Área de estudio

El trabajo se desarrolló en el suroccidente colombiano, departamento del Cauca, municipio de Caldono, vereda el Rosal (2°49'44''N y 76°34'8'O), situada a 1.450 m una sobre el nivel del mar (^{Arenas-Clavijo & Armbrecht, 2019}), cuyo paisaje consiste en pequeñas parcelas campesinas en una zona montañosa con un mosaico en el que predominan potreros, cafetales, y cultivos de pan coger, como fríjol y habichuela (Phaseolus vulgaris, Fabaceae), maíz (Zea mays, Poaceae), zapallo (Cucurbita maxima, Cucurbitaceae), yuca (Manihot esculenta, Euphorbiaceae), plátano y banano (Musa x paradisiaca, Musaceae), cítricos (Citrus x cinensis, C. x limon, C. x reticulata, Rutaceae), guayabos (Psidium guajaba, Myrtaceae) y mangos (Mangifera indica, Anacardiaceae). En la zona se siembran los cafetales en libre exposición (sin árboles de sombra o con plátano en baja densidad) o bajo la sombra de árboles como el guamo (Inga spp.), el aguacate (Persea americana, Lauraceae), el mano de oso (Schefflera morototoni, Araliaceae), el nacedero (Trichantera gigantea, Acanthaceae), el yarumo (Cecropia spp., Urticaceae), y el cachimbo (Erythrina sp., Fabaceae), entre otros. El suelo se caracteriza por ser ácido y arcilloso y requiere la aplicación de fertilizantes para la producción.

En junio de 2017 se escogió un lote de aproximadamente 1.800 m² (90 m x 20 m) (Figura 1) para desarrollar el experimento orientado a establecer el efecto de un árbol "acompañante" en el crecimiento de plántulas de café bajo tres condiciones de fertilización del suelo.

Figura 1 Panorámica del lote experimental en la vereda El Rosal. a) Fase de preparación del terreno para el establecimiento del experimento en julio de 2017. b) Aspecto del lote experimental tres y medio años después (diciembre 2020) 

Se sembraron 360 plántulas de cafetos de la variedad Castillo-Tambo (^{Alvarado, et al., 2005}) y 90 de guamo (I. densiflora), de tres meses de edad, con un diseño de aleatorización estratificada o restringida consistente en 90 parcelas y 270 subparcelas de la siguiente manera: sobre un plano cartesiano de 30 hileras y tres columnas (Figura 2) se trazaron equidistantemente las parcelas, cada una de 320 x 50 cm (Figura 2, rectángulos de colores), con una separación de 3 m de una columna a la siguiente y de 2 m entre hileras. Cada hilera consistía de las plántulas con los tratamientos de fertilización y las del árbol acompañante dispuestas sucesivamente en 30 filas (réplicas). Dentro de cada parcela se establecieron tres subparcelas de 40 x 30 cm (Figura 2, rectángulos grises) en donde se asignaron aleatoriamente los tratamientos con árbol "acompañante".

Figura 2 a) Esquema del diseño del experimento. Cada una de las 30 filas se consideró una réplica de cada tratamiento de fertilización (tres tratamientos) y de cada acompañante (tres posibilidades: sin acompañante, con otro cafeto como acompañante o con guamo como acompañante). Cada una de las tres columnas representa un tratamiento de fertilización diferente: azul: gallinaza; verde: copolímero orgánico y rosado: control sin fertilizante. En cada parcela (rectángulos de colores) se asignaron aleatoriamente las tres subparcelas (rectángulos grises) a los tipos de acompañante, como se ilustra con el ejemplo de la parcela abierta. b) Presentación del copolímero orgánico: forma de aplicación original (izquierda: 30g), e hidratado (derecha) 

