Cultivos de servicios: ¿cómo afectan la dinámica de la materia orgánica del suelo?

INTRODUCCIÓN

Uno de los mayores desafíos para sostener la producción agrícola en el largo plazo es diseñar agroecosistemas que permitan mantener la materia orgánica del suelo (MOS). Generalmente se propone que la siembra de cultivos de servicios o de cobertura podría contribuir a aumentar los contenidos de MOS porque aumentan los aportes de biomasa al suelo. Sin embargo, tras la inclusión de estos cultivos no siempre se observan aumentos en la MOS (Alvarez, Steinbach & De Paepe 2017; Poeplau & Don 2015). Probablemente la ausencia de efectos consistentes de los cultivos de servicios sobre la MOS se deba a que cuando se comparan los contenidos totales de MOS es muy difícil detectar los cambios que ocurren en el corto plazo porque es un compartimento muy grande y heterogéneo. Sin embargo, mediante el método de dilución isotópica, es posible detectar los cambios que ocurren en distintas fracciones de la MOS en el corto plazo y estimar cómo son los flujos de entradas y de salidas en cada una (Piñeiro et al. 2012).

La MOS puede separarse en dos fracciones en función del tamaño de partícula, las cuales se distinguen en su estructura, funcionamiento y tiempo de residencia del C en el suelo: materia orgánica particulada (MOP>50μm) y materia orgánica asociada a los minerales (MOAM < 50μm ) (Cambardella & Elliot 1992). La MOP está compuesta por restos vegetales y presenta una bioquímica muy similar a la broza, ya que únicamente las diferencia el tamaño de partícula (broza>2 mm>MOP). Por lo tanto, al igual que en la broza, la descomposición de la MOP se encuentra limitada por la presencia de compuestos recalcitrantes (i.e. altos contenidos de lignina y relación C/N) y puede ser estimulada por el aumento en el N disponible (Knorr, Frey & Curtis 2005). En cambio, la MOAM está compuesta por productos derivados de los microorganismos que presentan bajo peso molecular y relación C/N. Estos compuestos presentan una protección física a la descomposición porque se encuentran adsorbidos a las arcillas y limos, ocluidos dentro de los agregados o asociados a metales del suelo y por lo tanto los microorganismos requieren mucha energía para descomponerlos (Fontaine, Mariotti, &Abbadie 2003; Kuzyakov, Friedel, & Stahr 2000).

El método de dilución isotópica permite estimar los flujos de entradas, dados por la humificación de los aportes de biomasa, y de salidas, dados por la descomposición de la MOS. Este método se basa en que la relación ¹³C/¹²C (δ¹³C) que presenta la MOS depende de la vegetación que le dio origen y en que las plantas con metabolismo fotosintético C₃ y C₄presentan distinta δ¹³C. De este modo, cuando un campo natural con presencia de especies C₄ es transformado en un campo de cultivos en donde sólo se siembran especies C₃, es posible distinguir el C_viejo, que estaba presente en el campo natural, del C_nuevo que fue formado a partir de los cultivos C₃ (Desjardins et al. 1994). Esto permite estimar el porcentaje de descomposición, a partir de la diferencia entre el C_viejo y el contenido de C en el momento inicial, y el porcentaje de humificación considerando la proporción de los aportes de C de los cultivos que forman C_nuevo.

Las características de los cultivos de servicios que influyen en la descomposición y en la humificación del C de cada fracción de la MOS son muy diferentes. Los aportes de biomasa que más contribuyen a la formación de C en la MOP (C-MOP) son los que presentan un mayor tiempo de residencia en esta fracción debido a su difícil descomposición (Melillo et al., 1982; Taylor et al., 1989; Enriquez & Duarte 1993). Por esta razón, los aportes de las gramíneas, que son más recalcitrantes que los de las leguminosas por su alta C/N y contenido de lignina, podrían tener una mayor humificación en la MOP. A su vez, las leguminosas, además de presentar una menor humificación, podrían acelerar la descomposición de la MOP_vieja de manera similar a lo que sucede con la descomposición de la broza (efecto priming por nitrógeno) (Knorr, Frey, & Curtis 2005). En cambio, en la MOAM la humificación aumenta cuando los aportes presentan una estequiometría similar a la de los microorganismos descomponedores (baja C/N), ya que los nutrientes limitantes condicionan la formación de MOAM_nueva (Cotrufo et al. 2013; Kirkby et al. 2013). Por ello, las leguminosas que presentan una menor C/N podrían presentar mayor humificación del C en la MOAM (C-MOAM) que las gramíneas. Además, los aportes con una alta relación C/N que presentan las gramíneas pueden estimular la descomposición de la C-MOAM_viejo debido a que ocurre un efecto de priming por energía. En ambas fracciones para que el efecto de incluir cultivos de servicios sea positivo, las entradas por humificación deben ser mayores a las pérdidas por descomposición. Por ello, el objetivo de este trabajo fue estimar el efecto de diferentes cultivos de servicios sobre dichos flujos en las fracciones MOP y MOAM.

