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Reciclaje de nutrientes y agrosilvicultura en Africa

P.A. Sánchez y C.A. Palm

Pedro A. Sánchez es Director General del Centro Internacional para Investigación en Agrosilvicultura (ICRAF), Nairobi, Kenya.
Cheryl A. Palm es Funcionario Científico del Programa de biología y fertilidad de suelos tropicales del ICRAF, Nairobi, Kenya.

Se examina la función de la agrosilvicultura en el reciclaje de nutrientes en distintos ecosistemas, centrando la atención en los dos elementos nutrientes principales, el nitrógeno y el fósforo, en sistemas basados en el maíz de pequeños productores de Africa.

Agrosilvicultura basada en el maíz en Ghana

Uno de los principios fundamentales de la agrosilvicultura es que los árboles aumentan la fertilidad del suelo, es decir, su capacidad de proporcionar los elementos nutritivos esenciales para el crecimiento de la planta. A menudo se confunden términos clave de los nutrientes como entrada, salida, saldo, reciclaje y capital. Esta terminología se refiere a un sistema suelo-planta, generalmente a nivel de agricultor. Las aportaciones que provienen de fuera del sistema, tales como el nitrógeno que fijan las leguminosas tomándolo del aire, o el uso de fertilizantes químicos. Se consideran entradas los abonos de origen animal si se han producido fuera del sistema. Las salidas de nutrientes son las pérdidas que se producen a causa de la cosecha, la erosión del suelo, la lixiviación, la volatilización del gas y otros procesos. El saldo de nutrientes es la diferencia entre las entradas y las salidas. El reciclaje de nutrientes se refiere a la transferencia de nutrientes, que ya existen en el sistema suelo-planta, de un componente a otro, por ejemplo la liberación de nitrógeno de la materia orgánica del suelo, como amonio o nitrato, y su absorción posterior por las plantas.

Otros procesos relacionados con el reciclaje de nutrientes son el regreso al suelo de residuos de cultivos en forma de rastrojos; abono del ganado y la orina que los animales depositan en el sistema; los abonos verdes de leguminosas que se añaden al suelo y la transferencia de nutrientes de los árboles a los cultivos en sistemas agroforestales mediante la poda, la caída de las hojas y la descomposición de las raíces. Cuanto menores sean las pérdidas de nutrientes del sistema, menores serán las aportaciones que se requerirán del exterior para encontrar un equilibrio. El capital de nutrientes se refiere a las reservas de nutrientes presentes en el suelo en formas de asimilación lenta, y que se liberarán en años o decenios.

RECICLAJE DE LOS NUTRIENTES Ecosistemas forestales tropicales naturales en equilibrio

Desde hace unos sesenta años se ha reconocido la existencia de ciclos de nutrientes casi cerrados entre un bosque tropical húmedo maduro y el suelo en el que crece y se han hecho estudios al respecto (Hardy, 1936; Vitousek y Sanford, 1986). Las entradas de nutrientes provenientes de la sedimentación atmosférica, la fijación biológica del nitrógeno y el desgaste de los minerales primarios del suelo están en equilibrio con las pérdidas de nutrientes debidas a lixiviación, desnitrificación, escorrentía y erosión. Las raíces de los árboles absorben nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), azufre (S) y micronutrientes que a su vez regresan al suelo mediante la descomposición de la hojarasca y de las raíces, y también por las precipitaciones y el resbalamiento de la lluvia por el tronco.

A medida que crecen, los bosques tropicales húmedos acumulan grandes cantidades de nutrientes en su vegetación, y un bosque maduro alcanza valores constantes de 700 a 2000 kg de N, de 30 a 150 kg de P y de 400 a 3000 kg de K, Mg y Ca por hectárea. El suelo contiene también grandes cantidades de nutrientes. Un reciclaje eficiente de los nutrientes, que pasan del suelo a la biomasa y que regresan luego al suelo, permite el crecimiento exuberante del bosque tropical en los suelos ácidos, relativamente infertiles, de los trópicos húmedos, siempre que no se hagan grandes extracciones de biomasa del sistema. Una recolección incorrecta de los bosques trastorna gravemente este proceso, debido a que se extraen del sistema grandes cantidades de nutrientes y se altera el reciclaje de los nutrientes.