Tratamiento de fertilización

Se les asignaron aleatoriamente tres tratamientos de fertilización a las tres parcelas de cada hilera, asignando a cada una un tratamiento de fertilización diferente. Los tratamientos fueron los siguientes: 1) gallinaza comercial (fertilizante orgánico) de excretas de gallinas ponedoras adultas mezcladas con restos de alimento y exocarpos (residuos) de cosecha de arroz (10 %). La gallinaza provee aproximadamente 34,7 kg/ton de nitrógeno, 30,8 Kg/ton de fósforo (P₂O₅) y 20,9 Kg/ton de potasio (K₂O) (^{Estrada-Pareja, 2004}). En la figura 2 se presentan los tratamientos en los rectángulos azules (1 kg por subparcela). 2) Copolímero orgánico de material hidrorretenedor conocido como Polyter® (https://polyter.com/es/polyter-gr.html), cuyos productores reportan que contiene una pequeña cantidad de potasio, nitrógeno y fósforo, sin especificar el porcentaje. Este hidrorretenedor actúa como acondicionador del suelo. En la figura 2 a y b, los tratamientos se presentan en los rectángulos verdes (30 g por subparcela). 3) Control negativo, es decir, sin fertilizante orgánico ni hidrorretenedor (copolímero), el cual se indica en la figura 2 a con rectángulos rosados.

Tratamiento de árbol acompañante (subparcelas)

Dentro de cada parcela se establecieron tres subparcelas (unidad experimental: UE), con una separación de 1 m entre sí. En cada subparcela de 30 cm x 40 cm se cavó un hueco de 30 cm de profundidad en el que se sembraron las plántulas. En todos los huecos se habían aplicado previamente 300 g de cal agrícola (marca Calco®, registro de venta ICA 2881. https://www.calco.com.co/), con el fin de reducir la acidez del suelo. Un mes antes de iniciar el experimento el suelo registraba un pH entre 4,72 y 5,46 según los análisis químicos realizados por Agrilab Laboratorios el 24 de mayo del 2017.

A cada subparcela se le asignó aleatoriamente (aleatorización estratificada) uno de los siguientes tres tratamientos de acompañante del cafeto "foco" y se midieron todas las variables de respuesta: 1) guamo, es decir, un cafeto acompañado por una plántula de I. densiflora de tres meses de edad sembrada a 20 cm de distancia (en adelante "Inga" o "guamo"); 2) cafeto, o sea, un cafeto foco cuyo acompañante fue otro cafeto (en adelante "cafeto"), y 3) control, un cafeto foco sin acompañante (control absoluto, en adelante "control"). Una vez instalado el experimento, se regó con igual cantidad de agua (2 L por UE) cada tres días entre el 9 de julio y el 16 de septiembre de 2017.

En el momento del trasplante y el establecimiento del experimento (tiempo cero) y cada mes durante un año (once eventos referenciados así: durante el 2017, en agosto 12, septiembre 15, octubre 21, noviembre 25 y diciembre 22, y durante el 2018, en enero 26, marzo 2, abril 7, mayo 1, junio 11 y julio 15), se tomaron las siguientes medidas en las plántulas: diámetro (cm) del tallo a 1 cm del suelo (o diámetro a la altura de la base) medido con un calibrador pie de rey digital (6''/0,01mm) marca Mitutoyo (Ref 500-196-30); altura (cm) desde el suelo hasta el meristemo apical; número de hojas (hasta el séptimo mes), y contenido relativo de clorofila a los seis meses de edad.

Las plántulas se sembraron entre el 7 y 8 de julio de 2017 y en julio 28 se tomaron datos de la cobertura vegetal del dosel con un densiómetro esférico (Model C) para corroborar que las condiciones de los tratamientos eran similares; se registró un porcentaje muy bajo de cobertura del dosel de 6,93 % (Tabla 1S,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1380/3134). Seis meses después, se midió el contenido relativo de clorofila en las hojas, el cual es un indicativo del estado nutricional de la planta con relación al nitrógeno (^{Ribeiro da Cunha, et al., 2015}). Para este fin, se determinó el índice de clorofila por medio de un clorofilómetro portátil Minolta SPAD-502, el cual evalúa la intensidad del verde de la hoja (650 a 940 nm) sin dañarla. Se obtuvieron medidas de dos hojas seleccionadas al azar en cada planta. La medición se hizo el 22 de diciembre del 2017 y se expresó en unidades SPAD.

