remcfRevista mexicana de ciencias forestalesRev. mex. de cienc. forestales2007-1132Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias10.29298/rmcf.v14i79.1359Artículo CientíficoEfecto en las propiedades fisicoquímicas de un Regosol con cambios de uso de suelo0000-0001-6715-4723Yáñez DíazMaría Inés1*0000-0001-8996-0881Cantú SilvaIsrael10000-0003-3862-8875Garza OcañasFortunato1Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de Ciencias Forestales. México.Universidad Autónoma de Nuevo LeónUniversidad Autónoma de Nuevo LeónFacultad de Ciencias ForestalesMexico
Autor para correspondencia; correo-e: maria.yanezdz@uanl.edu.mx; inesyd@gmail.com.
Los autores declaran no tener conflicto de intereses.
María Inés Yáñez Díaz: dirección de la investigación, análisis de datos y redacción del manuscrito; Israel Cantú Silva: diseño experimental y revisión del manuscrito; Fortunato Garza Ocañas: análisis estadístico y revisión de manuscrito.
31082023Sep-Oct2023147958791403202311082023Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia Creative CommonsResumen
Los suelos proporcionan bienes y servicios ecosistémicos que son afectados por la pérdida de su fertilidad; los cambios de uso de suelo orientados a la recuperación de áreas o a reducir la degradación influyen positivamente en sus propiedades. Este estudio se realizó en un suelo Regosol en Galeana, Nuevo León, donde se evaluaron propiedades físicas (textura, densidad aparente y resistencia mecánica a la penetración) y químicas (pH, conductividad eléctrica y materia orgánica) a dos profundidades (0-5 y 5-30 cm) en un bosque de pino, área de reforestación, uso agrícola y pastizal. Los resultados no mostraron diferencias significativas en la mayoría de las propiedades evaluadas entre usos de suelo y profundidad. La resistencia mecánica a la penetración del suelo fue una de las variables más susceptible para el uso agrícola (8.25 kg cm-2), a diferencia del bosque (22.5 kg cm-2). El pH no evidenció cambios entre los usos del suelo, mientras que entre profundidades se incrementó y presentó diferencias con una media de 7.75 (0-5 cm) y 7.81 (5-30 cm); y no hubo problemas de salinidad (0.17 dS m-1). El contenido de materia orgánica (MO) registró una tendencia de recuperación en el orden de pastizal>bosque de pino>reforestación>agrícola. La textura se clasificó como franca, con diferencias en el contenido de arena para el factor profundidad y en el de limo en el estrato de 5-30 cm entre los diferentes usos. Se concluye que los cambios de uso de suelo enfocados hacia la recuperación de áreas pueden mejorar la calidad del Regosol.
Palabras claveBosque de pinocompactacióndegradación de suelosmateria orgánicapastizalreforestaciónIntroducción
El suelo es un recurso natural del cual dependen las civilizaciones. El crecimiento poblacional y la presión que se ejerce sobre este, principalmente por la producción de alimentos, lleva a su degradación cuando no se aplican estrategias de recuperación. Esta disminución de la capacidad para producir bienes y servicios se conoce como degradación, la cual es un factor limitante con impactos negativos severos, producto del cambio periódico en el uso que se realice (Yinka et al., 2022).
El cambio de uso de suelo es la modificación de la cobertura vegetal natural a un ecosistema inducido, como tierras de cultivo y pastizales que por lo general lleva a una pérdida de su fertilidad (Gong et al., 2022), ya que se afectan sus propiedades físicas, químicas y biológicas (Yinka et al., 2022). Sin embargo, cuando estos cambios se enfocan a una recuperación o conversión de cobertura terrestre, tal como sucede con la reforestación después del abandono de las tierras de cultivo, pueden aumentar su fertilidad con el tiempo (Smith et al., 2016), además de los efectos positivos por el aumento de las especies de fauna (Nardi y Marini, 2021).
Las propiedades edáficas, como indicadores de la calidad del suelo, reflejan su capacidad para funcionar dentro de los límites del ecosistema del cual forman parte (Bautista et al., 2004); si bien es posible estudiarlas de manera aislada, todas están relacionadas entre sí (López y Estrada, 2015). Las propiedades físicas, químicas y biológicas indican el comportamiento, constitución y fertilidad del suelo y son un producto inherente del proceso de formación.
En México, el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (Inegi) cita 25 de las 32 unidades de suelo clasificadas por el Sistema Internacional Base Referencial Mundial del Recurso Suelo (WRB por sus siglas en inglés), en las que predominan suelos someros como Leptosol y Regosol que cubren 41.5 % del territorio nacional (Semarnat, 2016). Los regosoles son un tipo de suelo que se desarrolla sobre materiales no consolidados y pobres en materia orgánica, con amplia distribución a nivel mundial y en todas las altitudes, principalmente en zonas áridas, en los trópicos secos y en las regiones montañosas (Semarnat, 2016), y son utilizados en actividades agropecuarias.
En México, el deterioro de los suelos afecta a numerosos componentes del medio social y natural; su gestión involucra a diferentes instancias, organizaciones internacionales e instituciones académicas y civiles (Semarnat, 2000). Los programas de restauración ambiental están enfocados a la vegetación, lo cual conlleva a realizar acciones para la recuperación de la capacidad y potencial natural de los suelos forestales en función de su estructura, de las prácticas de gestión aplicada y del tiempo que ha estado en condiciones de disturbio (de Andrade et al., 2017); cabe señalar que la materia orgánica es una de las propiedades de mayor utilidad como indicador de su fertilidad (Salehi et al., 2011; Cantú y Yáñez, 2018).
El objetivo de la presente investigación fue evaluar las propiedades físicas (textura, densidad aparente, resistencia mecánica a la penetración) y químicas (pH, conductividad eléctrica y materia orgánica) de un Regosol que presenta vegetación de bosque de pino y compararlo con áreas de reforestación forestal, de uso agrícola y pastizal.