Sistemas agrícolas en desequilibrio

Los sistemas agrícolas difieren de los sistemas naturales en un aspecto fundamental: existe una salida neta de nutrientes del terreno cuando se cosecha, lo que puede provocar un saldo negativo neto si no se reemplazan los nutrientes. El agotamiento de los nutrientes se puede compensar con el uso de fertilizantes, abonos provenientes de fuera del terreno y mediante otras aportaciones de nutrientes. Suele ocurrir esto en las fincas comerciales de los países desarrollados, donde tales aportaciones, junto con el reciclaje de los residuos de cultivos, da lugar a importantes acumulaciones de nutrientes. Sin embargo, tales acumulaciones contaminan algunas veces las aguas subterráneas y provoca la floración de las algas en los cursos de agua.

En Africa es inmensa la extracción de los nutrientes que se realiza con la recolección de las cosechas. Se han estimado pérdidas netas de aproximadamente 700 kg de N, 100 kg de P y 450 kg de K por hectárea durante los últimos 30 años en 100 millones de ha de tierras de labranza. Los estudios de Smaling (1993) sobre el equilibrio de los nutrientes en toda Africa han llevado a la conclusión de que el agotamiento de la fertilidad del suelo es la causa biofísica principal de la disminución de la producción per cápita de alimentos en las pequeñas explotaciones agrícolas de Africa (Sánchez et al., 1995). Por lo tanto, la pérdida de nutrientes en Africa contrasta netamente con los aumentos de capital de nutrientes en las zonas templadas.

Sistemas agroforestales

Uno de los principios fundamentales de la sostenibilidad es el devolver al suelo los nutrientes que se han extraído de él con las cosechas, la escorrentía, la erosión, la lixiviación, la desnitrificación y otros medios. ¿Puede la agrosilvicultura contribuir a ello? A continuación se ex pone una síntesis de dos exámenes realizados sobre este tema (Palm, 1995; Sánchez, 1995), cuyos resultados son en parte alentadores y en parte decepcionantes.

Se considera que la agrosilvicultura, es decir el cultivo de árboles junto a cosechas y/o ganado en el mismo terreno, permite mantener un reciclaje de nutrientes más eficaz que la mera agricultura. Esta hipótesis se basa en parte en estudios sobre el reciclaje eficiente de los nutrientes, de la hojarasca a los árboles en ecosistemas naturales, así como en el supuesto de que en los sistemas agroforestales los árboles transfieren igualmente los nutrientes a los cultivos intercalados. Esta hipótesis está respaldada por el hecho de que se han observado mayores rendimientos de los cultivos plantados junto a árboles de Faidherbia albida en el Sahel que en lugares donde se han quitado recientemente los árboles, como es el caso de los arbustos y los árboles en barbecho. Por consiguiente los árboles pueden tener un efecto sobre la fertilidad del suelo; no obstante, antes de esperar un efecto positivo sobre la fertilidad del suelo en un determinado sistema, debe considerarse también la importancia relativa de otros factores como la estructura y la materia orgánica del suelo y la competencia por la luz, el agua y los nutrientes.

La competencia y la complejidad son los principios clave que distinguen a la agrosilvicultura de los sistemas agrícolas o forestales. Ambos determinan dos propiedades deseables: la rentabilidad y la sostenibilidad. Estos cuatro principios incluyen los aspectos biofísicas y socioeconómicos. El límite biofísica de la agrosilvicultura es cómo administrar la competencia por la luz, el agua y los nutrientes entre los árboles y los cultivos y/o la ganadería para beneficio del agricultor. Aunque se pueden clasificar los sistemas agroforestales en innumerables modos, hay dos tipos funcionalmente diferentes, los sistemas simultáneos y los secuenciales.

