Introducción
La caña de azúcar (Saccharum spp.), es un agroecosistema que genera una emisión de carbono (C) equivalente al 20% de la quema de combustible fósil en México (Morales, 2011). Su manejo es de baja sustentabilidad ambiental; sin embargo, actualmente mantiene una alta sustentabilidad social y económica (Carrillo et al., 2008). En este cultivo ocurren problemas como la pérdida de materia orgánica (MO) y la alta emisión de C que se da por la quema y requema de la caña para facilitar su cosecha e inicio de ciclo (Morales, 2011). La MO es importante en suelos agricolas porque mejora la productividad de los cultivos y es el mejor indicador de la calidad de un suelo; está formada por los componentes vivos, raíces, macro y microorganismos; es fuente de energía y habitat especifico para la biomasa edáfica (Julca-Otiniano et al., 2006). Por ello, es necesario realizar diagnósticos oportunos a través de análisis físicos, químicos y biológicos (Etchevers y Volke, 1991).
La calidad del suelo es definida como la “capacidad de funcionar de un específico tipo de suelo”. En general es evaluada midiendo un grupo mínimo de datos de propiedades de éste para estimar su capacidad para realizar funciones básicas como mantener la productividad, regular y separar agua y flujo de solutos, filtrar y tamponar contra contaminantes, y almacenar y reciclar nutrientes, siendo unas de las propiedades más comunes la MO, sus componentes, la macrofauna edáfica y la DLRF que a su vez, están relacionadas con la profundidad; la mayor exploración de las raíces finas y desarrollo en número de organismos edáficos se observa en las capas superficiales, notándose una disminución a partir de los 30 cm (Bastidas et al., 2011).
La MO es precursora de las diferentes formas de C del suelo, factor clave en la fertilidad, tiene una marcada influencia sobre la biota edáfica y, bajo un manejo racional, contribuye con una importante cantidad de nutrientes al suelo (Bautista et al., 2004). Los indicadores químicos, físicos y microbiológicos en los suelos cañeros, disminuyeron de forma progresiva al realizar la cosecha de forma manual, la quema y requema de los residuos es la causa principal (Armida et al., 2005). Si se evita este manejo, se utiliza cachaza y una dosis de fertilización adecuada, se incrementan el rendimiento, la MO y la fertilidad del suelo (Salgado-García et al., 2003; Arreola et al., 2004).
La macrofauna edáfica está constituida por organismos que tienen la función de modificar el suelo, ya sea por sus movimientos o por sus hábitos alimenticios (Álvarez e Ignacio, 2007), desempeña varias funciones que favorecen su estructura, fertilidad, infiltracion y mineralización de los nutrimentos (Lang-Ovalle et al., 2011), además de la recuperación de áreas degradadas (Lavelle et al., 2006). Geissen y Morales (2005) consideraron que la macrofauna fue un buen indicador para evaluar la calidad del suelo, ya que reaccionó a los impactos causados por prácticas de manejo.
En un estudio de macrofauna edáfica se compararon plantaciones de mango y caña de azúcar, encontrándose una ligera variación en la frecuencia de invertebrados (40 y 37%) y una correlación positiva entre la riqueza de éstos y la MO en el horizonte A, que se atribuyó a la tolerancia de la macrofauna al manejo de la caña (Lang-Ovalle et al., 2011). La fauna edáfica es importante porque participa en los procesos de descomposición en ecosistemas naturales y manejados, logrando así mejorar la calidad de suelo (Méndez y Equihua, 2001).
La interacción entre la macrofauna edáfica y la biomasa vegetal es fundamental en el ciclaje de carbono, en estudios realizados en el agroecosistema de caña se encontró que Podischnus agenor Oliver, además de ser el mayor consumidor de residuos de cosecha, aporta beneficios positivos al cultivo, siempre y cuando no se le restrinja el acceso a material que satisfaga sus requerimientos alimentarios (Stechauner y Madrinan, 2013).
Por su parte, las raíces finas son importantes para extraer nutrimentos del suelo (Cudlin et al., 2007), además de funcionar como órganos de reserva de éstos, son encargadas de regular la fisiología de la planta, fijar carbono y ayudar en la aireación del suelo (Azevedo et al., 2011).
Por lo anterior, el presente trabajo tuvo como objetivo analizar en dos épocas del año, indicadores de calidad edáfica del agroecosistema caña de azúcar a partir de la caracterización y el diagnóstico nutrimental del suelo y la densidad de longitud de raíces finas.
