Livestock Research for Rural Development 24 (2) 2012 Guide for preparation of papers LRRD Newsletter

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Cambios del nitrógeno durante etapas de desarrollo temprano de la leucaena (Leucaena leucocephala (Lam) de Wit)

Liliana Bueno y Juan Carlos Camargo

Universidad Tecnológica de Pereira, Centro de Investigaciones y Estudios en Biodiversidad y Recursos Genéticos (CIEBREG).
La Julita, Pereira, Colombia.
lilibu@utp.edu.co

Resumen

La Leucaena leucocephala es una especie leñosa ampliamente utilizado en sistemas silvopastoriles como fuente de forraje y otros beneficios relacionados con la fijación de nitrógeno, sombra para el ganado y leña. Por ello la leucaena se ha convertido en un elemento importante dentro de los sistemas silvopastoriles en la región central andina de Colombia en el marco de las estrategias desarrolladas para la reconversión ambiental de la ganadería. Con el fin de  estudiar los cambios del nitrógeno foliar y edáfico en las primeras fases del desarrollo de leucaena, se evaluó el desarrollo de esta leguminosa forrajera, en sus etapas tempranas de crecimiento. El experimento se llevó a cabo en el municipio de Montenegro, en la región cafetera de Colombia, donde cinco tratamientos consistentes en diferentes dosis de urea entre 0-1 t ha-1 y la inoculación con Rhizobium, se aplicaron en plantas de leucaena establecidas en macetas. La eficiencia de nodulación de Rhizobium y los cambios en el suelo y las hojas de nitrógeno fueron medidos durante las primeras 25 semanas de crecimiento. El número de nódulos se calculó de forma manual por las determinaciones y el nitrógeno se determino tanto el suelo como en la parte foliar mediante la técnica de Kjeldahl semimicro.

 

La nodulación fue significativamente (p <0.05) afectada por la presencia de urea y tendió a disminuir con la dosis más alta. El nitrógeno total en el suelo no mostró diferencias significativas entre los tratamientos y el mayor valor se estimó en 240 kg / ha en el tratamiento de inoculación y sin urea, mientras que el nitrógeno foliar resultó más estable en los tratamientos sin urea, aunque con valores inferiores a los tratamientos con urea donde el nitrógeno mostró cambios entre los valores bajos y altos a lo largo del tiempo.

Palabras clave: dinámica del nitrógeno, nodulación, sistemas silvopastoriles



Change in nitrogen during the early stages of development of Leucaena (Leucaena leucocephala (Lam) de Wit)

Abstract

The Leucaena leucocephala (leucaena) is a woody species widely used in silvopastoral systems as a source of forage and other benefits associated with nitrogen fixation, shade for cattle and firewood. Consequently, leucaena has become an important component within silvopastoral systems in the central Andean region of Colombia in the framework of strategies developed for cattle environmental reconversion. Benefits associated with nitrogen fixation have attributed to theses systems, however information is currently scarce,  especially in Colombia.  In order to assess the changes on leaf and soil nitrogen in the early stages of leucaena development, we established an experiment. The experiment was carried out in the municipality of Montenegro, coffee region of Colombia, where five treatments consisting in different equivalents doses of urea between 0 to 1 t ha-1 and inoculation with Rhizobium were applied on leucaena plants established in pots. The efficiency of Rhizobium nodulation and changes in soil and leaves nitrogen were measured during the first 25 weeks of growth. The number of nodules was manually estimated by count determinations while both soil and foliar nitrogen was performed by using the semimicro Kjeldahl technique.

Nodulation was significantly (p<0.05) affected by the presence of urea and tended to decrease with higher urea doses. Total nitrogen in soil did not show significant differences between treatments and the highest value was estimated in 240 kg / ha under the treatment with inoculation and without urea, whereas foliar nitrogen resulted more stable in treatments without urea although with lower values than those treatments with urea where nitrogen showed changes between low and high values along the time.

Keywords: Leucaena leucocephala, nodulation, nitrogen dynamcis, silvopastoral systems


Introducción

Durante los últimos 50 años a nivel mundial, la producción agropecuaria aumentó aproximadamente 10 veces, al igual que el uso de fertilizantes químicos nitrogenados,  dada la necesidad de este elemento para las plantas y su escasez en el suelo (Frioni 1999). El proceso industrial para producir fertilizantes químicos nitrogenados, implica un alto consumo de combustibles fósiles, con las consecuencias ambientales que esto tiene. Además, dicho proceso es ineficiente y muy costoso porque se requiere por ejemplo de 1 tonelada de petróleo para producir una de urea (Solari 2002).  