Materiales y MétodosÁrea de estudio
El área de estudio se ubicó en el ejido Congregación de la Laguna, municipio Galena, Nuevo León, México, cuyas coordenadas son 24°49′59.88″ N y 100°04′01″ O. El clima dominante es templado subhúmedo con lluvias de verano, la precipitación total anual fluctúa entre 600 y 800 mm, y la temperatura media anual entre 12 y 18 °C (INEGI, 2008). Los suelos dominantes en la zona pertenecen al tipo Leptosol (38.8 %) y Regosol (20 %) calcáreo. La vegetación en los valles y partes bajas es un matorral desértico rosetófilo y en las partes más altas los pinos cubren áreas considerables (INEGI, 2007).
Dentro del área, se seleccionaron cuatro sitios de 100 m2 establecidos al azar. S1: Bosque de pino (BP) donde predominan Pinus cembroides Zucc. y P. greggii Engelm. ex Parl., S2: Área de reforestación (REF) con pino (P. cembroides) con bordos a nivel establecida en 2008, S3: Área agrícola (AGRI) de temporal con cultivos de maíz (Zea mays L.) y trigo (Triticum aestivum L.), y S4: Área de pastizal abandonado (PAST) con presencia de gramíneas, aproximadamente con 10 años de abandono, previo uso en agricultura de temporal (Figura 1).
Localización de los sitios de muestreo en el ejido Congregación de la Laguna, municipio Galeana, Nuevo León, México.
Materiales y métodos
El muestreo consistió en un diseño experimental al azar con arreglo bifactorial (usos de suelo por profundidad). En cada sitio, se seleccionaron cuatro áreas al azar de 100 m2 para la obtención de muestras compuestas derivadas de cinco submuestras a dos profundidades (0-5 cm y 5-30 cm) (n=32) para evaluar el efecto desde la parte superficial del suelo (5 cm), hasta el desarrollo de las raíces (30 cm).
Las muestras se procesaron en el Laboratorio de Suelos y Nutrición de Bosques de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Autónoma de Nuevo León, donde se secaron a temperatura ambiente y se cribaron con una malla de 2 mm para las determinaciones de potencial de hidrógeno (pH) en una relación 1:2 de suelo-cloruro de calcio 0.01 M, medido a través de un electrodo de vidrio combinado marca Thermo Scientific® modelo 8172BNWP, según el método AS-23 de la Norma Oficial Mexicana NOM-021-RECNAT-2000 (Semarnat, 2002). Conductividad eléctrica (CE) a partir de una suspensión suelo-agua 1:5 después de 2 horas de reposo (Woerner, 1989). Tanto el pH como la CE se midieron en un pH/conductivímetro marca Corning® modelo 542. El contenido de materia orgánica (MO) se determinó por el método de combustión húmeda de Walkley y Black (1934); la composición granulométrica (textura) con el densímetro tipo Bouyoucos método AS-09, metodología de la NOM-021-RECNAT-2000 (Semarnat, 2002).
Para evaluar el contenido de la densidad aparente (DA) se usó el método del cilindro (Woerner, 1989), para ello se colectaron muestras inalteradas mediante cilindros metálicos de 5 cm de diámetro y 5 cm de longitud (volumen 98.175 cm3). Se obtuvieron cinco muestras por sitio en la capa superior del suelo, después de 48 horas, se pesaron y se llevaron a peso constante después de secarse a 105 °C en una estufa de aire forzado marca Riossa® modelo HCF-102-D. En los sitios seleccionados se evaluó la resistencia mecánica a la penetración (RMP) mediante un penetrómetro portátil tipo Yamanaka (Orion® 22110, MKK Co. Japan), se realizaron cinco mediciones en la superficie del suelo dentro de cada punto de muestreo.
Análisis estadísticos
Los datos de las propiedades físicas y químicas evaluadas se analizaron con una prueba de normalidad de Shapiro-Wilk y prueba de homocedasticidad de varianzas de Levene con el paquete estadístico SPSS (IBM, 2016). Las propiedades de pH, conductividad eléctrica (CE), densidad aparente (DA) y resistencia mecánica a la penetración (RMP) cumplieron con dichos supuestos. Las variables correspondientes a los contenidos de arena, limo y arcilla, se les aplicó una transformación de raíz cuadrada de la proporción de cada componente (√×), y al contenido de materia orgánica (MO) una transformación de inverso de la proporción (1/x) (Sokal y Rohlf, 2012).
Se realizó un análisis de varianza de dos vías (ANOVA) para el uso del suelo (Factor A), profundidad (Factor B) y su interacción (Factor A×Factor B), además de un ANOVA de un factor segmentado por profundidad para la comparación de medias entre los usos de suelo con la prueba de Tukey (p≤0.05) (Sokal y Rohlf, 2012).
Resultados y Discusión
Las propiedades químicas indicadoras de la calidad y los resultados para los cuatro tipos de uso (Cuadro 1) resaltaron el efecto por los cambios de uso de suelo que provocan modificaciones en la fertilidad. Los valores de pH corresponden a un suelo ligeramente alcalino (Semarnat, 2002), con un promedio de 7.70 unidades de pH en un intervalo de 7.71 (agrícola 0-5 cm) a 7.84 (pastizal 5-30 cm); los mayores valores se registraron para la segunda profundidad, con diferencias entre las dos profundidades. Esto concuerda con Martínez et al. (2008), quienes señalan que después de cuatro años de manejo del suelo mediante labranza se presentó una disminución de pH en la superficie. La CE registró valores bajos de salinidad en un 0.159 dS m-1 (agrícola 0-5 cm) a 0.187 dS m-1 (pastizal 5-30 cm) y sin diferencias significativas entre los usos de suelos para cada profundidad (Cuadro 1). Por lo general, los suelos con textura gruesa tienen macroporos que dificultan la acumulación de sales (Encina y Valinotti, 2000).