Materiales y métodos
Área de estudio
El estudio se realizó de julio de 2011 a abril de 2012 en la región cañera de la Chontalpa, Tabasco, en el campo experimental (km 21) del Campus Tabasco-CP (17°59´10,90” y ٩٣°٣٥´٢٩,64”; 11 msnm), municipio de Cárdenas, donde el clima característico del trópico húmedo se clasifica como cálido húmedo Am(g)”w”, con un promedio anual de temperatura de 26 °C y precipitación de 2324 mm, siendo menor de 50 mm en los meses secos (marzo y abril) y de alrededor de 400 mm en los lluviosos (septiembre y octubre) (García, 1988). En Tabasco se presentan tres épocas climáticas: la seca, que va de febrero a abril, y dos húmedas: lluvias, de mayo a octubre, y nortes, de noviembre a enero, en la cual se presentan vientos boreales y frentes fríos sobre la planicie costera del golfo (Ruíz-Álvarez et al., 2012).
Fisiográficamente la zona corresponde a una llanura aluvial baja del Cuaternario Reciente con sedimentos profundos acarreados de la Sierra Norte de Chiapas por numerosos ríos y arroyos que surcan la zona. La mayoría de los suelos de la llanura aluvial presentaron alta fertilidad natural y son ricos en casi todos los nutrimentos requeridos por las plantas, aunque se detectaron respuestas principalmente al aporte de N y P en la mayoría de los cultivos; si bien son suelos profundos, las raíces de los cultivos tuvieron problemas de anclaje debido a que el manto freático siempre se encontró cercano a la superficie del suelo (Palma et al., 2007).
El cultivo de caña pertenece al ciclo soca, variedad Mex 69-290, que tuvo un rendimiento de 64 t·ha-1 de tallos molederos, la cosecha se realizó de forma manual después de la quema, la basura (punta de caña y chupones) se requemó para permitir el avance de la maquinaria durante el subsoleo, se aplicó una dosis de fertilización de 120-60-60 a los dos meses y medio del rebrote. Los muestreos se realizaron después de la cosecha. El manejo agronómico que se dio a la parcela fue el que se recomendó para la región (Obrador, 2009).
Caracterización de la unidad de suelo
Se seleccionó una plantación de caña de azúcar de aproximadamente 20 años de edad; para la descripción de la unidad de suelo, se realizó una calicata de 1,80 m de profundidad (Cuanalo, 1990) y su clasificación se refirió a la Base Referencial Mundial del Recurso Suelo (IUSS-WRB, 2007).
Se tomó una muestra de cada uno de los seis horizontes de diagnóstico, para ser trasportadas al Laboratorio de Análisis de Suelos, Plantas y Agua (LASPA) del Colegio de Postgraduados, Campus Tabasco, donde se realizaron los siguientes análisis: pH con CaCl2 (1:2), MO por el método combustión húmeda de Walkley y Black, nitrógeno total (Nt) mediante Semi-micro Kjeldahl (modificado para incluir nitratos), fósforo (P) disponible Olsen (suelos neutros y alcalinos), capacidad de intercambio catiónico, bases intercambiables y textura por Bouyoucos, según la metodología de la Norma Oficial Mexicana (NOM-021- RECNAT, 2000).
Diagnóstico nutrimental del suelo
Se obtuvieron muestras compuestas por 15 submuestras cada una en dos profundidades 0-30 y 30-50, cm con barrena tipo holandesa, tomadas aleatoriamente (en zig-zag) abarcando todo el terreno. Se prepararon para realizar análisis de: pH en agua relación 1:2, MOS, textura, CIC, carbono orgánico soluble (COS), nitrógeno (N), P Olsen, potasio (K), calcio (Ca) y magnesio (Mg) en el LASPA (NOM-021-RECNAT, 2000).
Determinación de los indicadores biológicos
Para la determinación de la macrofauna edáfica se tomaron muestras de suelo de las cuatro caras de calicatas abiertas en las épocas húmeda y seca, hasta una profundidad de 60 cm, con ayuda de cubos metálicos de 25 cm de largo x 25 cm de ancho y 20 cm de alto, abiertos en la parte superior e inferior (Schlegel et al., 2000). Las muestras se colocaron en bolsas de plástico con su identificación correspondiente y fueron llevadas al Laboratorio de Entomología del Campus Tabasco, donde los organismos edáficos fueron separados del suelo, depositados en frascos con alcohol al 70% y etiquetados debidamente. Se revisaron 12 muestras de suelo por cada época, 24 en total. Los organismos recolectados fueron identificados y separados en los principales grupos taxonómicos (Clase y Orden) (USDA, 1999).