MATERIALES Y MÉTODOS

Descripción del experimento

El experimento fue instalado sobre un campo natural ubicado en la Unidad Experimental Palo a Pique de INIA Treinta y Tres, Uruguay (33,25° de latitud sur, 54,48° de longitud oeste, 47,0 m de altitud sobre el nivel del mar). El suelo dominante en el área de estudio es un Argisol Subéutrico Lúvico y pertenece a la Unidad de Suelo José Pedro Varela. Previo a la instalación del experimento el suelo presentaba 8ppm de P (método de ácido cítrico), 10ppm de N-NO3, 1,9 meq de Mg 100g^-1 y 0,3 meq de K 100g^-1. En septiembre del 2011 se aplicó glifosato sobre el campo natural y se sembró el cultivo de soja mediante un laboreo reducido. En abril del 2012 se iniciaron las rotaciones con la siembra al voleo de los cultivos de servicios sobre el cultivo de soja en pie. Cada parcela recibió la misma rotación durante 3 años, con cultivos de servicios o barbecho invernal (Testigo), con el fin de acumular los efectos producidos por los diferentes cultivos. Los cultivos de servicios sembrados fueron Trifolium alexandrinum cv. INIA Calipso, Vicia sativa cv. Barril, Raphanus sativus cv. Brutus, Lolium multiflorum cv. INIA Cetus y Avena strigosa cv. Calprose Azabache. La siembra de los cultivos de servicios fue durante la primera quincena de abril y la aplicación de herbicida para interrumpir su ciclo, entre fines de septiembre y principios de octubre. El cultivo de soja se sembró en diciembre, mediante siembra directa a 32cm de distancia entre hileras.

Producción de biomasa y aportes de C y N al suelo

La producción de biomasa aérea de los cultivos para servicios, se evaluó todos los años en primavera, previo a la aplicación del herbicida. La producción subterránea se estimó a partir de la partición R/T de cada cultivo de servicio evaluada a campo en el año 2014. Todos los años se determinó el rendimiento del cultivo de soja y fueron utilizados para estimar la biomasa aérea y la subterránea considerando un índice de cosecha de 0,45 y una partición raíz/tallo de 0,1. Todas las muestras de biomasa se secaron en estufa a 60°C y fueron analizadas con un espectrómetro de masa acoplado a un autoanalizador Elemental Analyzer en la universidad de DUKE en USA para estimar los contenidos de C, N y δ¹³C. Estas mediciones permitieron caracterizar las entradas de biomasa al suelo que se detallan en la Tabla 1.

Estimación de la descomposición y humificación de la MOP y la MOAM

Para evaluar el cambio que genera cada rotación en la señal isotópica del C en la MOP y en la MOAM se tomaron muestras de suelo en el momento inicial y final del experimento. En cada parcela, se tomaron 8 muestras con un barreno de 2,2 cm de diámetro en las profundidades de 0-5 y 5-15. Las muestras fueron agrupadas en pares para estimar densidad aparente y dado que no existieron diferencias significativas no fue necesario corregir por masa constante. El fraccionamiento físico de la MOS se realizó con el método descripto por Cambardella & Elliot (1992) y en las fracciones MOP y MOAM se midió el %C y %N y la abundancia relativa de ¹³C con un espectrómetro de masa Finnigan MAT Delta Plus XL, acoplado a un autoanalizador Elemental Analyzer (Carlo Erba Instruments Inc.) en la universidad de DUKE en USA.

Para estimar los flujos de entrada y de salida del COS en las distintas rotaciones se utilizó el método de dilución isotópica (Desjardins et al. 1994). Debido a que todos los cultivos sembrados en las rotaciones y las malezas presentes en los periodos de barbecho fueron especies con metabolismo fotosintético C₃, el valor de δ¹³C del campo natural tiende a disminuir a medida que ingresa C de los cultivos. Este cambio que se genera en la δ¹³C del C de la MOP y de la MOAM permite estimar el %C-MOP_nuevo y %C-MOAM_nuevo (i.e. que fueron formados a partir de los aportes de la rotación), el %C-MOAM_mop (i.e. que fue formado a partir de la MOP) y %C-MOP_viejo y %C-MOAM_viejo(i.e. que fue formado previo a la instalación del experimento, a partir de los aportes del campo natural) utilizando las siguientes ecuaciones:

a) %C-MOS_nuevo= (δ¹³C-MOS_final- δ¹³C-MOS_inicial)/ (δ¹³C_aportes- δ¹³C-MOS_inicial)*100

b) %C-MOP_nuevo= (δ¹³C-MOP_final- δ¹³C-MOP_inicial)/ (δ¹³C_aportes- δ¹³C-MOP_inicial)*100

c) C-MOAM_nuevo(Tn ha^-1) = C-MOS_nuevo – C-MOP_nuevo

d) C-MOAM_mop(Tn ha^-1) = [C-MOAM_nuevo*(δ¹³C-MOAM_inicial- δ¹³C_aportes)+ C-MOAM_final*(δ¹³C-MOAM_final- δ¹³C-MOAM_inicial)]/(δ¹³C-MOP- δ¹³C-MOAM_inicial)

donde δ¹³C-MOS_inicial,δ¹³C-MOP_inicialyδ¹³C-MOAM_inicialcorresponden a la δ¹³C que presentaba el C-MOS, C-MOP y C-MOAM en el momento inicial del experimento; δ¹³C-MOS_final,δ¹³C-MOP_finalyδ¹³C-MOAM_finalcorresponden a la δ¹³C que presentaban al final del experimento (luego de las rotaciones de 3 años de duración) y δ¹³C_aportescorresponde a la δ¹³C de los aportes totales de biomasa que recibió el suelo en cada rotación (Balesdent 1987; Piñeiro et al. 2012).

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Análisis estadísticos

Los efectos de las distintas rotaciones en los contenidos de C en la MOP y en la MOAM se evaluaron mediante el análisis de la varianza (ANOVA) utilizando el programa InfoStat. La comparación post hoc de las medias se realizó mediante la prueba LSD de Fisher (α=0,05). Se compararon tanto los contenidos totales de C en ambas fracciones como los contenidos de C-MOP_nuevo, C-MOP_viej_o, C-MOAM_nuevo, C-MOAM_mop y C-MOAM_viejoque presentó cada rotación al final del experimento.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Luego de tres años de sembrar los distintos cultivos de servicios los contenidos de C-MOP en los primeros 15 cm de profundidad disminuyeron en todas las rotaciones, en comparación al campo natural o al momento inicial del experimento (Figura 1). En el tratamiento testigo el contenido de C-MOP fue menor que en el resto de las rotaciones (2,75±0,14 Tn C-MOP ha^-1 en la profundidad 0-15), pero presentó diferencias significativas sólo con A. strigosa (3,93±0,58 Tn C-MOP ha^-1 en la profundidad 0-15) (Figura 1). Las diferencias en el C-MOP estuvieron dadas principalmente por las diferencias en el C-MOP_viejo ya que no se encontraron diferencias significativas en el C-MOP_nuevo (p=0,41). En este sentido, las distintas rotaciones formaron en promedio 1,11±0,28 Tn C-MOP_nuevo ha^-1. En cambio, el C-MOP_viejo en los primeros 15 cm fue mayor en la rotación de A. strigosa (2,55±0,37 Tn ha^-1), la cual presentó una menor descomposición del C-MOP_viejo que el testigo y la rotación con T. alexandrinum. Esto sugiere que tanto la ausencia de aportes en los periodos de barbechos como el aporte de biomasa con una baja relación C/N podría estimular la descomposición de la MOP y conducir a menores contenidos de C-MOP (Figura 1).

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Con respecto a la MOAM, todas las rotaciones lograron mantener contenidos similares de C-MOAM en los primeros 15 cm de profundidad con respecto al momento inicial, e incluso en las rotaciones con leguminosas los contenidos de C-MOAM aumentaron, llegando a valores similares a los del campo natural (Figura 2). El tratamiento testigo presentó el menor contenido de C-MOAM (27,17±1,52 Tn ha^-1), principalmente debido a su menor contenido de C-MOAM_viejo. Las dos leguminosas en cambio, fueron las especies que presentaron los valores más altos de C-MOAM, debido a sus altos valores de C-MOAM_viejo (en promedio 27,2±2,53 Tn ha^-1 de C-MOAM_viejo), que fueron significativamente mayores al testigo (23,63±1,58 Tn C-MOAM_viejo ha^-1), generando una diferencia de casi 4 toneladas de C-MOAM_viejo entre estos tratamientos. A su vez, el C-MOAM_mop también fue mayor en las leguminosas (1,69±0,55 Tn C-MOAM_mopha^-1 en promedio), sugiriendo un mayor pasaje de C desde la MOP hacia la MOAM. Las gramíneas en cambio, presentaron los menores valores de C-MOAM_mop, siendo A. strigosa la que mostro los valores más bajos (1,08±0,14 Tn C-MOAM_mop ha^-1). Por otro lado, el contenido de C-MOAM_nuevo tendió a ser mayor en las gramíneas, especialmente en A. strigosa (2,53±0,23 Tn C-MOAM_nuevoha^-1) que resultó ser significativamente mayor al de T. alexandrinum y R. sativus (1,78±0,79 y 1,80±0,21 Tn C-MOAM_nuevoha^-1, respectivamente). Es decir que los cultivos de servicios de las gramíneas aumentan el ciclado de C en la MOAM, dado que estimulan su descomposición, pero luego logran formar una buena cantidad de C-MOAM_nuevo (Figura 2).