Estadística descriptiva de las propiedades químicas evaluadas en los cuatro usos de suelo y las dos profundidades (0-5 y 5-30 cm).
Propiedades químicas
Uso de suelo
Profundidad (cm)
Valores medios
Desv. Std.
Valor Min.
Valor Max.
pH
BP
0-5
7.72
0.04
7.67
7.76
5-30
7.79
0.09
7.69
7.90
REF
0-5
7.80
0.06
7.73
7.87
5-30
7.82
0.06
7.77
7.91
AGRI
0-5
7.72
0.02
7.70
7.74
5-30
7.80
0.09
7.72
7.90
PAST
0-5
7.76
0.05
7.72
7.82
5-30
7.84
0.06
7.77
7.92
CE (dS m-1)
BP
0-5
0.18
0.06
0.10
0.23
5-30
0.17
0.05
0.11
0.24
REF
0-5
0.16
0.02
0.15
0.19
5-30
0.17
0.02
0.15
0.20
AGRI
0-5
0.16
0.04
0.10
0.19
5-30
0.14
0.04
0.10
0.19
PAST
0-5
0.17
0.04
0.12
0.22
5-30
0.19
0.02
0.15
0.21
MO (%)
BP
0-5
4.34
2.12
2.28
7.28
5-30
3.22
0.86
2.00
4.03
REF
0-5
3.63
1.37
2.74
5.67
5-30
3.49
0.47
2.90
4.06
AGRI
0-5
2.57
0.47
2.18
3.17
5-30
2.94
0.81
2.04
4.00
PAST
0-5
4.43
2.02
2.61
7.28
5-30
3.39
0.64
2.69
4.24
pH = Reacción del suelo; CE = Conductividad eléctrica; MO = Materia orgánica; BP = Bosque de pino; REF = Reforestación; AGRI = Agrícola; PAST = Pastizal.
La materia orgánica representa la fertilidad de los suelos, producto importante de la combinación de las propiedades físicas y químicas, además del aporte de los residuos orgánicos en proceso de descomposición, y constituye 5 % de la composición de un suelo ideal (Porta et al., 2003).
En el Regosol analizado, los valores de MO a la profundidad 0-5 cm fluctuaron de 2.56 % para el área agrícola a 4.43 % en el pastizal. Para la profundidad de 5-30 cm, el bosque de pino y pastizal disminuyeron alrededor de 1 % con relación al contenido total; el sitio de reforestación se mantuvo similar (diferencia de 0.1 %), mientras que el uso agrícola aumentó ligeramente (0.5 %). Los valores más altos en la primera profundidad indican un mayor contenido de carbono y nitrógeno activo debido a la acumulación de residuos vegetales (Gong et al., 2022).
El suelo es una reserva activa de carbono orgánico que puede actuar como una fuente o reservorio de Carbono (C) hacia la atmósfera según el manejo que se aplique (Lal, 1997). Los suelos con sistemas agrícolas presentan, por lo general, reservas de carbono más bajas que aquellos con vegetación natural (Kátai et al., 2022); en los pastizales se estiman 70 Mg ha-1, valor similar a lo documentado para suelos forestales (Céspedes et al., 2012).
En este estudio, el aumento de la MO en el pastizal abandonado, a diferencia del área agrícola, constituye un mayor potencial para la captura de carbono, y evidencia el efecto de las buenas prácticas de gestión del uso de suelo (descanso). Al respecto, Sahoo et al. (2019) señalan que una disminución de las existencias de MO en diferentes usos de suelo, contrario al bosque, implica un agotamiento del C, lo cual se mejora solo cuando se proporcionan mejores prácticas de gestión que incluyan una adición de residuos de las plantas y menor disturbio.
Ordoñez et al. (2022) compararon el efecto de cambios de uso de suelo en bosques; dichos autores refieren un menor impacto en la conversión a pastos naturales en comparación con lo observado en cultivos debido a que las diferencias entre ambos usos en el tiempo requieren para que se recuperen a las comunidades microbianas del suelo; asimismo, buenas gestiones de manejo y el efecto de las condiciones climáticas como la humedad, influyen en el contenido de nutrientes y en los procesos microbianos del suelo (Kátai et al., 2022). Martínez et al. (2008) citan que el contenido de MO no solo depende de las condiciones ambientales locales, sino que es afectado por el manejo que se realice.
Las propiedades físicas del suelo son la forma como se comporta un suelo en procesos que no implican modificaciones químicas, y ejercen una influencia directa o indirecta en todas las funciones que desempeña (Narro, 1994), la cual se expresa por la organización estructural, es decir, el estado de agregación que se caracteriza por la forma, estabilidad y resiliencia de la estructura (Álvarez et al., 2006), y que es determinada por las actividades que se realizan en su superficie que inciden en la reducción del sistema poroso y su continuidad (González et al., 2008). La densidad aparente (DA) y la resistencia mecánica a la penetración (RMP) son dos de las propiedades físicas que reflejan la afectación del estado poroso del suelo, producto de los cambios de uso. En esta investigación, la DA se mantuvo en un promedio de 1.00 g cm-3, sin diferencias significativas entre los usos de suelo con relación al bosque de pino (Figura 2).
Valores medios para densidad aparente (<italic>DA</italic>) y resistencia mecanica a la penetración (<italic>RMP</italic>) para la profundidad superficial.
Valores diferentes para cada propiedad indican diferencias significativas (p≤0.05) entre los usos de suelo. BP = Bosque de pino; REF = Reforestación; AGRI = Agrícola; PAST = Pastizal.