Distribución vertical de la densidad de longitud de raíces finas (DLRF) y fertilidad del suelo
Se abrieron cuatro calicatas hasta una profundidad de 1,60 m en la época de seca (abril) y cuatro en la época de lluvias (agosto), se realizaron muestreos cada 20 cm. Las dimensiones de los monolitos utilizados fueron: 7 cm de largo x 7 cm de ancho y 20 cm de alto. Las muestras de suelo, fueron colocadas cuidadosamente en bolsas de polietileno, identificadas y trasportadas al Herbario CSAT del Campus Tabasco, en donde las raíces finas, de diámetro inferior a 3 mm, fueron separadas del suelo (Cuanalo, 1990), lavadas a mano por el método de Böhm (1979), medidas, secadas en estufa a 70 ºC hasta peso constante y pesadas en balanza de precisión (±0,0001 g). En esos mismos perfiles se realizó un muestreo similar al anterior para conocer la fertilidad vertical del suelo, los análisis realizados y los métodos fueron los mismos que se indicaron para el diagnóstico nutrimental del suelo.
Diseño experimental y tratamientos
Se utilizó un diseño completamente al azar con un arreglo factorial en el que se consideraron dos épocas (seca y húmeda), cuatro perfiles por cada una de ellas y ocho profundidades por cada perfil. Las variables analizadas fueron: MO, pH, textura, CIC, COS, N, P Olsen, K, Ca y Mg (NOM-021- RECNAT, 2000).
Análisis de los datos
A los resultados se les realizó análisis de la varianza (ANOVA) y en caso de ser necesario pruebas de comparación de medias (Tukey, 0,05). Para determinar el grado de asociación entre variables, se estableció un análisis de correlación de Pearson entre las variables Nt, MO, COS, P, bases intercambiables, CIC y pH. El análisis de datos se realizó utilizando el programa SAS (2001).
Resultados y discusión
Caracterización del suelo
El suelo se clasificó como Vertisol Stagnico VRst (Éutrico), que es uno de los más comunes en la zona cañera de la planicie de Tabasco. Mostró grietas de 1 cm de ancho hasta 50 cm de profundidad en la época seca que se cerraron con la humedad, y evidenciaron procesos de expansión y contracción (Palma et al., 2007). En el cuadro 1 se observa la descripción y el comportamiento vertical de las propiedades químicas del perfil de suelo de acuerdo con los valores establecidos en la norma mexicana NOM-021-RECNAT, 2000 el contenido de N varió de medio (0-21 cm) a bajo (21-38 cm) y muy bajo (38-180 cm); el P de bajo a medio, el K se mantuvo bajo, disminuyendo ligeramente conforme a la profundidad; la MO fue baja a muy baja entre los 61 y 180 cm.
Diagnóstico nutrimental del suelo
El contenido de nutrientes (cuadro 2) varió de medio a muy bajo (NOM-021-RECNAT, 2000). Las propiedades químicas y la MO fueron similares en las dos profundidades (0-30 y 30-60), solo el P mostró diferencia de contenido entre ellas. Pla (1995) mencionó que los procesos de degradación se vieron perjudicados a lo largo de los años por la quema de la caña durante la zafra y de los residuos post-cosecha, lo que originó que la MO se mantuviera en niveles bajos en suelos cañeros. El contenido de P fue alto en la primera profundidad, disminuyendo hacia los 30-50 cm, comportamiento relacionado con el historial de fertilización y reveló una acumulación continua de este elemento, por lo que es importante considerar que para los rendimientos obtenidos, las dosis de fertilización fosfatada podrían ser menores (Mengel y Kirkby, 2000). Estos resultados coincidieron con los encontrados por Salgado-García et al. (2009) en otras zonas cañeras del país.
El muy bajo contenido de K en las dos profundidades constituyó un problema ya que el K es el nutrimento que la caña de azúcar necesita en mayor cantidad, debido a que interviene en los procesos de síntesis del azúcar y almidón, transporte de azúcares, síntesis de proteínas y estimulación enzimática (Mengel y Kirkby, 2000). Salgado-García et al. (2010) tuvieron resultados similares en la misma unidad de suelo, indicando la necesidad de mejorar las aplicaciones en las dosis para mejorar la calidad de los jugos (contenidos de sacarosa).
El N total presentó contenidos de bajos y muy bajos, conforme a la profundad. Un manejo adecuado de los residuos de la caña de azúcar favoreció el desarrollo de procesos de mineralización y liberación de N inorgánico en el suelo, que si bien no fue suficiente para abastecer la demanda de NO3 y NH4 del cultivo, sí contribuyó de manera importante en el suministro de N. Salgado-García et al. (2009) encontraron que en la zona de estudio, las dosis de fertilización nitrogenadas para un rendimiento promedio alrededor de 80 t de tallos molederos, fluctuaron entre 130 y 160 kg·ha-1, valores dependientes principalmente de la unidad de suelo.
Pérez et al. (2010) mencionaron que la MO fue el parámetro que mejor explicó la respuesta a las aplicaciones de N; para suelos con contenidos bajos de MO (<3,0%) se requirió de 1,14 kg de N por cada tonelada de caña producida; sin embargo, en suelos con contenidos medios o altos, la cantidad requerida de N por tonelada de caña de azúcar fue menor (1,0 kg), esto afirmó el hecho de que la MO es un factor importante para la sustentabilidad ambiental, económica y social.