 

Por otro lado, el uso de fertilizantes químicos en la agricultura genera efectos nocivos a través de nitratos, por contaminación hídrica, del aire y consecuentemente contribuye al calentamiento global (Solari 2002). Sin embargo, de acuerdo con Echeverri y Sáenz (2006), con un conocimiento adecuado del ciclo del nitrógeno, sería posible generar estrategias para optimizar los sistemas productivos.

 

Fernández-Canigia (2003) muestra que la fijación biológica de nitrógeno  como la simbiosis con mayor importancia agronómica  entre las plantas leguminosas  con bacterias de la familia Rhizobiaceae, que se presenta como adaptación a un medio deficitario de nitrógeno 

 

La zona cafetera de Colombia, sufrió una transformación importante de los usos de la tierra debido a la caída de los precios del café. Esto tuvo como resultado que muchas de estas áreas sean actualmente utilizadas para ganadería. Como respuesta a este cambio de uso y debido a las consecuencias negativas que generan sobre los ecosistemas las actividades de ganadería convencional se ha  promovido un proceso de reconversión ambiental que implica entre otros el establecimiento de tecnologías silvopastoriles (Murgueitio y Calle 1998). Dentro de los  diferentes tecnologías promovidas,  los sistemas silvopastoriles de alta densidad con leucaena (Leucaena leucocephala (Lam) de Wit)  han sido los de mayor acogida debido a los beneficios que estos ofrecen, por ejemplo la fijación biológica de nitrógeno en el suelo que puede sustituir la aplicación de fertilizantes nitrogenados (Espinoza et al 2007) y el contenido nutricional de su follaje. 

 

Por ejemplo, Snoek et al (2000) en asociaciones de café con leucaena indicaron que leucaena puede fijar hasta 200 kg de nitrógeno por hectárea y  además indican como la leucaena suministra a la gramínea asociada aproximadamente un 40% del N total,  

 

En Colombia se destacan varias experiencias con sistemas silvopastoriles de alta densidad con leucaena (SSPi) (Murgueitio et al 2007), no obstante los estudios se han centrado en el efecto sobre la productividad animal (Zapata et al 2007,  Murgueitio 2001, Sadegian 1998, Mahecha 2000) y no se han publicado estudios sobre fijación y dinámica del nitrógeno en el suelo.  

 

Con el propósito de seguir aportando al conocimiento de los Sistemas silvopastoriles, en este trabajo se estudió la relación entre el nitrógeno edáfico y foliar de Leucaena leucocephala, con la nodulación y el crecimiento de la planta, bajo las condiciones climáticas del municipio Montenegro ubicado en el departamento del Quindio, zona cafetera Colombiana. 


Materiales y métodos

Área de Estudio:

La investigación se realizó en la finca el Bambusal, municipio de Montenegro (departamento del Quindío), en la zona andina de Colombia. La finca se encuentra a 1200 msnm, la región tiene una precipitación promedio anual de 1800 mm, pendientes ligeramente planas a onduladas (7 al 12 %)  y suelos del orden de los andisoles, que generalmente son profundos, bien drenados y de fertilidad moderada (Camargo y Gaviria 2006). De acuerdo con Parrotta (1995), la zona presenta condiciones ecológicas favorables para el establecimiento de la leucaena.  

Diseño y manejo del experimento 

Para el experimento se utilizó un diseño completamente  al azar, con un total de 75 unidades experimentales con cinco tratamientos y quince repeticiones. Se evaluaron distintas dosis de urea y el efecto de la no inoculación y la inoculación con Rhizobium (Tabla 1).

Tabla 1: Tratamientos experimentales evaluados

Símbolo

Tratamiento

 Urea equivalente en Ton ha -1

Inoculo con Rhizobium

T0

Control

0

No

T1

Inoculadas  sin urea

0

Si

T2

Inoculadas con urea

0.25

Si

T3

Inoculadas con urea

0.5

Si

T4

Inoculadas con urea

1.0

Si


Las unidades experimentales fueron materas, a las cuales se transplantaron plántulas que se habían sembrado al inicio  del experimento (dos semanas antes), utilizando semillas de plantas adultas presentes en SSPi de la zona estudiada. 

