemente por acumulacion del material descompuestoen superficie y por muerte y descomposicion de raf-ces. La alta estabilidad de la materia organica que re-sulta de estos datos puede deberse a: (1) la formacionde complejos con alofanos y oxides hidratados alta-mente resistentes a la descomposicion y (2) a una dis-minucion de la actividad microbiana por deficienciade fosforo (7) y/o aumento de las condiciones de aci-dez (menos cationes, mas Al e H).

En la Fig. 3 se presentan las tendencias de biomasaaerea en el tiempo. En el caso de la sucesion naturalno se observaron diferencias signif icat ivas de biomasaentre los dos grupos de fertilidad de suelos; sin embar-go, existen diferencias significativas de concentracionde nutrimentos: N, P, K, Ca y S en hojas y tallos. conlos valores mas bajos en el suelo de menor fertilidad(Cuadro 3). En el caso del monocultivo de mai'z yyuca no se encontraron diferencias significativas debiomasa entre Gl y G2; en cambio, fueron muy signi-ficativas (p < 0.001) en el caso de Cordia alliodoracon los menores valores en G2. Por otro lado, el ana-lisis estadi'stico de biomasa aerea de Cordia respecto ala sucesion natural para las cuatro ultimas fechas demuestreo (nov. 82 a nov. 83) arrojo diferencias signi-ficativas en el suelo G2 pero no en G l . Esto indican'aque en condiciones de alta fertilidad, un monocultivopuede ser igualmente productive, y probablementeaun mas que la vegetacion natural; en cambio, estapresents ventnjas adap ta t ivas que le permiten aprove-char mejor los recursos en condiciones de estres defertilidad . (8) propone una serie de mecanismos queexplican'an esta capacidad entre ellos: velocidad deconsume de nutr imentos , relacion rai'z/tallo; exuda-dos de la rizosfera, tolerancia a suelos acidos, diversi-

Turrialba Vol. 38, No. 4, 1988, pp. 345-351

350 TURR1ALBA: VOL. 38 N U M . 4, TR1MHSTRE OCTUBRE-DICIEMBRE 1988

Cuadro 2. Fosforo sorbido en el suelo (mg/kg-1)a dos fechas de muestreo y aumento en

para una concentracion estandar en solucion de 0.2la sorcion de P entre ambas fechas.

mg/L-1. Valores correspondientes

Profundidad (cm)

Grupo 1

SucesionMonocultivo

Grupo 2SucesionMonocultivoSin vegetacion

MesS

400400

625665415

0-5

Mes55

575675

765875850

Aumento

175275

140210435

MesS

665875

1 1201 1001 100

5-25

MesSS

7751 025

1 3201 3001 325

Aumento

110150

200200225

dad de especies, etc. Las diferencias de fertilidad yproduction observadas en el presente trabajo indica-n'an que la alta fertilidad de los suelos volcanicos (9,13) no es una aseveracion generalizable.

30.

tn/ha

26.

22

18

biomasa aerea en el grupolSucesicJnrrronocultivo

0

Hg. 3.

45 55 65t f c m p o ( meses )

Distribution de la biomasa aerea en el tiempo de lasucesion natural y los monocultivos en los dos suelosde dilerente fertilidad. Biomasa aerea obtenida de lasuma de hojas, ramas, troncos y partes reproductivas;los datos son medias de n = 3.

CONCLUSIONES

Dentro de un pen'odo de analisis de cinco afios ytomando al % de saturation acida como indicador ca-racten'stico de la fertilidad del suelo puede concluirseque: la sucesion de monocultivos no afecta la fertili-dad del suelo en comparacion con la sucesion naturalsi las condiciones originales son de baja saturationacida. En cambio, la empeora significativamente cuan-do las condiciones originales son de saturation acidaalta, produciendo un aumento continue de la misma.En este ultimo caso se trata de una retroalimentacionnegativa pues la menor fertilidad determina baja pro-duction de biomasa lo que, a su vez, facilita los pro-

Cuadro 3. Medias (x) de concentracion de nutrimentos enhojas y tallos y analisis Duncan de significancia(p < 0.05) para los dos grupos de suelos (Gl yG2).

Nutrimentos

Hojas

G l xG2xP <

TallosGl xG 2 x

P <

N

3.152.750.01

1.080.920.04

P

0.200.170.03

0.830.71-

S

0.240.190.001

1.200.94-

Ca Mg

1.70 0.681.26 0.630.001

0.73 0.460.62 0.420.02

K

2.572.230.04

1.801.520.03

Se incluyen todas las fechas de muestreo, n = 36; las concen-traciones de nutr imentos expresadas en %; - indica diferen-cias no significativas.

MAZZARINO£T,4A.: FERTILIDAD DE SUELOS VOLCANICOS 351

cesos de lavado de nutrimentos. Los ecosistemas demayor diversidad aseguran una determinada produc-cion de biomasa, de manera que no hay djferenciasentre suelos de mayor y menor fertil idad; las diferen-cias en este caso aparecen a nivel de concentracion denutrimentos en la biomasa.

El mantenimiento del suelo sin cubierta vegetalconduce a un aumento continue de la saturacion aci-da, con todo lo que ello implica: aumento de acidez

intercambiable, perdida de bases, disminucion de laactividad microbiana y un aumento notable de la re-tencion de fosforo. De todas maneras, las perdidas demateria organica no son tan severas como podri'a es-perarse.

Si bien los suelos volcanicos aparecen en la biblio-grafi'a como ricos en nutrimentos respecto a Oxisolesy Ultisoles, no son homogeneos. El ejemplo ofrecidoen el presente trabajo muestra claramente la gran va-riabilidad en la fertilidad existente y sus consecuen-cias.

*

LITERATURA C1TADA

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