En el pastizal destacó la presencia de gramíneas que cubren la mayor cantidad de área; la DA registró valores bajos, sin diferencias significativas entre los usos, sin embargo, en el pastizal se presentó el menor valor con 0.97 g cm-3 en comparación con los otros sitios, donde el área de reforestación tuvo valores de hasta 1.04 g cm-3. Celaya et al. (2015) en áreas con 25 años de transformación a zacate buffel observaron un impacto en las propiedades físicas y los reservorios de nitrógeno y agua para las zonas de interespacios de las partículas del suelo, lo que relacionaron con el pisoteo del ganado. Mongil-Manso et al. (2022) señalan que el tiempo de recuperación en algunas propiedades es lenta después de realizar una reforestación y se requieren periodos largos para cambios significativos en las propiedades del suelo, aun en reforestaciones con 20 años de antigüedad; a diferencia de Hernández-Vigoa et al. (2018) quienes indican que variables biológicas y algunas físicas y químicas, como la densidad aparente y el carbono orgánico total, son muy susceptibles al cambio a muy corto plazo debido a la intensidad de uso del suelo.
La RMP fue la propiedad más sensible al cambio de uso de suelo. Se registraron diferencias significativas entre los usos de suelo en la capa superficial; el bosque de pino presentó la mayor RMP con un valor promedio de 22.5 kg cm-2, a diferencia del área agrícola donde el efecto del laboreo rompe la capa superficial disminuyendo su compactación a solo 8.25 kg cm-2 en promedio (Figura 2). Esto concuerda con los resultados de Navarro et al. (2000), quienes evaluaron el efecto de cinco tratamientos de labranza en suelos franco arenoso y franco arcilloso, donde registraron que la DA y RMP se modificaron independientemente del tipo de labranza, y solo es inalterable con un sistema de labranza cero.
La textura es una de las propiedades físicas más estables, los regosoles son suelos minerales poco evolucionados de grano fino no consolidado (FAO, 2016) con altos contenidos de limo y arena. En el presente estudio, la textura se clasificó como franca para todos los usos de suelo, con valores medios de 40.9 % de arena, 40.3 % de limo y 18.8 % de arcilla para la profundidad 0-5 cm, mientras que en la segunda profundidad los valores correspondieron a 38.3 %, 42.1 % y 19.6 % para arena, limo y arcilla, respectivamente.
Si bien se obtuvieron diferencias en el contenido de arena de acuerdo al análisis de varianza entre las dos profundidades (Cuadro 2), la comparación de medias entre los usos de suelo para cada una de las profundidades evidenció diferencias para el porcentaje de limo en la profundidad de 5-30 cm; al respecto, la reforestación tuvo contenidos de 39 % y el bosque de pino 45.5 %. En los sitios de pastizal y agrícola, no hubo diferencias entre ellos, sus valores fueron de 41.8 y 42.2 %, respectivamente (Figura 3). Novillo et al. (2018) obtuvieron diferencias en las propiedades físicas y químicas en el cambio de bosque nativo a monocultivos, principalmente en la textura, la cual afecta las propiedades que contribuyen a la disminución de agregados, por lo que influyen en el movimiento vertical del agua.
ANOVA de las propiedades físicas y químicas evaluadas en los cuatro usos de suelo (Factor A), dos profundidades (Factor B) y su interacción (Factor A×Factor B) en el suelo Regosol.
Propiedades edáficas
Unidades
Factor A (3.31)
Factor B (1.31)
Factor A×B (3.31)
pH
-
1.711 NS
7.416 *
0.348 NS
CE
dS m-1
0.827 NS
0.001 NS
0.261 NS
MO
%
1.909 NS
0.187 NS
0.519 NS
Arena
%
0.229 NS
0.325 *
0.353 NS
Limo
%
0.173 NS
0.158 NS
0.440 NS
Arcilla
%
0.267 NS
0.063 NS
0.131 NS
DA
g cm-3
3.484 NS
RMP
kg cm-2
6.997 *
CE = Conductividad eléctrica; MO = Materia orgánica; DA = Densidad aparente; RMP = Resistencia mecánica a la penetración. * Diferencias significativas (p≤0.05). NS No diferencias significativas (p>0.05).
Gráficos de valores medios de textura (arena, limo y arcilla) para las dos profundidades (0-5 y 5-30 cm).
Letras diferentes en un mismo componente indica diferencias significativas con base en la prueba de Tukey (p≤0.05) entre los usos de suelo. BP = Bosque de pino; REF = Reforestación; AGRI = Agrícola; PAST = Pastizal.
Los altos contenidos de limo no favorecen una agregación estable (Rollán y Bachmeier, 2015), sin embargo, en presencia de bajos contenidos de arcillas, la fracción de limo tiene un papel clave en la estabilización de la MO, sobre todo cuando las arcillas se saturan de carbono (Matus et al., 2016).
Cabe destacar que entre los cuatro usos de suelo: reforestación con bordos, pastizal abandonado, áreas agrícolas y el bosque de pino, no presentaron diferencias significativas en las propiedades físicas y químicas evaluadas, con excepción de la RMP. En el Cuadro 2 se resumen los resultados del análisis de varianza de dos vías: el uso de suelo (Factor A) únicamente tuvo diferencias significativas para la resistencia mecánica a la penetración de la capa superficial, en la que el cambio de uso de suelo afectó principalmente el sistema poroso, el cual está correlacionado con la infiltración del agua, el crecimiento de las raíces y la productividad de los cultivos (Cerana et al., 2005).
En el factor de profundidad (Factor B), el que evalúa el efecto en las propiedades del suelo en las dos profundidades, se obtuvieron diferencias significativas en el pH y el contenido de arena. Domínguez-Calleros et al. (2017) explican que la capa superficial del suelo presenta una mayor liberación de nutrimentos debido a la acumulación de los residuos orgánicos, con una disminución de las propiedades edáficas a mayor profundidad.