Los sistemas agroforestales simultáneos son aquellos en los cuales los árboles y los cultivos crecen al mismo tiempo y están lo suficientemente cerca uno del otro como para competir por la luz, el agua y los nutrientes. Entre éstos se encuentran los cultivos en franjas (setos intercalados), setos en curvas de nivel, parques, plantaciones de lindero, huertos familiares y varios sistemas silvopastorales. Los sistemas simultáneos pueden variar enormemente según las proporciones de árboles y cultivos y su disposición espacial. Los sistemas mixtos espaciados, como las plantaciones de café y cacao, incluyen árboles altos que a través de la hojarasca y de las podas periódicas proporcionan nutrientes y sombra a las plantaciones más bajas. Los sistemas espaciados por zonas incluyen setos intercalados donde los cultivos anuales crecen en franjas entre hileras de árboles que se podan periódicamente para que proporcionen los nutrientes a los cultivos.

La máxima competencia por los nutrientes se produce en los sistemas agroforestales simultáneos, particularmente en los de corta duración como los cultivos en franjas. Recientemente se ha analizado la información disponible, que comprende más de 100 conjuntos de datos experimentales sobre cultivos en franjas, que abarcan climas de semiáridos a húmedos en diferentes suelos. Son muchos los factores que influyen en los rendimientos de los cultivos en franjas: la elección de las especies arbóreas y de los cultivos, la anchura de la franja, el régimen de poda, la producción de biomasa, el número de los ciclos de cultivo, el tiempo y la frecuencia de las podas, el trabajo del suelo, la fertilización, la dinámica de las malas hierbas, etc. La conclusión general aparece clara: las probabilidades de que el cultivo en franjas dé buenos resultados son muy limitadas y dependen de cada lugar, ya que en la mayoría de los casos la competencia de los árboles por el agua y los nutrientes probablemente será mayor que los beneficios para la fertilidad que se deriven de la capa de leguminosas.

Es en los sistemas agroforestales secuenciales donde los cultivos y los árboles alcanzan los índices máximos de crecimiento en momentos distintos, inclusive si se han plantado en proximidad y al mismo tiempo. El cultivo migratorio, los barbechos mejorados, el taungya y algunos sistemas multiestrato constituyen ejemplos de este tipo. La competencia por los recursos que permiten el crecimiento se reduce al mínimo en la agrosilvicultura secuencial porque las necesidades mayores de luz, agua y nutrientes se producen en tiempos distintos para cada componente del sistema.

En los ecosistemas tropicales, ya sean naturales o derivados, el nitrógeno, y, en modo particular, el fósforo, limitan frecuentemente la producción. Se estudian a continuación estos dos nutrientes limitativos, utilizando el maíz como cultivo de referencia.

NITROGENO
Entradas

En los sistemas agroforestales los árboles proporcionan nitrógeno mediante dos procesos: la fijación biológica del nitrógeno (FBN) y la captura de nutrientes en profundidad. A pesar de que la FBN es difícil de cuantificar metodológicamente, las estimaciones anuales generales son del orden de los 150 kg de N/ha (Giller y Wilson, 1991). Pruebas empíricas, como la presencia de nódulos activos de especies de leguminosas de las familias de Papiledoniaceae y Mimosaceae, indican que la FBN puede suministrar aportaciones considerables de nitrógeno a los cultivos a través de la hojarasca en suelos bien abastecidos de fósforo. Esta es una entrada de nutrientes segura. Existen también numerosas pruebas de que los árboles que no fijan el nitrógeno, incluyendo varias especies de Cassia (a la que recientemente se ha dado el nuevo nombre de Senna), acumulan en sus hojas una cantidad igual o mayor de nitrógeno que las leguminosas que lo fijan, tal vez debido a que sus raíces son más grandes y a su capacidad de absorber los nutrientes (Garrity y Mercado, 1994). No obstante, es importante observar que estos árboles que no fijan el nitrógeno, solamente lo hacen circular sin añadir nada al sistema.