 

Las materas plásticas se llenaron con 4,4 kg de suelo de la finca “Bambusal”, ubicada en el municipio de Montenegro (Quindio), a una altura de 1200 msnm y una precipitación promedio anual de 1800 mm. En esta zona se presentan condiciones topográficas y edáficas favorables para el establecimiento de leucaena (25-30 °C; 650-3000 mm/año máx.; 1500 msnm), (Parrota 1995),  con suelos de pendientes ligeramente planas a onduladas (7 al 12%) y del orden andisoles, profundos, bien drenados y de fertilidad moderada. (Camargo y Gaviria 2006).

 

Es importante anotar que el experimento se llevo a cabo bajo las condiciones climáticas del municipio, por lo que no se incluye riego ni poda. Las materas se ubicaron próximas a la zona de silvopastoreo de la finca, y fueron protegidas del golpe de lluvia y el sol directo, con el uso de una polisombra (figura 1).


Figura 1: Establecimiento del experimento en la finca “El Bambusal”


La aplicación de urea correspondiente, de acuerdo a los tratamientos, se realizó tres semanas después de haber sido establecidas las plantas en las macetas. La inoculación con Rhizobium se realizó sobre las semillas con un inoculo sólido de Rhizobium, adquirido con la casa comercial Ferbiol 

 

El suelo utilizado como sustrato en las macetas, se obtuvo en la finca donde se realizó el experimento, en concreto de áreas bajo pasturas con características tales como pH de 6.1,  nitrógeno total 0.13%, fosforo  89 ppm, calcio 4.9 meq/100 g de suelo, magnesio 0.9 meq/100 g de suelo, potasio 0.97 meq/100 g de suelo, arena 67%, arcilla 19% y limo 14%. 

 

Para la evaluación de número de nódulos por planta (contados manualmente), contenido de nitrógeno total de la planta (hoja, tallo, raíz, ramas) y contenido de nitrógeno en suelos, se realizaron cinco muestreos destructivos por tratamiento a las 8, 11, 16, 21 y 25 semanas después de la siembra, con tres replicas por cada tratamiento.

 

Para los muestreos se tomaron tres plantas por tratamiento con su respectivo suelo; estos eran trasladados al laboratorio para el conteo de nódulos y el análisis de nitrógeno en el suelo y la parte foliar de la planta 

 

Tanto el N foliar como el edáfico, se determinaron por el método de Semimicro-Kjeldahl, (UTP 2007) expresándolo como porcentaje del N total. Además, otras variables de la química del suelo fueron medidas para ser usadas en el análisis estadístico como posibles covariables, este fue el caso del pH,  materia orgánica (%), el fósforo (ppm), potasio (meq/100g de suelo), calcio (meq/100 g de suelo) y magnesio (meq/100 g de suelo).   

Análisis estadístico

 

Se realizaron estadísticas descriptivas para todas las variables y posteriormente se probó la normalidad de las mismas mediante la prueba de Shapiro-Wilk (Gibbons and Coleman 2001). Dado que las variables no se ajustaron a una distribución normal, se probó la transformación  de las mismas sin  resultados positivos. Por esta razón la comparación de los tratamientos se realizó utilizando la prueba no paramétrica de Kruskall-Wallis (Gibbons and Coleman 2001). Para visualizar las relaciones existentes entre los contenidos de nitrógeno  foliar y edáfico con otras variables del suelo se realizaron análisis de correlación de Spearman. Para todos los análisis estadísticos se utilizó el software estadístico InfoStat (InfoStat 2007).


Resultados y Discusión

Número de nódulos

Los nódulos pueden presentar diferentes formas, como se observa en la figura 2 (desde a hasta d); pueden ser cilíndricos, alargados, esféricos o digitados, pero pueden existir mas formas.

 

En la figura 2e, se observa un nódulo efectivo, que tiene entre sus  características la  ubicación, principalmente, en la raíz principal y una coloración interior rojiza del complejo enzimático que participa en la fijación de N atmosférico. (Fernandez-Luqeño y Espinoza-Victoria 2008)

 

Figura 2: a y b. Raíz de leucaena  con nódulos, en la octavo semana de  establecimiento; c. Raíz de leucaena con nódulos, en la semana 16ª de establecimiento; d. Raíz de leucaena con nódulos, en la semana 25ª de establecimiento; e. Interior de un nódulo (nódulo efectivo), de una planta de leucaena de la 11ª semana de establecimiento