Las propiedades edáficas evaluadas en la interacción entre factores de uso por profundidad (Factor A×Factor B), no se registraron diferencias significativas (Cuadro 2). Si bien algunos autores consignan que cambios en las propiedades edáficas varían según el uso al que esté sometido (Dieckow et al., 2009; Ordoñez et al., 2022), otros como Mongil-Manso et al. (2022) indican lo contrario, refieren que el contenido de materia orgánica y la densidad aparente son iguales entre los diferentes usos (matorral, encinar, pastizales). Geissen et al. (2009) evaluaron el efecto por cambios de uso de suelo en las propiedades físicas y químicas con diferentes tiempos de conversión; sus resultados evidenciaron que los pastizales evaluados, con hasta 15 años de cambio, tuvieron menor pH, incremento en la DA y la RMP, pero mantuvieron la fertilidad debido a sus altos contenidos de arcilla, influencia del agua y por las altas precipitaciones que promueven la inhibición de los procesos de mineralización de la materia orgánica.
El deterioro y la ausencia de cobertura forestal ocasiona pérdida de la fertilidad del suelo, es por ello que existen acciones que se realizan para proteger los ecosistemas y que contribuyen a su conservación, protección, restauración y aprovechamiento sustentable (Conafor, 2010); el área de reforestación evaluada se realizó bajo este concepto, con el propósito de proteger áreas forestales. El mejoramiento de sus propiedades, a diferencia del área agrícola, indica la importancia ambiental que tiene recuperar y mejorar las propiedades edáficas, sin embargo, el efecto conjunto tarda en manifestarse. No obstante que los resultados no evidenciaron diferencias significativas, la mejora de las propiedades físicas como la densidad aparente, además del aumento del contenido de la materia orgánica, indicaron que está en proceso de recuperación.
Por otra parte, aunque no se obtuvo información referente al tipo de manejo que se aplica al bosque de pino, es probable que por ser un área común del ejido se use para el pastoreo o aprovechamiento forestal, esto se refleja en los altos valores de RMP en comparación a los otros usos, o simplemente que las propiedades físicas y químicas del suelo para ese bosque corresponden a las propiedades intrínsecas y dinámicas del Regosol.
Conclusiones
La mayoría de las propiedades físicas y químicas analizadas del suelo no presentan diferencias significativas entre los usos de suelo evaluados. La propiedad más susceptible al cambio de uso de suelo es la RMP, para la cual el uso agrícola presenta el menor valor debido al efecto de la labranza, ya que las herramientas utilizadas dispersan el suelo y disminuyen la compactación. El contenido de arena muestra diferencias cuando se comparan únicamente las profundidades; en el contenido de limo, las diferencias significativas entre los usos se observan en la profundidad de 5-30 cm, y el contenido de MO aun cuando no presenta diferencias significativas, registra mayor acumulación en el siguiente orden pastizal>bosque de pino>reforestación>agrícola en ambas profundidades.
Finalmente, el pastizal en descanso, después de años de uso agrícola, así como la reforestación con bordos a curva de nivel, favorecen la recuperación de las propiedades del Regosol y con el tiempo mejoran la calidad del suelo, y en el bosque natural se mantienen por las propiedades intrínsecas del Regosol.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Ingeniero Rodrigo Solís Castro por su apoyo e intervención con el ejido Congregación de la Laguna, municipio Galeana, Nuevo León, y a los ingenieros Aylin Danae Díaz Zarate y Anastasio Sandoval Martínez, quienes formaron parte de esta investigación durante su formación académica, por su colaboración en el trabajo de campo y laboratorio.
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The authors declare that they have no conflict of interest.
María Inés Yáñez Díaz: conduct of research, data analysis and drafting of the manuscript; Israel Cantú Silva: experimental design and manuscript review; Fortunato Garza Ocañas: statistical analysis and manuscript review.
Abstract
Soils provide ecosystem goods and services that are affected by the loss of their fertility; land use changes aimed at recovering areas or reducing degradation have a positive influence on their properties. This study was conducted in a Regosol soil in Galeana, Nuevo León, where physical (texture, bulk density, and mechanical resistance to penetration) and chemical properties (pH, electrical conductivity, and organic matter) were evaluated at two depths (0-5 and 5-30 cm) in a pine forest, reforestation area, agricultural use, and grassland. The results showed no significant differences in most of the properties evaluated between soil uses and depths. Mechanical resistance to soil penetration was one of the most susceptible variables for agricultural use (8.25 kg cm-2), as opposed to forest (22.5 kg cm-2). The pH did not show changes between soil uses, while it increased and showed differences between depths with a mean of 7.75 (0-5 cm) and 7.81 (5-30 cm), and there were no salinity issues (0.17 dS m-1). The organic matter (OM) content showed a recovery trend in the order of grassland>pine forest>reforestation>agriculture. Texture was classified as loam, with differences in sand content for the depth factor and silt content in the 5-30 cm stratum between the different land uses. It is concluded that land use changes focused on reclamation can improve the quality of Regosol.
Soil is a natural resource on which civilizations depend. Population growth and the pressure exerted on it, mainly for food production, leads to its degradation when recovery strategies are not applied. This decrease in the capacity to produce goods and services is known as degradation, which is a limiting factor with severe negative impacts, as a result of the periodic change in the use that is made of the product (Yinka et al., 2022).
Land use change is the modification of natural vegetation cover to an induced ecosystem, such as cropland and grassland, which usually leads to a loss of soil fertility (Gong et al., 2022), as their physical, chemical, and biological properties are affected (Yinka et al., 2022). However, when these changes are focused on land cover recovery or conversion, such as with reforestation following the abandonment of cropland, they can increase fertility over time (Smith et al., 2016), in addition to the positive effects due to the increase in the number of fauna species (Nardi and Marini, 2021).
Soil properties, as indicators of soil quality, reflect its ability to function within the limits of the ecosystem of which it is a part (Bautista et al., 2004); although they can be studied in isolation, they are all interrelated (López and Estrada, 2015). The physical, chemical and biological properties indicate the behavior, constitution, and fertility of the soil and are an inherent product of the soil formation process.
In Mexico, the National Institute of Statistics and Geography (Inegi) cites 25 of the 32 soil units classified by the World Reference Base for Soil Resources (WRB), in which shallow soils such as Leptosol and Regosol predominate, covering 41.5 % of the national territory (Semarnat, 2016). Regosols are a type of soil that develops on unconsolidated materials poor in organic matter; they are widely distributed worldwide and at all altitudes, mainly in arid areas, in the dry tropics and in mountain regions (Semarnat, 2016) and are used in agricultural and livestock activities.