La captura profunda de nutrientes es la que realizan las raíces de los árboles a profundidades a las cuales no llegan las raíces de los cultivos. En los sistemas agroforestales ésta se puede considerar como una entrada de nutrientes adicionales por lo que respecta al cultivo, ya que pasan al suelo con la descomposición de la hojarasca de los árboles.

Hartemink et al. (en prensa), descubrie ron recientemente un nuevo aspecto interesante sobre el nitrato del subsuelo en los nitisoles pobres en nitrógeno (alfisoles y oxisoles rojos con alto contenido de hierro) en Kenya occidental, donde detectaron en el subsuelo niveles de nitrato del orden de los 120 kg de N/ha, a profundidades de 50 a 200 cm. Encontraron también que los barbechos de Sesbania sesban agotaban este caudal, quitando así recursos al maíz. Se cree que la fuente de esta reserva de nitrato se ha originado por la mineralización del nitrógeno orgánico de la capa superficial del suelo, que es relativamente alto en estos suelos, y por la lixiviación del nitrato de dicha capa. Los aniones de nitrato quedan retenidas luego en el subsuelo por efecto de las superficies de arcilla de carga positiva. Así pues, lo que los árboles hacen es aumentar en medida considerable el volumen del suelo utilizado.

Salidas

El maíz que cultivan normalmente los pequeños productores africanos rinde menos de una tonelada por hectárea de grano y requiere una acumulación vegetal de menos de 40 kg de N/ha. Para producir 4 t/ha de maíz se necesitan 100 kg de N/ha, y para producir 7 toneladas, 200 kg (Sánchez, 1976). Dos tercios de este nitrógeno se acumulan en el grano y salen del sistema con la cosecha. Es probable que una gran parte del tercio restante, situado en el forraje, no regrese al suelo porque con frecuencia se da como alimento a ganado externo al sistema y su estiércol raramente regresa al campo donde se cultivó el maíz. Otros procesos que contribuyen a la pérdida, como la erosión del suelo, la lixiviación y la disnitrificación, provocan salidas de nitrógeno similares a la de la recolección del grano en el distrito Kisii de Kenya (Smaling, 1993).

Saldo

Smaling calculó un saldo negativo anual de 112 kg de N/ha en la zona mencionada, donde las entradas ascendieron a 55 kg de N/ha y las salidas a 167 kg de N/ha. Puede considerarse que estas cifras representan la situación de muchas partes de Africa.

Reciclaje

La materia orgánica procedente del suelo puede proporcionar la mayor parte de los 40 kg/ha que absorbe un cultivo promedio en el que se obtiene una tonelada de maíz por hectárea. Tomando en consideración que la utilización de abonos nitrogenados es variable y que la cantidad de nitrógeno de los residuos del cultivo que vuelve al suelo es muy limitada, probablemente la mayor parte del reciclaje interno en los sistemas de producción de maíz de los pequeños productores africanos se debe a la descomposición de la materia orgánica del suelo.

¿Puede la agrosilvicultura satisfacer las necesidades de nitrógeno? El de nitrógeno de la materia seca de una cubierta de leguminosas de 4 t/ha varía de 60 a 150 kg/ha (Palm., 1995). Una aportación de la capa vegetal de esta misma proporción se encontró en los barbechos de leguminosas en Chipata (Zambia), donde el maíz reacciona muy bien a los fertilizantes nitrogenados pero a los cuales la mayoría de los agricultores no tienen acceso desde que han cesado los subsidios en ese sector. Barbechos de dos años de Sesbania sesban duplicaron los rendimientos de maíz en un período de seis años, en comparación con la producción continua de maíz no fertilizado (Kwesiga y Coe, 1994), a pesar de que no hubo producción durante dos años durante el crecimiento de la S. sesban. Los análisis de los costos-beneficios también demuestran que los beneficios netos acumulativos de los barbechos de S. sesban se duplicaron con respecto al maíz no fertilizado, ya que añadieron 128 kg de N/ha al cultivo de maíz, cantidad que probablemente se derivó en su mayor parte de la fijación biológica del nitrógeno y del proceso de reciclaje. Para esa zona se recomiendan 122 kg de N/ha, lo cual es ligeramente inferior a la cantidad de nitrógeno que la S. sesban en barbecho proporciona.