Análisis estadístico

Para evaluar el efecto de los factores fijos, es decir, el tratamiento (control, copolímero y gallinaza (^{Estrada-Pareja, 2004}); el acompañante del cafeto foco (solo, café o guamo), así como la posible interacción entre estos factores a lo largo del tiempo en cuanto a las variables de diámetro y altura de los cafetos, se emplearon modelos lineales mixtos como alternativa de análisis en diseños experimentales factoriales con medidas repetidas (^{Gómez, et al, 2019}), combinando estructuras de correlación residual, heteroscedasticidad residual y efectos aleatorios, y seleccionando el mejor modelo mediante los criterios de verosimilitud penalizada (de información de Akaike, AIC, y de información bayesiano, BIC) y pruebas de cociente de verosimilitud. Se utilizó la prueba de comparación múltiple de Tukey en los casos en que se evidenció un efecto significativo de alguno de los factores fijos asociados con el diseño experimental. Para la variable de hojas totales se empleó un modelo lineal generalizado mixto, con distribución de errores binomial negativa debido a la naturaleza discreta de la variable de análisis y la excesiva dispersión evidenciada. Para el análisis de la variable clorofila, medida en un solo momento, se empleó un modelo lineal mixto con distintas estructuras de varianza (homogénea y heterogénea). El análisis estadístico se hizo con el programa de libre distribución R, versión 4.0.3 (^{R Development Core Team, 2020}), determinando un nivel de significación del 5 % para las diferencias estadísticas.

Diámetro del tallo

El mejor modelo presentó una estructura de varianzas heterogéneas y de correlación residual no definida en el tiempo (Tabla 2S,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1380/3134; modelo 9). El modelo indicó que la variabilidad del diámetro de los tallos de las plántulas de café aumentó en el tiempo (Figura 3a) y la correlación temporal no presentó una estructura definida, ya que la correlación disminuyó a medida que transcurría el tiempo, pero la correlación no permaneció constante entre instantes de tiempo consecutivos.

Mediante el análisis de varianza del modelo seleccionado se encontró un efecto significativo del tratamiento de fertilización, pero no hubo efecto estadístico del acompañante (Tabla 1a). Se evidenció también un efecto significativo de la interacción entre el tratamiento y el mes, lo cual sugiere que el diámetro de las plántulas de café cambió en el tiempo dependiendo solamente del tratamiento aplicado y no del acompañante.

Las pruebas de comparación múltiple de Tukey entre los tratamientos para cada uno de los instantes de tiempo evaluados (material suplementario, tabla 3S,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1380/3134) evidenciaron que, a partir del tercer mes de análisis, el tratamiento con gallinaza mostró diferencias con el control (gallinaza: media=4,64cm, desviación estándar (DE)=0,81cm; control: media=4,30cm, DE=0,78cm) y a partir del séptimo mes, con el copolímero (gallinaza: media=11,51cm, DE=2,58cm; copolímero: media=9,91cm, DE=2,60cm), en tanto que los tratamientos de control y copolímero presentaron diferencias significativas en los primeros meses (Figura 3A), las cuales se fueron atenuando con el paso del tiempo hasta que, a partir del sexto mes, dichas diferencias fueron insignificantes.

Altura de plántulas

Se encontró que el modelo más adecuado para representar el comportamiento de la altura de las plántulas de café fue el modelo lineal con estructura de varianzas heterogéneas y correlación residual no definida en el tiempo (material suplementario, tabla S4,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1380/3134; modelo 9).