In Mexico, soil deterioration affects many components of the social and natural environment; its management involves different agencies, international organizations and academic and civil institutions (Semarnat, 2000). Environmental restoration programs are focused on vegetation, which involves actions for the recovery of the natural capacity and potential of forest soils, depending on their structure, the management practices applied, and the time they have been under disturbance conditions (de Andrade et al., 2017); it should be noted that organic matter is one of the most useful properties as an indicator of fertility (Salehi et al., 2011; Cantú and Yáñez, 2018).
The objective of this research was to evaluate the physical (texture, bulk density, mechanical resistance to penetration) and chemical properties (pH, electrical conductivity, and organic matter) of a Regosol with pine forest vegetation and to compare it with areas of reforested forest, agricultural use and grassland.
Materials and MethodsStudy area
The study area was located in the Congregación de la Laguna ejido, in Galena municipality, Nuevo León, Mexico, at 24°49′59.88″ N and 100°04′01″ W. The dominant climate is temperate sub-humid with summer rains, total annual precipitation fluctuates between 600 and 800 mm, and the average annual temperature between 12 and 18 °C (INEGI, 2008). The dominant soils in the area belong to the Leptosol (38.8 %) and Regosol (20 %) calcareous types. The vegetation in the valleys and lower areas is a desert rosette scrub and in the higher areas pines cover considerable areas (INEGI, 2007).
Within the area, four 100 m2 sites were randomly selected. S1: Pine forest (PF) dominated by Pinus cembroides Zucc. and P. greggii Engelm., S2: A reforestation area (REF) with pine (P. cembroides) with level edges established in 2008, S3: A rainfed agricultural area (AGRI) with corn (Zea mays L.) and wheat (Triticum aestivum L.) crops, and S4: An abandoned grassland area (PAST) with the presence of grasses, approximately 10 years of abandonment, previously used for rainfed agriculture (Figure 1).
Location of sampling sites in the <italic>Congregación de la Laguna ejido</italic>, <italic>Galeana</italic> municipality, <italic>Nuevo León</italic>, Mexico.
Ejido Congregación de la Laguna = Congregación de la Laguna ejido.
Materials and methods
Sampling was carried out according to a randomized experimental design with a bifactorial arrangement (land use by depth). At each site, four areas of 100 m2 were randomly selected to obtain composite samples derived from five subsamples at two depths (0-5 cm and 5-30 cm) (n=32) in order to evaluate the effect from the superficial part of the soil (5 cm) to the depth at which root development occurs (30 cm).
The samples were processed at the Soil and Forest Nutrition Laboratory of the Graduate School of Forest Sciences of the Universidad Autónoma de Nuevo León, where they were dried at room temperature and sieved with a 2 mm mesh in order to determine the Hydrogen potential (pH) in a 1:2 ratio of soil-calcium chloride 0.01 M, measured through a glass electrode (model 8172BNWP, Thermo Scientific®), according to method AS-23 of the Mexican Official Standard NOM-021-RECNAT-2000 (Semarnat, 2002). Electrical conductivity (EC) from a 1:5 soil-water suspension, after 2 hours of rest (Woerner, 1989). Both the pH and the EC were measured in a model 542 Corning® pH/conductivity meter. The organic matter (OM) content was determined by the Walkley and Black (1934) wet combustion method; the granulometric composition (texture), with the Bouyoucos type density meter, method AS-09, according to the methodology of the Mexican Official Standard NOM-021-RECNAT-2000 (Semarnat, 2002).
The cylinder method was utilized to evaluate the bulk density (BD) content (Woerner, 1989). Unaltered samples were collected using metal cylinders of 5 cm in diameter and 5 cm in length (volume 98.175 cm3). Five samples were obtained per site in the top layer of soil, after 48 hours, they were weighed and brought to constant weight after drying at 105 °C in model HCF-102-D Riossa® a forced-air oven. At the selected sites, mechanical penetration resistance (MPR) was evaluated using a Yamanaka type portable penetrometer (22110 Orion®, MKK Co. Japan); five measurements were made on the soil surface within each sampling point.
Statistical analyses
The data of the physical and chemical properties evaluated were analyzed with a Shapiro-Wilk normality test and Levene's homoscedasticity of variances test with the SPSS statistical package (IBM, 2016). The properties of pH, electrical conductivity (EC), bulk density (BD), and mechanical resistance to penetration (MRP) complied with these assumptions; a square root transformation of the proportion of each component was applied to the variables corresponding to sand, silt and clay contents (√×), and to the organic matter (OM) content a transformation of the inverse of the ratio (1/x) (Sokal and Rohlf, 2012).
A two-way analysis of variance (ANOVA) was performed for soil use (Factor A), depth (Factor B) and their interaction (Factor A×Factor B). In addition, a one-factor ANOVA was segmented by depth for the purpose of comparing the means between the land uses with the Tukey test (p≤0.05) (Sokal and Rohlf, 2012).
Results and Discussion
The chemical properties indicative of the quality and the results for the four types of use (Table 1) evidenced the effect of the changes in soil use leading to changes in fertility. The pH values correspond to a slightly alkaline soil (Semarnat, 2002), with an average of 7.70 pH units in a range of 7.71 (agricultural 0-5 cm) to 7.84 (grassland 5-30 cm); the highest values were registered for the second depth, with differences between the two depths. This is in agreement with Martínez et al. (2008), who reported that after four years of soil management by tillage, there was a decrease in the pH on the surface of the soil. The EC registered low salinity values within a range of 0.159 dS m-1 (agricultural 0-5 cm) to 0.187 dS m-1 (grassland 5-30 cm) and without significant differences between soil uses for each depth (Table 1). Generally, coarse-textured soils have macropores that hinder the accumulation of salt (Encina and Valinotti, 2000).