Parece que los sistemas agroforestales secuenciales apropiados como la S. sesban en barbecho pueden reemplazar las aplicaciones de nitrógeno a un nivel de rendimientos del maíz de 4 t/ha. A niveles altos de rendimiento, comparables a los de las fincas comerciales de los países industrializados (alrededor de 7 t/ha), es probable que las aportaciones de nitrógeno orgánico sean insuficientes y se deban compensar con el uso de fertilizantes inorgánicos. La interacción entre las fuentes orgánicas e inorgánicas de nutrientes es fundamentalmente una nueva materia de investigación en los trópicos. Se poseen muy pocos conocimientos sobre el tema porque en los estudios realizados se ha comparado una fuente con la otra contraponiéndolas.

Así pues, parece que sistemas mejorados de barbecho y de cultivos en franjas pueden aportar el nitrógeno necesario en niveles de rendimiento bajo de maíz. Hasta qué punto el cultivo toma este nitrógeno depende de una serie de factores, incluyendo la tasa de descomposición de los abonos orgánicos.

Restablecimiento del capital de nitrógeno

La cantidad que el cultivo recupera del nitrógeno foliar de las leguminosas incorporado al suelo (del 10 al 30 por ciento) es generalmente menor que la de los fertilizantes nitrogenados (del 20 al 50 por ciento). Sin embargo, las aportaciones orgánicas tienen una ventaja importante, en términos de sostenibilidad, respecto de las inorgánicas. Gran parte del 70 a 90 por ciento del nitrógeno orgánico que no utilizan los cultivos se incorpora a las reservas de materia orgánica del suelo, que pueden tener mayor o menor actividad, ya que las cubiertas vegetales son también una fuente de carbono. Los microorganismos del suelo necesitan un substrato de carbono para crecer y también utilizan el nitrógeno que proviene de las aportaciones orgánicas, formando así el nitrógeno orgánico del suelo. Además, parte del nitrógeno combinado presente en las aportaciones orgánicas más recalcitrantes llegará también a formar el nitrógeno orgánico del suelo.

Los fertilizantes inorgánicos no contienen tales fuentes de carbono; por esta razón, la mayor parte de su nitrógeno que no utilizan los cultivos se pierde por lixiviación y desnitrificación, mientras que gran parte del nitrógeno que proviene de las aportaciones orgánicas y que no aprovechan los cultivos, podría contribuir a la formación del capital de nitrógeno orgánico del suelo y aumentar su humedad.

La acumulación lenta de nitrégeno orgánico del suelo debido a las aportaciones agroforestales u orgánicas de otro tipo, probablemente influirá de forma decisiva en la sostenibilidad a largo plazo. Esta estrategia no es nueva y se ha utilizado durante siglos en la agricultura de regiones templadas, con rotaciones de cultivos y la utilización de cubiertas de leguminosas de invierno. Sería novedoso hacer algo igual en los trópicos con sistemas de bajos insumos apropiados para los pequeños agricultores. En los sistemas agroforestales se necesita cuantificar las posibilidades de aprovechar mejor el nitrógeno mediante procesos de medición tales como la mineralización, inmovilización, desnitrificación, volatilización y lixiviación, junto con los cambios en la acumulación de nitrógeno orgánico del suelo en sistemas que combinen las fuentes orgánicas e inorgánicas.