Indicadores químicos y biológicos
Los valores más altos de N correspondieron al primer horizonte en las dos épocas en estudio (figura 1a) y estuvieron influenciados por la presencia de la MO que se encontró mayormente en el horizonte superficial del suelo (Espinoza, 2010). No se encontraron diferencias estadísticas entre épocas y profundidades (P>0,05), ya que la mayor velocidad de descomposición de MO y aporte de nutrimentos en zonas tropicales se relacionó generalmente con el incremento de la precipitación (Sánchez-Hernández et al., 2011).
El CO presentó valores más altos en los dos primeros horizontes en las dos épocas (figura 1b), los cuales fueron diferentes estadísticamente (P>0,05) al resto de las profundidades.
Como la MO y el CO estuvieron muy relacionados, no fue extraño que tuvieran un comportamiento similar. Se observaron tendencias que mostraron valores más altos en la época húmeda en comparación con la seca, donde se esperaría menor actividad de la biota del suelo, pero también menor extracción de nutrimentos de la caña de azúcar por falta de agua.
Los valores de CO encontrados en este estudio en las dos primeras profundidades (0,9 y 0,8%) fueron menores a los reportados por Sánchez-Hernández et al. (2011) para suelos con diferentes usos agropecuarios en el trópico mexicano, donde el CO varió entre 2,85 y 7,01% en el primer horizonte. Es importante considerar como prioritario para el cultivo de caña de azúcar el incremento de la MO del suelo, ya que su pérdida resulta en un descenso de la actividad biológica, un deterioro de las propiedades físicas, un bajo suministro de nutrimentos y, a largo plazo, la disminución de la productividad. La inclusión de prácticas de conservación e incorporación de residuos han sido particularmente importantes en cultivos altamente demandantes de nutrimentos, como es el caso de la caña de azúcar.
Los valores de P fueron más altos en los primeros horizontes en las dos épocas estudiadas (figura 1c), sin diferencias estadísticas (P>0,05) entre profundidades, con la salvedad de que el de la época seca de la segunda profundidad fue estadísticamente diferente a su similar de la época húmeda. El P es un elemento poco móvil por lo que no es extraño encontrarlo en concentraciones más altas en la parte superior del suelo, como tampoco lo fue encontrarlo en valores medios y altos en suelos agrícolas (Salgado-García et al., 2009). Los altos contenidos de P encontrados en el presente estudio para la primera profundidad, coincidieron con los reportados por Salgado-García et al. (2003, 2005, 2010). El historial de aplicaciones (constantes) de P2O5 (60 kg·ha-1) ha propiciado que en suelos cañeros se encuentren valores de P-Olsen que se ubicaron en los niveles medios y altos. El ajuste de las normas de fertilización tendrá que realizarse en consideración de los rendimientos esperados, los cuales deberían estar en el orden de las 80 t·ha-1 de tallos molederos (Obrador, 2009).
Los valores de COS fueron más altos en la primera profundidad en las dos épocas, el mayor contenido se encontró en la seca. No hubo diferencia estadística (P>0,05) entre las dos épocas (figura 1d), pero el comportamiento fue similar, disminuyendo a mayor profundidad, esto debido al descenso de la MO. En la época húmeda la primera profundidad fue igual (P>0,05) a su similar de la seca, pero ambas fueron diferentes (P<0;01) del resto en ambas épocas. El COS fue una de las variables más confiables para estimar la mineralización de la MO del suelo, aunque corresponde a un porcentaje muy bajo y fue muy dinámico, permitió hacer inferencias relacionadas con la disponibilidad de otros nutrientes minerales (Larson y Narain, 2001).
En el cuadro 3 se muestra la matriz de correlación entre las diferentes variables químicas estudiadas, varios se correlacionaron muy bien entre sí; COS y N fueron los mejores relacionados con la MO, aunque P y pH también presentaron valores de coeficiente de determinación (R2) altos. Las bases de intercambio Ca y Mg mostraron correlaciones altas entre sí (R2= 0,880). Comportamientos parecidos para estas variables (MO, COS, N, Ca y Mg) han sido reportados por otros autores (Rodríguez, 1982; Pérez et al., 2010), asumiendo que se debió a que en el suelo se presentaron dinámicas parecidas, o a afinidad química (por aniones) en el caso de las bases, o bien por ser componentes importantes del complejo orgánico de la MO.