La cantidad de nódulos fue significativamente  (p<0.05) mayor en los tratamientos donde no se aplicó urea (T0 y T1) y el mayor valor se presentó en T1 con 34  (±8.65) nódulos en promedio por planta. En la escala espacial no se observaron tendencias dentro de cada tratamiento; sin embargo el número de nódulos fue mayor entre las semanas 16 y 21 cuando no se aplicó urea y en la semana 25 en los tratamientos donde se aplicó. Este comportamiento podría indicar una inhibición de la acción de las bacterias que se asocia a la alta disponibilidad de N en el suelo cuando se aplica urea y que en la medida que el efecto de la fertilización decrece, se incrementa el número de nódulos (Figura 3). Esto puede ser una evidencia que cuando no hay déficit de N en el suelo, la planta no tiene necesidad de formar estas estructuras (Fernández 2003), que le generan a la planta un alto costo energético, ya que utilizar un gramo de N atmosférico del aire le representa a la planta un gasto tres veces mayor de energía que cuando utiliza el N del suelo (Díaz-Zorita 1999) 

 

Lo que parece evidenciar que cuando no hay déficit de N en el suelo, la planta no encuentra la necesidad de formar estas estructuras (Fernández 2003),  que le generan  un alto costo energético, ya que tomar un (1) gramo de N atmosférico del aire  representa para la  planta un gasto 3 veces mayor de energía que cuando lo toma del suelo (Fernández 2003)


Figura 3: Número promedio de nódulos activos por planta. Cada columna representa las semanas después de la siembra... Las líneas verticales sobre las barras indican el error estándar. TO = Control, T1= Inoculación, T2 =250 Kg Urea ha-1 e inoculación, T3 = 500 Kg Urea ha-1 e inoculación, T4 = 1 t Urea ha -1 e inoculación


De acuerdo con Rodríguez-Navarro (2007), la escasez de nódulos, el tamaño y  el momento de aparición son  caracteres que dependen de la planta o de la bacteria, al igual que el exceso de lavado del fertilizante ().  Por lo anterior, se puede inferir que la urea afectó la aparición nódulos activos lo cual ha sido registrado en otros estudios, como Díaz-Zorita (1999), que encontró una la inhibición muy alta con contenidos mayores a 70 mg Kg-1 de aplicación de urea. En este trabajo se usaron cantidades mayores de fertilizante (entre 156 mg Kg-; 625 mkg).

Es posible que  las condiciones ambientales bajo  las cuales se mantuvo el experimento, que implicaron la exposición a la precipitación afectó la simbiosis (Rhizobio y leguminosa), al generar anaerobiosis en el suelo, ya que el oxígeno es indispensable para la vida libre de la bacteria. De esta manera como plantea  Fernández-Canigia (2003), el encharcamiento puede llevar a la muerte de la bacteria y a un deterioro de las condiciones de crecimiento de la planta. Así mismo, se ha evidenciado que bajo condiciones ambientales favorables, la descomposición de residuos, amonificación y desnitrificación ocurre a una rata acelerada.  (Sims et al1994).

Nitrógeno foliar

Esta variable en los tratamientos sin aplicación de urea (T0 y T1), tuvo valores significativamente (p<0.05)  menores que en aquellos donde se aplicó urea (T2, T3 y T4). Dentro de los tratamientos y a través del tiempo, el contenido de N foliar fue menos dinámico para T0 y T1 y para los restantes (T2, T3, y T4) decreció hasta la semana 16 y luego incrementó significativamente (p<0.05) (Figura 4). Cuando hay inoculación de Rhizobium y no se fertiliza (T1) el contenido de N foliar parece ser más constante en el tiempo aunque no con los mayores valores, mientras que en los otros tratamientos se presentan variaciones importantes especialmente cuando se incrementa la dosis de urea.  

Es usual que la acumulación de N en los órganos vegetativos sea más alta durante las primeras fases de desarrollo de una planta (Aguilar y Grau 1990), debido a que es necesario para el desarrollo de nuevos tejidos en cada órgano que se están formando. Por lo tanto, es necesario para la multiplicación celular y estimular el crecimiento (Redondo-Nieto 2008). Así mismo, cuando se fertiliza este incremento se hace mayor debido a la mineralización que ocurre del mismo y que ocurre rápidamente (Datta 1986,  Osorio 2004, Chacón-Moreno  y  Sarmiento 1995).  


 

Figura 4: %  Nitrógeno foliar por cada tratamiento. Cada columna representa el tiempo después del establecimiento. TO = Control, T1= Inoculación, T2 =250 Kg Urea ha-1 e inoculación, T3 = 500 Kg Urea ha-1 e inoculación, T4 = 1 t Urea   ha -1 e inoculación

Nitrógeno en el suelo

El contenido de Nitrógeno total en el suelo no mostró diferencias significativas (p> 0.05) entre tratamientos, sin embargo tuvo una tendencia a incrementar significativamente (p<0.05) con el tiempo dentro de todos los tratamientos (p<0.05). Los valores más altos se presentan en la última semana evaluada (25) y se resalta que no se percibe un efecto de incremento cuando se aplica mayor cantidad de urea (Figura 5). Estos valores coinciden con los incrementos que se dan al final en N foliar, en la mayoría de tratamientos y también con la nodulación, mostrando la eficiencia de la simbiosis para el proceso de fijación tanto en el follaje como en el suelo (Urzua 2005).