FOSFORO
Entradas y ciclo

La agrosilvicultura, sin embargo, no puede proporcionar a los cultivos una cantidad suficiente del fósforo que necesitan. Las cubiertas de leguminosas y los abonos verdes aplicados en una proporción realista de 4 t/ha proporcionan de 8 a 12 kg de P/ha, es decir, aproximadamente la mitad de las necesidades de fósforo de un cultivo de maíz de 4 t/ha que acumula 18 kg de P/ha. Por lo tanto, en la silvicultura y en otros sistemas de bajos insumos externos el fósforo es a menudo el nutriente más difícil de obtener. Es necesario introducir fósforo de fuentes inorgánicas en los sistemas agroforestales en suelos que carecen de él. La estrategia que debe adoptarse es realizar primero el ciclo de las fuentes orgánicas disponibles, incluyendo los abonos, y completar con el uso de fertilizantes fosfatados. Combinando las fuentes orgánicas e inorgánicas de fósforo se puede lograr una utilización más eficaz de los nutrientes.

La captura profunda del fósforo probablemente será insignificante debido a la bajísima concentración del fósforo disponible en el subsuelo. En muchos sistemas agroforestales el fósforo se acumula en la biomasa y luego regresa al suelo a través de la descomposición de la hojarasca. Sin embargo esto es parte de un ciclo y no una aportación que viene de fuera del sistema. No obstante, parte del fósforo inorgánico presente en formas menos disponibles en el suelo puede resultar más disponible gracias a este proceso.

Salidas

Las pérdidas principales de fósforo se deben a la cosecha y la erosión del suelo. La primera es un fin deseado; en cambio la segunda es peligrosa para el medio ambiente porque cuando la cubierta vegetal enriquecida con fósforo se erosiona puede causar eutroficación de las aguas superficiales. Afortunadamente, existen otras opciones para el control de la erosión biológica bien demostradas, como la plantación de setos de leguminosas en las curvas de nivel (Kiepe y Rao, 1994).

Reposición del capital de fósforo

En los suelos del Africa subsahariana el fósforo se ha agotado a un ritmo muy veloz. No cabe esperar que sea la agrosilvicultura la que proporcione el fósforo adicional que se necesita en la mayoría de los sistemas agrícolas. Por lo tanto, el Banco Mundial y otros organismos que se ocupan del desarrollo están estudiando la posibilidad de reponer el fósforo mediante grandes aplicaciones de fertilizantes. Es posible reponer el capital de fósforo en suelos con elevada capacidad de fijación del mismo (normalmente los suelos superficiales rojos y arcillosos). Aplicaciones masivas de fosfatos minerales y otros fertilizantes fosforados pueden reponer el capital de fósforo de estos suelos. Ese fósforo, después que se ha fijado, se liberará gradualmente con la deserción de las superficies arcillosas oxidadas a las plantas en un período de 5 a 10 años. Se trata de un nuevo enfoque consistente en la inversión de capital de recursos naturales. Uno de los problemas que presenta este enfoque es que hay que añadir agentes acidificantes a los fosfatos minerales para facilitar su disolución en la mayoría de los suelos africanos en que se ha agotado el fósforo, cuyo Ph aproximado es de 6. La descomposición de las aportaciones orgánicas puede producir ácidos orgánicos que pueden contribuir a la acidificación del fosfato mineral. Este podría ser el camino a seguir.

CONCLUSION

En conclusión, sistemas agroforestales apropiados pueden mantener e inclusive reponer la fertilidad del nitrógeno a través de la FBN, la captura de nutrientes en profundidad y varios mecanismos de ciclado. Sin embargo, la agrosilvicultura por sí sola no puede reponer el fósforo, pero tal vez pueda hacerlo más disponible mediante el reciclaje. En términos de producción a largo plazo, los sistemas agroforestales deben incluir la adición de fósforo, y en muchos casos también de fertilizantes nitrogenados, a fin de evitar el agotamiento de los nutrientes y asegurar el uso eficaz de los recursos.

Bibliografía

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