En la figura 2 se muestra el comportamiento de la macrofauna del suelo cañero estudiado, los pocos organismos localizados se ubicaron en las dos primeras profundidades (0-20 y 20-40 cm). La escasa macrofauna del sitio se debió a la degradación del suelo, la cual estuvo relacionada con la pérdida de MOS, que fue consecuencia de quemas periódicas, el daño mecánico que implicó la labranza intensiva y, sobre todo, la gran aplicación de biocidas (Elliot y Lynch 1994). Aunque existen otros factores que podrían influir en dicha escasez, como fueron la estructura, el pH y la erosión hídrica del suelo, consecuencias de la pérdida de cobertura vegetal en este cultivo (Foth, 1979).
En la figura 3 se muestra la DLRF, hubo diferencias estadísticas en las tres primeras profundidades; no así a partir de la cuarta. En la época húmeda hubo una gran cantidad de raíces hasta los 60 cm, resultados que coincidieron con los reportados por Bastidas et al. (2011). La poca cantidad de raíces encontradas en la sequía parece indicar que la humedad disparó un crecimiento importante de raíces, las cuales fueron necesarias para el crecimiento de toda la planta (Avilán, 1977).
Los porcentajes de raíces para las diferentes profundidades se muestran en el cuadro 4. Es también importante recalcar que en el suelo en estudio las raíces finas estuvieron explorando a una gran profundidad, lo que contrastó con lo reportado por Zérega et al. (2002). Lo anterior podría estar asociado a la buena profundidad de los suelos estudiados, además de su baja fertilidad. Los resultados obtenidos en esta investigación son importantes en la planeación de muestreos posteriores para análisis de fertilidad, ya que la profundidad de exploración de las raíces finas es un indicativo de la actividad de absorción de nutrimentos que tiene la planta (Luster et al., 2009).
Conclusiones
El diagnóstico nutrimental del suelo, caracterizado como Vertisol Stagnico VRst (Éutrico), mostró en general, contenidos bajos y muy bajos de nutrientes, con excepción del P en la primera profundidad (0-30 cm) y la CIC en las dos estudiadas (0-30 y 30-60 cm).
De los indicadores químicos en el agroecosistema caña de azúcar, destaca la MO del suelo, que está relacionada positivamente con la presencia de COS, N y P, y negativamente con el pH.
En cuanto al indicador biológico, la escasa macrofauna, sobre todo en la época seca sugiere degradación del suelo.
La DLRF fue estadísticamente mayor en la época húmeda en las tres primeras profundidades (0-20, 20-40 y 40-60 cm), en tanto que en la época seca fue homogénea en casi todas, al parecer hay una importante exploración en busca de nutrientes hasta los 140 cm de profundidad, lo que podría estar favoreciendo la estabilidad del agroecosistema caña de azúcar.
Agradecimiento
Los autores desean agradecer al Colegio de Postgraduados, Campus Tabasco el apoyo brindado para la realización de esta investigación como parte de la formación de maestría de la primera autora.
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Introduction
Sugarcane (Saccharum spp.), is an agro-ecosystem that generates carbon emission (C) equal to 20% fossil fuel burning in Mexico (Morales, 2011). Its management has low environmental sustainability; however, currently it has high social and economic sustainability (Carrillo et al., 2008). In this research, there are problems such as the loss of the organic matter (OM) and the high emission of C due to the burn of sugarcane toe ase its crop and beginning of the cycle (Morales, 2011). OM is important in agricultural soil since these improve the crop productivity and is the best indicator of soil quality; it is formed by living components, roots, macro and microorganisms, it is source of energy and specific habitat for the soil biomass (Julca-Otiniano et al., 2006). For that reason it is necessary to perform appropiate diagnoses through physical, chemical and biological analyses (Etchevers and Volke, 1991).
The soil quality, defined as “the functioning capacity of a type of soil” is generally evaluated by measuring a minimal group of information related to its properties to stimate its capacity to perform basic functions such as: keep the productivity, regulate and divide water and solute flow, filter and buffer against contaminants, store and recycle nutrients, being one of the most commom properties the OM, its components, the edaphic macrofauna and FRLD which, in turn, are related with depth; the highest exploration of fine roots and development in number of edaphic organisms is observed in the superficial layers, highlighting a reduction after 30 cm (Bastidas et al., 2011).
OM is the responsible of the different sources of C of the soil, key factor in the fertility, with a marked influence on the soil biota, and with a rational handle it contributes to an important quantity of soil nutrients (Bautista et al., 2004). The chemical, physical and microbiological indicators in sugarcane soils reduced progressively when performing the harvest manually, and the burn of residues is the main cause (Armida et al., 2005). If this handle is avoided, cachaça and an adequate fertilization dose are used, the yield increases as well as the OM, and the soil fertility (Salgado-García et al., 2003; Arreola et al., 2004).
Soil macro-fauna is constituted by organisms with the aim of modifying the soil, either by their movements or by their food habit (Álvarez and Ignacio, 2007); it has different functions that favor its structure, fertility, infiltration and mineralization of the nutrients (Lang-Ovalle et al., 2011), besides the recovery of degraded areas (Lavelle et al., 2006). Geissen and Morales (2005) considered that micro-fauna was a good indicator to evaluate the soil quality, since it recognized the impacts caused by handling practices.