Descriptive statistics of the chemical soil properties evaluated in the four land uses and the two depths (0-5 and 5-30 cm).
Chemical properties
Land use
Depth (cm)
Average values
Std.Dev.
Min. value
Max. value
pH
PF
0-5
7.72
0.04
7.67
7.76
5-30
7.79
0.09
7.69
7.90
REF
0-5
7.80
0.06
7.73
7.87
5-30
7.82
0.06
7.77
7.91
AGRI
0-5
7.72
0.02
7.70
7.74
5-30
7.80
0.09
7.72
7.90
PAST
0-5
7.76
0.05
7.72
7.82
5-30
7.84
0.06
7.77
7.92
EC (dS m-1)
PF
0-5
0.18
0.06
0.10
0.23
5-30
0.17
0.05
0.11
0.24
REF
0-5
0.16
0.02
0.15
0.19
5-30
0.17
0.02
0.15
0.20
AGRI
0-5
0.16
0.04
0.10
0.19
5-30
0.14
0.04
0.10
0.19
PAST
0-5
0.17
0.04
0.12
0.22
5-30
0.19
0.02
0.15
0.21
OM (%)
PF
0-5
4.34
2.12
2.28
7.28
5-30
3.22
0.86
2.00
4.03
REF
0-5
3.63
1.37
2.74
5.67
5-30
3.49
0.47
2.90
4.06
AGRI
0-5
2.57
0.47
2.18
3.17
5-30
2.94
0.81
2.04
4.00
PAST
0-5
4.43
2.02
2.61
7.28
5-30
3.39
0.64
2.69
4.24
pH = Soil reaction; EC = Electrical conductivity; OM = Organic matter; PF = Pine forest; REF = Reforestation; AGRI = Agricultural; PAST = Grassland.
Organic matter represents the fertility of soils ―an important product of the combination of physical and chemical properties―, in addition to the contribution of organic residues in the process of decay, and constitutes 5 % of the composition of an ideal soil (Porta et al., 2003).
In the analyzed Regosol, the OM values at depth 0-5 cm ranged from 2.56 % for the agricultural area to 4.43 % for the grassland. For the 5-30 cm depth, pine forest and grassland decreased about 1 % in relation to the total content; in the reforestation site it remained similar (with a difference of 0.1 %), while in the agricultural use it increased slightly (0.5 %). Higher values in the first depth indicate a higher content of active carbon and nitrogen, due to the accumulation of plant residues (Gong et al., 2022).
Soil is an active reservoir of organic carbon and can act as a source or reservoir of carbon (C) for release into the atmosphere, depending on the management applied (Lal, 1997). Soils with agricultural systems generally have lower carbon stocks than soils with natural vegetation (Kátai et al., 2022); in grasslands, 70 Mg ha-1 are estimated, this is a value similar to that documented for forest soils (Céspedes et al., 2012).
In this study, the increase in OM in the abandoned grassland, as opposed to the agricultural area, involves a greater potential for carbon sequestration, and evidences the effect of good land use management practices (rest); in this regard, Sahoo et al. (2019) note that a decrease in the OM stock in land uses other than forests, implies C depletion, a situation that is ameliorated only when better management practices are applied that include addition of plant residues and lower disturbance.
Ordóñez et al. (2022) compared the effect of land use changes in forests; these authors reported a lower impact in the conversion to natural grasslands compared to that observed in crops, due to the differences between the two uses in the time required for soil microbial communities to recover; good management practices and the effect of climatic conditions, such as humidity, influence nutrient content and soil microbial processes (Kátai et al., 2022). According to Martínez et al. (2008), the OM content not only depends on local environmental conditions but also is affected by the management.
Physical soil properties are the way in which the soil behaves in processes that do not involve chemical modifications and have a direct or indirect influence on all the functions it performs (Narro, 1994); this influence is expressed by the structural organization, i. e., its aggregation status characterized by the shape, stability, and resilience of the structure (Álvarez et al., 2006) and is determined by the activities carried out on its surface that affect the reduction of the porous system and its continuity (González et al., 2008). Bulk density (BD) and mechanical resistance to penetration (MRP) are two of the physical properties that reflect the affectation of the porosity of the soil as a result of changes in land use. In this research, the BD was maintained at an average of 1.00 g cm-3, with no significant differences between land uses in relation to the pine forest (Figure 2).
Average values for bulk density (<italic>BD</italic>) and mechanical resistance to penetration (<italic>MRP</italic>) for shallow depths.
Different values for each property indicate significant differences (p≤0.05) between the land uses. PF = Pine forest; REF = Reforestation; AGRI = Agricultural; PAST = Grassland.
In the grassland, the presence of grasses covering most of the area stood out; the BD registered low values, with no significant differences between uses, however, the grassland had the lowest value with 0.97 g cm-3 compared to the other sites, where the reforestation area had values of up to 1.04 g cm-3. In areas with 25 years of conversion to buffel grass, Celaya et al. (2015) observed an impact on the physical properties and on the nitrogen and water reservoirs in the spaces between soil particles, which they related to cattle trampling. Mongil-Manso et al. (2022) point out that the recovery time on some properties is slow after reforestation and long periods are required for significant changes in soil properties, even in 20-year-old reforestation. Conversely, Hernández-Vigoa et al. (2018) point out that biological variables, and certain physical and chemical ones, such as bulk density and total organic carbon, are very susceptible to change in the very short term due to land use intensity.
The MRP was the property most sensitive to land use change. There were significant differences between land uses in the surface layer; the pine forest had the highest MRP with an average value of 22.5 kg cm-2, in contrast to the agricultural area where the effect of tillage breaks the surface layer, reducing its compaction to only 8.25 kg cm-2 on average (Figure 2). This is in agreement with the findings of Navarro et al. (2000), who assessed the effect of five tillage treatments on sandy loam and clay loam soils; according to them, the BD and MRP were modified independently of the type of tillage and remain unaltered only with a no-tillage system.
