INTRODUCCIÓN

El contenido de materia orgánica de los suelos (MOS) es una de las propiedades más importantes debido a que desempeña un papel clave en varios procesos del ecosistema. Entre los cuales se pueden citar: la formación de la estructura del suelo, la retención de agua, la desintoxicación de sustancias químicas antropogénicas, el secuestro de carbono, el ciclo de los nutrientes y el suministro de energía a los microorganismos del suelo (^{Martínez et al., 2018}; ^{Zhang et al., 2005}). Por lo tanto, es importante desarrollar métodos apropiados para cuantificar los contenidos de la materia orgánica del suelo (^{Hoogsteen et al., 2015}).

La mayoría de las técnicas tradicionales utilizadas para el análisis del suelo consumen mucho tiempo y generan residuos que en numerosos de los casos causan efectos adversos para el medio ambiente (^{Salehi et al., 2011}; J. ^{Wang et al., 2013}). Así, el método propuesto por ^{Walkley y Black (1934}) es el más utilizado en todo el planeta para determinar los niveles de MOS, consiste en la oxidación húmeda de la muestra de suelo con dicromato de potasio en una solución ácida. Esto genera residuos que deben ser gestionados adecuadamente (^{Pribyl, 2010}; ^{Sato et al., 2014}). Algunos autores expresan que el método Walkley y Black (WB) es una oxidación incompleta del carbono orgánico (CO), lo que implica que se necesita un factor de corrección (FQ), que varía de un suelo a otro, y depende en gran medida del tamaño de la muestra y el tipo de reactivo utilizado (^{Hoogsteen et al., 2018}; ^{Howard & Howard, 1990}; Pribyl, 2010). El FQ de uso común en la mayoría de los laboratorios de suelos es 1,724 también llamada factor Van Bemmelen (1890); este factor se basa en el supuesto de que la MOS contiene 58% de carbono (Pribyl, 2010). Sin embargo, ^{Kamara et al., (2007}) y Pribyl, (2010) recomiendan utilizar el FQ de acuerdo con el horizonte y el tipo de cultivo, y puede oscilar entre 0,5 y 3,18.

Otro método analítico para determinar la MOS es la combustión seca (DC), basada en el principio de combustión de Dumas que estima el carbono total (Vitti et al., 2016), que se presenta como el método más preciso, pero requiere un analizador elemental calibrado con estándares de suelo certificados (^{Hoogsteen et al., 2018}; ^{Martínez et al., 2018}). El método de DC mide directamente el carbono total del suelo sin necesidad de un factor de corrección (^{Salehi et al., 2011}). En este método, la muestra se calcina entre 950-1300ºC, obteniendo CO₂ que pasa a través de un catalizador que mide, mediante espectroscopía de absorción infrarroja, el carbono total (^{Dias et al., 2013}; ^{Pribyl, 2010}).

Otra opción para determinar la MOS es la aplicación del método de calcinación o muflado que consiste en la medición de la pérdida de peso por ignición (Loss On Ignition, LOI) de la muestra de suelo. En este método los investigadores proponen la calcinación de diferentes cantidades de muestras de suelo que van de 2 a 100g, de temperaturas entre 220 a 600°C y tiempos que oscilan de 2 a 48h en un horno de mufla (^{Dias et al., 2013}; ^{Kamara et al., 2007}; ^{Martínez et al., 2018}; ^{Westman et al., 2006}). El objetivo del método LOI, es destruir la MOS por calor ocasionado la oxidación de las formas condensadas de humus y residuos orgánicos apenas alterados. Sin embargo, no es recomendable en suelos con presencia de carbonatos, porque la combustión llevaría a una sobreestimación de la MOS (Westman et al., 2006).

El objetivo del presente estudio fue calibrar el método LOI utilizando tres temperaturas de calcinación para utilizarlo en suelos de origen aluvial cultivados con cacao (Theobroma cacao L.).

MATERIALES Y MÉTODOS

Descripción de las muestras

El muestreo se realizó en campos cultivados con cacao al noroeste de la provincia de El Oro, Ecuador entre las coordenadas 3°6’17,50” y 3°28’37,60” S y 79°44’25’,75” y 79°55’10,90” O (Figura 1). El rango anual de precipitación en la zona de estudio se ubica entre 500-1700 mm, y la temperatura promedio es de 26°C. El origen geológico de esos suelos es aluvial, y están formados por sedimentos fluviales y marinos (^{Moreno et al., 2016}).