In a research of soil macro-fauna plantations of mango and sugarcane were compared, finding a slight variation in the frequency of invertebrates (40 and 37%) and a positive correlation between their richness and the OM in the horizon A, attributed to the tolerance of the macro-fauna in the handle of the cane (Lang-Ovalle et al., 2011). The edaphic fauna is important because it participates in the decomposition processes in natural and handled eco-systems, obtaining a better quality of the soil (Méndez y Equihua, 2001).
The interaction between the edaphic macro-fauna and the plant biomass is essential in the recycling of carbon; it was found in studies performed in the agro-ecosystem of cane that Podischnus agenor Oliver, besides being the highest consumer of harvest residues, it provides positive benefits to the crop, as long as the access to material that would satisfy its food requirements is not restricted (Stechauner and Madrinan, 2013).
On the other hand, the fine roots are important to extract the soil nutrients (Cudlin et al., 2007), and besides of functioning as reservoir organs these are in charge of regulating the plant physiology, fixing carbon and helping in the soil airing (Azevedo 2011).
Because of the latter, the aim of this research was to analyze in two seasons of the year the indicators of the soil quality in sugarcane agro-ecosystems after the characterization and the soil nutrient diagnose and the fine root length density.
Materials and method
Area under research
The research was carried out from July 2011 to April 2012, in the cane region of Chontalpa, Tabasco, in the experimental field (Km 21) Tabasco-CP (17°59´10,90” and 93°35´29,64”; 11 masl), Cárdenas municipality, where the weather is tropical humid, classified as warm humid Am(g)”w”, with an annual temperature average of 26 °C and precipitation of ٢٣٢٤ mm, being lower to ٥٠ mm in the dry months (March and April) and from ٤٠٠ mm in the rainy months (September and October) (García, ١٩٨٨). There are three weather seasons in Tabasco: dry season, from February to April, and two humid: rains from May to October, and north from November to January, in which boreal winds and cold air are presented in the coast plain of the Golf (Ruíz-Álvarez et al., 2012).
Physiographically, the area corresponds to the low alluvial plain of recent quaternaries with deep sediments entailed from the North Mountain of Chiapas by different rivers and streams that cross the area. Most of the soils of the alluvial plain presented high natural fertility and are rich in almost all the nutrients required by plants; however, responses were detected, mainly by the provision of N and P in most of the crops; even though these are deep soils, the roots of the crops had anchoring problems since the groundwater layer was close to the soil profile (Palma et al., 2007).
The cane crop belongs to the soca cycle, Mex 69-290 variety, with a yield of 64 t·ha-1 of miller steams; the harvest was done manually after the burn, the residual (top of the cane and shoots) was burned to allow the advance of machinery; a fertilization dose of 120-60-60 was applied at two months and a half of the regrowth. Samples were carried out after the harvest. The agricultural handle performed in the plot was the one recommended for the region (Obrador, 2009).
Characterization of the soil
A 20-year-old sugarcane plantation was selected, and a soil pit of 1.80 m of depth was performed for describing the soil unit (Cuanalo, 1990) and its classification was done according to the Worldwide Reference Base of the Soil Resource (IUSS-WRB, 2007).
A sample from each of the six diagnose horizons was taken to be transported to the Analysis Laboratory of Soils, Plants and Water (ALSPW) from the Post-Graduate Studies, Tabasco campus, where the following analyses were carried out: pH with CaCl2 (1:2), OM by Walkley and Black humid combustion method, total nitrogen (TN) through Kjeldahl semi-micro (modified to include nitrates), Olsen available phosphorous (neutral and alkaline soils), cationic interchange capacity (CIC), interchangeable bases and texture by Bouyoucos, according to the methodology of the Official Mexican Norm (NOM-021-RECNAT, 2000).
Nutrient diagnose of the soil
Samples composed by 15 sub-samples were obtained, each from two depths 0-30 and 30-50 cm, with Dutch-type barrier, taken at random (zig-zag) covering all the land. Samples were prepared to perform the analyses of: pH in water with a relation 1:2, MOS, texture, CIC, soluble organic carbon (SOC), nitrogen (N), Olsen P, potassium (K), calcium (Ca) and magnesium (Mg) in LASPA (NOM-021-RECNAT, 2000).
Determination of the biological indicators
For determining the soil macro-fauna soil samples were taken from four open soil pits in humid and wet seasons until a depth of 60 cm, using metallic tubes of 25 cm length x 25 cm width and 20 cm height, open in the superior and inferior sides (Schlegel et al., 2000). Samples were put on plastic bags with their corresponding identification, and were taken to the Entomology Laboratory, Tabasco campus, where the edaphic organisms were separated from the soil and put on jars with alcohol at 70% and labeled. Twelve soil samples were revised by each season, 24 in total. The collected organisms were identified and divided in the main taxonomic groups (Class and Orden) (USDA, 1999).