Texture is one of the most stable physical properties. Regosols are unconsolidated, fine-grained, little-evolved mineral soils (FAO, 2016), with high silt and sand contents. In the present study, texture was classified as loamy for all soil uses, with mean values of 40.9 % sand, 40.3 % silt, and 18.8 % clay for depth 0-5 cm, while at the second depth, the values for sand, silt, and clay were 38.3 %, 42.1 %, and 19.6 %, respectively.
Nevertheless, differences in sand content were obtained according to the analysis of variance between the two depths (Table 2), the comparison of means between land uses for each of the depths showed differences for the percentage of silt in the 5-30 cm depth; in this respect, reforestation had contents of 39 % and pine forest 45.5 %. In the grassland and agricultural sites, there were no differences between them, their values were 41.8 and 42.2 %, respectively (Figure 3). Novillo et al. (2018) obtained differences in physical and chemical properties with the change from native forest to monocultures, mainly in texture, which affects the properties that contribute to the decrease of aggregates, thereby influencing the vertical movement of water.
ANOVA of the physical and chemical properties evaluated in the four land uses (Factor A), two depths (Factor B), and their interaction (Factor A×Factor B) in the Regosol soil.
Soil properties
Units
Factor A (3.31)
Factor B (1.31)
Factor A×B (3.31)
pH
-
1.711 NS
7.416 *
0.348 NS
EC
dS m-1
0.827 NS
0.001 NS
0.261 NS
OM
%
1.909 NS
0.187 NS
0.519 NS
Sand
%
0.229 NS
0.325 *
0.353 NS
Silt
%
0.173 NS
0.158 NS
0.440 NS
Clay
%
0.267 NS
0.063 NS
0.131 NS
BD
g cm-3
3.484 NS
MRP
kg cm-2
6.997 *
EC = Electrical conductivity; OM = Organic matter; BD = Bulk density; MRP = Mechanical resistance to penetration. * Significant differences (p≤0.05). NS No significant differences (p>0.05).
Graphs of average texture values (sand, silt, and clay) for the two depths (0-5 and 5-30 cm).
Different letters for the same component indicate significant differences based on Tukey's test (p≤0.05) between the land uses. PF = Pine forest; REF = Reforestation; AGRI = Agricultural; PAST = Grassland.
High silt contents do not favor stable aggregation (Rollán and Bachmeier, 2015), however, in the presence of low clay contents, the silt fraction plays a key role in OM stabilization, especially when clays are saturated with carbon (Matus et al., 2016).
It should be noted that among the four land uses: edged reforestation, abandoned grassland, agricultural areas, and pine forest, there were no significant differences in the physical and chemical properties evaluated, with the exception of the MRP. Table 2 summarizes the results of the two-way analysis of variance: land use (Factor A) only had significant differences for mechanical resistance to surface layer penetration, where land use change mainly affected the porous system, which is correlated with water infiltration, root growth, and crop productivity (Cerana et al., 2005).
The depth factor (Factor B), which evaluates the effect on soil properties at the two depths, showed significant differences in pH and sand content. Domínguez-Calleros et al. (2017) explain that the surface layer of the soil presents a greater release of nutrients due to the accumulation of organic residues, with a reduction of soil properties at greater depths.
The soil properties evaluated in the interaction between land use factors by depth (Factor A×Factor B) exhibited no significant differences (Table 2). However, some authors report that changes in soil properties vary according to the use to which the land is subjected (Dieckow et al., 2009; Ordóñez et al., 2022). Others, such as Mongil-Manso et al. (2022) indicate the opposite; they report the same organic matter content and bulk density for the various uses (shrubland, oak woodland, grassland). Geissen et al. (2009) evaluated the effect of changes in soil use on physical and chemical properties with different conversion times; their results showed that the evaluated grasslands, with up to 15 years of change, had lower pH, increased BD and MRP, but maintained fertility due to their high clay content and the influence of water, due to the high precipitation that promotes the inhibition of organic matter mineralization processes.
The deterioration and absence of forest cover cause loss of soil fertility, which is why actions are taken to protect ecosystems and contribute to their conservation, protection, restoration, and sustainable use (Conafor, 2010); thus, the evaluated reforestation area was created for the purpose of protecting forest areas. The improvement of its properties unlike in the agricultural area evidences the environmental importance of recovering and improving the soil properties; however, the joint effect takes time to manifest itself. Although the results did not show significant differences, the improvement of physical properties such as bulk density, in addition to the increase in organic matter content, indicated that is in the process of recovery.
On the other hand, although no information was obtained regarding the type of management applied to the pine forest, it is likely that because it is a common area of the ejido, it is used for grazing or forestry; this is reflected in the high values of MRP compared to other uses, or simply in the fact that the physical and chemical properties of the soil of this forest correspond to the intrinsic and dynamic properties of the Regosol.
Conclusions
Most of the physical and chemical properties of the analyzed soil show no significant differences between the evaluated land uses. The most susceptible property to land use change is MRP, for which agricultural use has the lowest value due to the effect of tillage, as the tools utilized for this purpose disperse the soil and reduce compaction. Sand content shows differences when only depths are compared; significant differences in silt content between uses are observed at the 5-30 cm depth, and although the OM content does not exhibit significant differences, it does show a higher accumulation at both depths, in the following order: grassland>pine forest>reforestation>agricultural.
Finally, fallow grasslands after years of agricultural use and reforestation with edges favor the recovery of the properties of Regosol and eventually improve the soil quality, which is maintained in the natural forests due to the intrinsic properties of the Regosol.
Acknowledgments
The authors would like to thank engineer Rodrigo Solís Castro for his support and intervention with the Congregación de a Laguna ejido, in Galeana municipality, Nuevo León, and engineers Aylin Danae Díaz Zarate and Anastasio Sandoval Martínez, who were part of this research during their academic training, for their collaboration in the field and laboratory work.