En la tabla 1b se presenta el análisis de varianza del modelo seleccionado, el cual evidenció un efecto estadísticamente significativo (p<0,05) del tratamiento de fertilización y de la interacción entre tratamiento y mes, como ocurrió con la variable de diámetro del tallo, lo cual sugiere que la altura de las plántulas de café aumentó en el tiempo dependiendo solamente del tratamiento de fertilización utilizado y no del acompañante.

Las pruebas de comparación múltiple de Tukey (Tabla S5,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1380/3134) entre los tratamientos para cada uno de los momentos evaluados evidenciaron que, a partir del cuarto mes, el tratamiento con gallinaza difirió del control (gallinaza: media=28,06cm, DE=5,31cm; control: media=24,94 cm, DE=4,76 cm); lo mismo sucedió entre los tratamientos de gallinaza y copolímero a partir del séptimo mes de análisis, presentando mayores alturas medias el tratamiento con gallinaza (gallinaza: media=43,02 cm, DE=16,66 cm; copolímero: media=37,02 cm, DE=8,80cm) (Figura 3b). Entre el control y el copolímero solamente se observaron diferencias significativas en el tercer mes de análisis (copolímero: media=27,69 cm, DE=4,69 cm; control: media=24,94 cm, DE=4,76 cm).

Hojas totales

El análisis de varianza del modelo lineal generalizado mixto con distribución de errores binomial negativa evidenció un efecto marcadamente significativo del tratamiento de fertilización, siendo mayor para la gallinaza, pero también de la interacción entre tratamiento y mes (Tabla 1c,Figura 3c), lo cual indica que el número total de hojas en las plántulas de café cambió en el tiempo dependiendo del tratamiento aplicado y no del acompañante. Las pruebas de comparación múltiple de Tukey entre los tratamientos en cada uno de los momentos evaluados (Tabla S6,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1380/3134) mostraron que a partir del quinto mes hubo una diferencia entre los tratamientos analizados (gallinaza: media=30,1, DE=11,4; copolímero: media=22,8, DE=12,0; control: media=18,5, DE=9,7). En los dos últimos meses de evaluación (mes 6 y 7) se presentaron diferencias significativas entre el control y el copolímero con el tratamiento de gallinaza, el cual produjo una mayor la cantidad de hojas (Figura 3c).

Cantidad relativa de clorofila

Según el AIC y el criterio de probabilidad logarítmica (log-likelihood), el mejor modelo encontrado presentó un efecto aleatorio debido a las dos mediciones realizadas en cada plántula de café (dos hojas) y una estructura de varianza heterogénea debida a la interacción entre los factores de tratamiento y acompañante (Tabla S7,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1380/3134). El modelo seleccionado indicó que la clorofila cambió según el tratamiento (Tabla 1d), presentándose mayor cantidad de clorofila media con la gallinaza (media=66,07, DE=12,10) que con el control (media=59,92, DE=12,26; prueba post-hoc: p=0,0084) y el copolímero (media=60,56, DE=14,77; prueba post hoc: p=0,0190), sin diferencias significativas entre estos dos últimos (prueba post hoc: p=0,9439) (Figura 3d).

Efecto de la planta acompañante

A lo largo del año de mediciones no se registró ningún efecto por la presencia de la planta acompañante sembrada a 20 cm de distancia. El experimento se dio por terminado después de un año porque, con el crecimiento de los cafetos y los guamos comenzó la sobreposición de doseles y en los siguientes meses las unidades experimentales (es decir, el cafeto y su acompañante, y los bloques de fertilización diferencial) dejarían de ser independientes (Figura 1b).