Vertical distribution of the fine root length density (FRLD) and soil fertility
Four soil pits were opened until reaching a depth of 1.60 m during the dry season (April) and four during the rainy season (August), samplings were performed every 20 cm. The dimensions of the monoliths used were: 7 cm length x 7 cm width and 20 cm height. Soil samples were put on polyethylene bags, identified and transported to the Herbarium CSAT of the campus Tabasco, in which fine roots with a diameter inferior to 3 mm were separated from the soil (Cuanalo, 1990), washed using Böhm method (1979), measured, dried using a stove at 70 °C until obtaining constant weight and weighted in a balance (±٠.٠٠٠١ g). In the same profiles, a similar sampling was done to know the vertical fertility of the soil, the analyses performed and the methods were the same as indicated for the nutrient diagnose of the soil.
Experimental design and treatments
A completely randomized design with a factorial arrangement was used, considering two seasons (dry and humid), four profiles for each of them and eight depths for each profile. The variables analyzed were: OM, pH, texture, CIC, SOC, N, Olsen P, K Ca and Mg (NOM-021-RECNAT, 2000).
Analysis of the information
A variance analysis (ANOVA) was done to the results, and Tukey means test was performed, when necessary (Tukey, 0.05). Pearson correlation analysis was used to determine the association degree among the variables Nt, MO, SOC, P, interchangeable bases, CIC and pH.
Results and discussion
Characterization of the soil
The soil was classified as Stagnic (Eutric) Vertisol, which is one of the most common in the cane area of Tabasco plain. It showed cracks with 1 cm width and 50 cm depth during the dry season, which closed with the humidity and showed expansion and contraction processes (Palma et al., 2007). In table 1 is observed the description and vertical behavior of the chemical properties of the soil profile, and according to the values established in the Mexican norm NOM-021-RECNAT, 2000 the N content varied from medium (0-21 cm) to low (21-38 cm) and very low (38-180 cm); P from low to medium, K kept low, reducing slightly with the depth; OM was low to very low, from 61 to 180 cm.
Diagnose of the soil nutrients
The content of nutrients (table 2) varied from medium to very low (NOM-021-RECNAT, 2000). The chemical properties and OM were similar in the two depths (0-30 and 30-60), only P showed difference in the content among them. Pla (1995) mentions that the degradation processes are being affected throughout the years by the burn of cane during harvesting and the post-harvest residues, which originated that OM kept in low levels in cane soils. P content was high in the first depth, reducing until 30-50 cm, behavior related to the fertilization and revealed a continuous accumulation of this element; reason for which it is important to consider that for the yields obtained, the phosphate fertilization doses might be lower (Mengel and Kirkby, 2000). These results agree with the ones found by Salgado-García et al. (2009) in other cane areas of the country.
The low content of K in the two depths constituted a problem since K is the nutrient that sugarcane needs in big quantities, since it intervened in the processes of sugar and starch synthesis, transportation of sugar, synthesis of proteins and enzymatic stimulation (Mengel and Kirkby, 2000). Salgado-García et al. (2010) had similar results in the same soil unit, indicating the need of improving the applications in the doses to improve the quality of juices (sacharose contents).
The total N presented low to very low contents according to the depth. An adequate handle of sugarcane residues favored the development of the mineralization processes and release of inorganic N in the soil, that even though it was not enough for supplying the demand of NO3 and NH4 of the crop, it contributed to the supply of N. Salgado-García et al. (2009) found that in the area under research, the doses of nitrogen fertilization for an average yield of 80 t of steams fluctuated from 130 and 160 kg·ha-1, values that mainly depend from the soil unit.
Pérez et al. (2010) mentioned that the OM was the parameter that best explained the response to the applications of N; 1.14 kg were required of N for soils with low contents of OM (<3.0%) for each ton of cane produced; however, in soils with medium or high contents, the quantity of N required by ton of sugarcane was lower (1.0 kg), this affirmed the fact that OM is an important factor for the environmental, economic and social sustainability.
Chemical and biological indicators
The highest values of N corresponded to the first horizon in the two seasons under research (figure 1a) and were influenced by the presence of OM mainly found in the superficial horizon of the soil (Espinoza, 2010). None significant differences were found between seasons and depths (P>0.05), since the highest decomposition speed of OM and provision of nutriments in tropical areas were mainly related to an increment of precipitation (Sánchez-Hernández et al., 2011).
CO presented the highest values in the first two horizons in the two seasons (figure 1b), which were statistically different (P>0.05) to the rest of the depths.