Figura 5: %Nitrógeno total  en el suelo por tratamiento. Cada columna representa el tiempo después del establecimiento. Las líneas verticales sobre las barras indican el error estándar. TO = Control, T1= Inoculación, T2 =250 Kg Urea ha-1 e inoculación, T3 = 500 Kg Urea ha-1 e inoculación, T4 = 1 t Urea ha -1 e inoculación.


Teniendo en cuenta algunas variables del suelo, se observa que en los tratamientos con urea el pH tiende a disminuir significativamente  (p<0.05) de 6.1 antes del experimento  a 5, 7, 25 semanas después en T4. El efecto de este cambio se evidencia a través de la correlación con el crecimiento relativo y el N foliar que en ambos muestra ser menor cuando el pH es más bajo (R=-0.31 y R=-0.44  respectivamente)

De la misma manera, a pesar de que el fósforo en el suelo disminuyó a través del tiempo en la mayoría de tratamientos, este proceso no fue evidente en el tratamiento donde se  realizó solamente la inoculación con Rhizobium, esto demuestra que el suelo muestra un mejor equilibrio a nivel de nutrientes y no una dinámica fuerte que genera desbalances como los ocurridos cuando se aplican grandes cantidades de urea.

La nodulación presentó una relación moderada y directa con el Nitrógeno del suelo (0,35). Mayores contenidos de K en el suelo muestran una relación positiva con la cantidad de nódulos, esto fue evidenciado con el mayor contenido de K (0,79 meq/100gsuelo) en el tratamiento que mas nódulos presento (T1, sin aplicación de urea) y demuestra que hay relaciones entre la disponibilidad de este elemento y la nodulación. Esto es importante también porque la fijación de N depende del buen suministro de K, P y Ca, así como la formación de nódulos (Sangakkara et al 1996). En general, esto representa una condición de equilibrio en términos de nutrientes aportados al sistema (Camacaro 2004) 

La correlación de Spearman permitió visualizar una relación directa y moderada  entre el contenido de nitrógeno en el suelo y el número de nódulos (0.35) lo que permite plantear que la cantidad de nitrógeno en el suelo, estaría aportando a la biomasa en las primeras etapas de crecimiento de la leucaena. 

Observando que no hubo diferencias estadísticamente significativas  (p>0,05) entre tratamientos, se podría deducir que, la urea no afectó la disponibilidad de N total en el suelo, ya que este fue casi constante entre los tratamientos (entre 0.21y 0.24%), y fue  a través del  tiempo que se observaron variaciones de 0,17% en la semana ocho, a 0,32% en la última semana, obteniéndose un valor de Nitrógeno total  aproximada de 240 Kg ha-1, correspondiente con una Fijación aportada por la relación simbiótica 

Es importante resaltar que la determinación del contenido de Nitrógeno por técnicas convencionales como la de Kjheldhal (digestión ácida en caliente de la materia orgánica, destilación y titulación del amoniaco), permite detectar la fijación si esta es de cierta magnitud (más del 1% de N inicial) (Frioni 1999), razón por la cual en algunas de las pruebas realizadas no se evidenciaron algunos cambios.


Conclusiones


Agradecimientos

Este trabajo se realizó en el marco del proyecto  “Funciones ecológicas y económicas de sistemas silvopastoriles con alta densidad arbórea (SSPAA) en la zona cafetera y Valle del Cauca en Colombia” en el marco del programa de intercambio PROCOL (Alemania– Colombia) financiado por Colciencias y el DAAD; además de contar con el apoyo del Centro de Investigaciones y Estudios en Biodiversidad y Recursos Genéticos (CIEBREG) en el marco del proyecto  Valoración de los Bienes y Servicios  de la biodiversidad para el desarrollo sostenible de paisajes rurales colombianos: Complejo Ecorregional Andes del Norte.

Un agradecimiento  especial a  la Dra. Ximena Londoño, quien fue facilitadora del espacio en el cual se llevó a cabo el experimento: finca “El Bambusal”. 


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Received 16 April 2011; Accepted 11 October 2011; Published 7 February 2012

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