Este resultado neutro, a pesar de no respaldar la hipótesis inicialmente enunciada, apoya la idea de que es razonable sembrar árboles de I. densiflora durante el establecimiento del cultivo del café a partir de la plántula, pues no afecta su desarrollo por competencia interespecífica. Más aún, esta ausencia de efecto durante el primer año podría convertirse en ventaja a largo plazo por diversas razones. Primero, se ha demostrado que las dinámicas hidrológicas cuando hay árboles favorecen la resiliencia de los cafetales (^{Gaitán, et al., 2016}), el uso y el drenaje del agua, lo que disminuye el estrés por agua (^{Cannavo, et al., 2011}) en los cafetales neotropicales, que suelen ser dependientes de la lluvia. Segundo, a nivel nutricional, la ventaja aumenta cuando se establecen las asociaciones mutualistas del guamo con bacterias fijadoras de nitrógeno (^{Bianco, 2020}) y con micorrizas, lo que permite una mejor incorporación de nutrientes en el suelo (^{Picone, 2002}). El guamo establece relaciones simbióticas facultativas con microrganismos, aumentando la nodulación por bacterias, especialmente cuando la disponibilidad de nitrógeno es baja (^{Batterman, et al., 2013}). La planta también puede invertir metabolitos para producir exudados de fosfatasas extracelulares y para establecer relaciones con simbiontes micorrícicos, pero está limitada por la disponibilidad de fósforo (^{Batterman, et al., 2013}).

Se ha demostrado que el guamo en los cafetales produce un mayor porcentaje de nitrógeno total en el suelo circundante (2,3 % I. micheliana vs. 1,8 % Alchornea latifolia) (^{Aponte-Rolón, 2018}), y en su presencia ocurren menores tasas de relación carbono/ nitrógeno (C:N) (20 en I. micheliana Vs. 27 en A. latifolia), lo que podría favorecer los cafetos adyacentes (^{Aponte-Rolón, 2018}). El beneficio para las características del suelo en cafetales con sombra de guamo fue demostrado por ^{Cardona-Calle & Sadeghian-Khalajabadi (2005)} en siete departamentos cafeteros de Colombia (Antioquia, Caldas, Cauca, Huila, Quindío, Tolima y Valle), donde se encontró una mayor cantidad de materia orgánica, porosidad, humedad, y menor compactación (resistencia a la penetración, menor densidad aparente) que en los cafetales establecidos a pleno sol (libre exposición), aunque en estos últimos hubo mayores contenidos de azufre y potasio. Cabe anotar que en los resultados de estos autores (2005) se registraron valores muy fluctuantes de las variables descritas en los diferentes departamentos cafeteros colombianos (ver las tablas 2-4 y lasfiguras 2-8 de los datos reportados por estos autores). Los árboles acompañantes se convierten en fuente constante de hojarasca y, en ocasiones, de flores y frutos, que, al caer, forman un colchón en el suelo (^{Muñoz-Gómez, 2012}), favoreciendo el agroecosistema. ^{Osorio-Moreno (2004)} encontró que la mineralización de nitrógeno a partir de hojas verdes de guamo (I. densiflora) por semana fue de 19,40 mg N/kg de suelo, una de las mayores de siete especies de árboles acompañantes de cafetales en Costa Rica (Erythrina poeppigiana, I. edulis, Cordia alliodora, Eucalyptus deglupta, I. densiflora, Terminalia amazonia, T. ivorensis) y este mismo valor en la hojarasca de I. densiflora fue de 3,93 mg N/kg, una de las mayores después de I. edulis. La descomposición lenta de este colchón de hojarasca asegura un constante suministro de nutrientes para los cafetos.