Since OM and CO were related, it was not strange that these had similar behavior. Tendencies with higher values in the humid season were observed compared to the dry, in which less soil biota activity was expected, but also lower extraction of nutrients of sugarcane by lack of water.
Values of CO found in this research in the first depths (0.9 and 0.8%) were lower to the reported by Sánchez-Hernández et al. (2011) for soils with different agricultural use in the Mexican Tropic, where CO varied from 2.85 and 7.01% in the first horizon. It is important to consider as priority for the crop of sugarcane the increment of OM of the soil, since its loss results in a reduction of biological activity, damage of the physical activities, low supply of nutrients, and in long term, a reduction of the productivity. The inclusion of preservation practices and incorporation of residues have been important in highly demanding crops of nutrients, such as the case of sugarcane.
Values of P were higher in the first horizons in both seasons studied (figure 1c) without significant differences (P>0.05) between depths, except the one in the second depth of the dry season which was statistically different to the one of the humid season. P is an element with little mobility and it can be found in higher concentrations of the superior area of the soil, as well as in medium and high values in agricultural soils (Salgado-García et al., 2009). The high contents of P found in the current research for the first depth agreed to the reported by Salgado-García et al. (2003, 2005, 2010).
The applications (constant) of P2O5 (60 kg·ha-1) have propitiated that in sugarcane soils could be found P-Olsen values located in medium and high levels. The adjustment to the fertilization norms will be done considering the yields expected, which should be approximately 80 t·ha-1 of grinder steams (Obrador, 2009).
The values of SOC were higher in the first depth in both seasons, the highest content was found in the dry season. There were not significant differences (P>0.05) among both seasons (figure 1d), but the behavior was similar reducing at a higher depth, this due to the reduction of OM. In the humid season, the first depth was equal (P>0.05) which was similar to the dry season, but both were different (P<0.01) from the rest in both seasons. SOC was one of the most trustable variables to estimate the mineralization of OM of the soil, and even though it corresponds to a very low percentage and was very dynamic, it allows making inferences related to the availability of other mineral nutrients (Larson and Narain, 2001).
In table 3 is presented the correlation matrix among the different chemical variables studied, some correlated well among them; SOC and N were the best relating among each other with OM; however, P and pH also had high determination coefficient values (R2). The interchange bases of Ca and Mg showed high correlations among them (R2= 0.880). Similar behaviors for these variables (MO, COS, N, Ca and Mg) have been reported by other authors (Rodríguez, 1982; Pérez et al., 2010), assuming the fact that the soil presented similar dynamics or chemical affinity (by anions) in the case of the bases, or by being important components of the organic complex of OM.
In figure 2 is presented the behavior of the macrofauna of the studied sugarcane soil, the few organisms were located in the first two depths (0-20 and 20-40 cm). The limited macrofauna of the area was due to the soil degradation, which was related to the loss of OMS, as a consequence of the periodic losses, the mechanical damage that implied intensive tilling and specially the application of biocides (Elliot and Lynch, 1994). However, there are other factors that may influence the scarcity, such as the structure, the pH and water erosion of the soil, consequences of the loss of vegetal cover in the crop (Foth, 1979).
In figure 3 is presented the FRLD, there were statistical differences in the first three depths, except from the fourth and on. In the humid season, there was a big quantity of roots until the 60 cm, results that agreed to the reported by Bastidas et al. (2011). The little quantity of roots found during the dry season might indicate that humidity caused an important growing of roots, which were necessary for the growth of the whole plant (Avilán, 1977).
The root percentages for the different depths are presented in table 4. It is also important to mention that in the soil under research the fine roots were exploring at a big depth, information that contrasted to the reported by Zérega et al. (2002). The latter might be related to a correct depth of the soils studied, besides their low fertility. The results obtained in this research are important for the planning of samplings after the fertility analysis, since the exploration depth of fine roots is an indicative of the absorption activity of nutrients of the plant (Luster et al., 2009).
Conclusions
The nutrimental soil diagnose, characterized as Stagnic (Eutric) Vertisol VRst. showed low and very low nutrient contents, excepting P in the first depth (0-30c cm) and CIC in both depths (0-30 and 30-60 cm).
In relation to the chemical indicators in the agroecosystem of sugarcane, OM of the soil is the one that stands out, which is positively related to the presence of SOC, N and P and negatively related to the pH.
Regarding the biological indicator, the scattered macrofauna, especially during the dry season suggests soil degradation.
FRLD was statistically higher during the humid season in the three first depths (0-20, 20-40 and 40-60 cm), and in the dry season it was homogenous; apparently there is an important exploration looking for nutrients until 140 cm of depth, which might be favoring the stability of the sugarcane agroecosystem.
Acknowledgment
The authors want to thank the Postgraduate studies located in Tabasco campus by the support provided for carrying out this research as part of the master program of the first author.
End of English version