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Nuestros resultados dan lugar al planteo de nuevas hipótesis para explicar los resultados contradictorios reportados en la bibliografía sobre el efecto de los cultivos de servicios sobre la MOS. En general, las revisiones muestran que los cultivos de servicios aumentan la MOS en el largo plazo y sugieren que la ausencia de efecto o la pérdida de MOS se debe a que los experimentos se necesitan continuar por más tiempo (Poeplau & Don 2015; Alvarez et al. 2017). Sin embargo, es importante considerar que para que el efecto sobre la MOS sea positivo es necesario garantizar que las entradas dadas por la humificación superen a la descomposición de la MOS. En nuestro experimento, esto sólo ocurrió con cultivos de servicios de leguminosas. Pero, dado que las características de los cultivos de servicios que influyen en la descomposición y en la humificación del C de cada fracción de la MOS son muy diferentes es necesario considerar los cambios en cada fracción. Por ejemplo, la disminución en la MOS tras la inclusión de cultivos de servicios de leguminosas observada por Plaza-Bonilla et al. (2016) podría deberse a una disminución en la MOP por un efecto de priming por N que estimula la descomposición de la MOP (Knorr, Frey & Curtis 2005). En estos casos donde los cambios en la MOS sean explicados por los cambios en la MOP, sería necesario incluir cultivos de servicios con una alta C/N para evitar la descomposición de la MOP (Mathew et al. 2017). Sin embargo, es probable que los cambios en la MOP sólo gobiernen los cambios en la MOS cuando la MOAM se encuentre saturada o la MOP represente una fracción grande de la MOS, como ocurre en suelo arenosos. Esto permitiría explicar las diferencias con los resultados encontrados por Ladoni et al. (2016). En este caso, los aportes con baja C/N aumentaron la MOS porque podrían estar reflejando los cambios en la MOAM. Bajo el supuesto de que la MOAM se encuentra lejos del estado de saturación, la estequiometría de los aportes de las leguminosas permitiría aumentar la eficiencia de los microorganismos del suelo y aumentar la humificación en la MOAM (Cotrufo et al. 2013; Castellano et al. 2012).

CONCLUSIONES

Luego de tres años de sembrar los distintos cultivos de servicios los contenidos de C-MOP disminuyeron en todas las rotaciones con respecto al momento inicial del experimento y el tratamiento testigo tuvo el menor contenido de C-MOP. Entre las rotaciones evaluadas, las que presentaron los mayores contenidos de C-MOP fueron A. strigosa, L. multiflorum y V. sativa. Los menores contenidos de C-MOP del tratamiento testigo y de la rotación con T. alexandrinum estuvieron explicados por un aumento en la descomposición de C-MOP_viejo que podría deberse a la ausencia de aportes en el periodo de barbecho o un efecto priming de N (el cual fue observado en T. alexandrinum pero no en V. sativa). Por otra parte, todas las rotaciones mantuvieron contenidos similares de C-MOAM con respecto al momento inicial, y las rotaciones con leguminosas aumentaron la C-MOAM, llegando a valores similares a los del campo natural previo a la instalación del experimento. Estos cambios en la MOAM se debieron tanto a cambios en la descomposición como en la humificación de la MOAM (entradas y salidas de C). Nuestros resultados siguieren que las gramíneas aumentan la descomposición de la MOAM pero también su humificación (por lo tanto aumentando su velocidad de ciclado), mientras que las leguminosas disminuyen la descomposición y aumentan la humificación de la MOAM en los rangos estudiados.

AGRADECIMIENTOS

A Ignacio Macedo por su colaboración en las evaluaciones del experimento y a las Empresas Agritec, Fertiprado y Wrighston Pas y Erro por la provisión de materiales.