A largo plazo, la presencia de I. densiflora en cafetales puede proveer múltiples beneficios sociales, así como para la fauna silvestre y el ambiente. El guamo provee un microclima amortiguador para los cafetos y contribuye con un 60 % de la biomasa total, sin disminuir la producción si se maneja la poda adecuadamente (^{Siles & Harmand, 2010}). En Ecuador se encontró que el mayor crecimiento (diámetro y altura) del café se presentó en combinación con I. edulis (^{Muñoz-Gómez, 2012}). Además, se demostró que este agroforestal es de mucha importancia como sumidero de carbono, como se demostró en Costa Rica cuando el depósito de carbono en siete años de establecimiento de cafetales con I. densiflora fue 2,57 veces mayor que en los cafetales sin árboles (^{Hergoulac'h, et al., 2012}), caso en que el agroforestal presentó 25,2 mg de carbono por ha. Para enero del 2021, después de tres años y medio de establecido el experimento del presente estudio, se observó un crecimiento de los árboles de aproximadamente 5 m y ninguno de los árboles de I. densiflora murió (Figura 1b), aunque sí 16 cafetos de control sin fertilización y con copolímero (a partes iguales). No se conoce la causa de la muerte de estos cafetos.

Efecto de la fertilización

El crecimiento significativamente mayor de las plántulas con gallinaza es congruente con la hipótesis inicial y coincide con lo reportado en otros estudios (^{Ávila-Reyes, et al., 2010}; Ridwan-Lubis, et al., 2017; ^{Tipan-Tuinga, 2017}). La gallinaza es uno de los abonos orgánicos más comúnmente utilizados por los pequeños campesinos en cultivos como el maíz y el fríjol (^{Armbrecht, et al., 2011}) en la zona de estudio. Este abono consiste de excretas de gallinas mezcladas con cascarilla de arroz (ocasionalmente viruta de madera) que no se ha sometido a compostaje cuando se adquiere. Sus propiedades físicas tienen efecto en el suelo, con un nivel alto de materia orgánica (43-68 %) (^{Tipan-Tuinga, 2017}), una densidad de aproximadamente 0,33 g/cm³, un 41 % de cenizas, capacidad de retención de humedad de 169 %, y pH de 7,4 (Estrada-Pareja, 2004); además, la composición química de la gallinaza provee aproximadamente 1,9 a 2,9 % de nitrógeno total (^{Estrada-Pareja, 2004}; ^{Tipan-Tuinga, 2017}), 1 % de fósforo total y 1,2 % de potasio, siendo la relación carbono/nitrógeno de 10,1 %, y la capacidad de intercambio catiónica efectiva (CICE) de 35 meq/100 g, la cual se considera alta.

El aporte de gallinaza, por lo tanto, favorece el crecimiento del café. Se ha encontrado que la mezcla óptima de gallinaza con suelo es de 20-25 % de volumen de gallinaza para café en almácigo, lo que resulta en un mayor peso seco de las plántulas de café (^{Ávila-Reyes, et al., 2010}). El volumen relativo de gallinaza aplicado en el presente estudio fue menor, entre 5 y 10 %, y no se aplicó en almácigo, por lo que no es comparable.

Un resultado notable de este estudio fue la ausencia de diferencias entre el copolímero orgánico y el control, pues se esperaba un mayor crecimiento de las plántulas con este producto, resultado que se explicaría por dos razones. Primero, porque no hubo estrés hídrico durante el estudio y el copolímero hidratado está diseñado para contrarrestarlo (no se cuantificó la precipitación, pero hubo por lo menos un evento de lluvia cada semana a partir de septiembre 16). El copolímero es un acondicionador orgánico que se hidrata y permite que la raíz absorba agua directamente al entrar en su contacto, por lo que es beneficioso cuando se presenta estrés hídrico, y este no fue el caso durante el experimento, y, por consiguiente, las raíces no necesitaron crecer buscando la humedad que provee el copolímero hidratado (Figura 2b). La segunda razón es que el suelo del lote experimental era ácido, con un pH de menos de 5,0 (los valores <5,5 se consideran extremadamente ácidos) y poca materia orgánica (1,93 % en promedio, n=15 muestras) y el copolímero es más un coadyuvante o acondicionador del suelo que un fertilizante, aunque, según el proveedor, puede suministrar pequeñas cantidades de nitrógeno fósforo y potasio (el proveedor no especifica las cantidades). Es de anotar que es posible que la cantidad aplicada no haya rebasado las necesidades de las plántulas.