Figura 1 Ubicación de los puntos de muestreo en la provincia de El Oro, Ecuador. 

Durante el 2015, se reunió un conjunto de 30 muestras de suelo tomadas de cero a 30cm de profundidad. Las muestras de suelo fueron secadas aire durante varios días, luego trituradas y pasadas por un tamiz de malla 2mm y luego se realizaron diferentes determinaciones en laboratorio a fin de estimar la textura (método pipeta), pH (relación 1:2,5 suelo-agua), capacidad de intercambio catiónico (CIC) y concentración de Ca, Cu, Fe y Mg (Tabla 1).

Tabla 1 Estadísticas descriptivas de algunas propiedades del suelo 

Método pérdida por ignición (LOI) o gravimétrico

En los 30 sitios muestreados se tomó un segundo grupo de suelos de aproximadamente 500g por muestra que fueron almacenados en recipientes de plástico en el laboratorio de suelos de la Universidad Técnica de Machala (UTMACH), y que fue el material con el que se realizó la metodología de LOI durante el año 2018.

Para determinar la MOS por el método LOI o gravimétrico, las muestras se secaron al horno a 105◦C durante 3h, se enfriaron en una desecadora y se pesaron antes de ser calcinadas a 350, 430 y 600◦C durante 2h en un horno de mufla (Nabertherm, Lilienthal, Alemania). Después de la combustión, las muestras se enfriaron en un desecador y se volvieron a pesar. Con estos valores, se calculó el porcentaje de MOS mediante la siguiente ecuación (1) propuesta por ^{Schulte y Hopkins (1996}). Todo el procedimiento se repitió por triplicado y fue realizado en el laboratorio de suelos de la Universidad Técnica de Machala (Ecuador).

En este método se asume que la pérdida de peso de la muestra por ignición se debe únicamente a la pérdida de materia orgánica, producto de la siguiente reacción: C₆H₁₂O₆ (materia orgánica) + 6O₂ + calor → 6 CO₂ + 6 H₂O. (^{Bianchi et al., 2008}).

Análisis estadístico

Se aplicó la estadística descriptiva a todos los resultados obtenidos en la investigación. La ecuación de regresión lineal se calculó para estimar el carbono orgánico, a partir de los valores de la MOS (variable independiente) y de CO (variable dependiente), obtenido por el método DC. También se realizó, el análisis de la varianza (ANOVA) de un factor con los valores obtenidos de los métodos WB y LOI; para la comparación de las medias se aplicó la prueba de Tukey (P < 0,05).

Para la validación del modelo obtenido se calcularon el coeficiente de determinación (R²) y el error cuadrático medio (Root Mean Square Error-RMSE) con la ecuación (2).

Donde Pxi es la estimación de MOS por el método de LOI en la ubicación xi, Mxi es el COS medido por el método DC en la ubicación xi y n es el número de muestras.

Todo el proceso estadístico fue realizado utilizando el software SPSS versión 23 (SPSS, 2013).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los niveles determinados de CO con los métodos DC y WB oscilaron entre bajo y medio (^{Fassbender y Bornemisza, 1987}), siendo ligeramente inferior los valores estimados por DC (media: 1,85% ±1,08; rango:0,49 a 4,80%), con respecto a los obtenidos por el método WB (media:1,96% ±1,08; rango: 0,75% a 4,87%). Investigaciones llevadas a cabo por ^{Díaz‐Zorita (1999}) y ^{Mikhailova et al. (2003}), muestran lo contrario, valores de COS obtenidos por DC superiores a los determinados por WB en suelos con manejo agrícola en Argentina (Typic Hapludoll) y Rusia (Typic Hapludoll). Igual tendencia observaron ^{Richardson y Bigler (1982}) en suelos calcáreos en Estados Unidos. El coeficiente de variación fue alto (DC= 54,59%; WB=55,10%), producto de heterogeneidad del CO en los suelos cultivados con cacao, lo cual es normal (Snoeck et al., 2016; ^{van Vliet et al., 2015}), debido al continuo flujo de la hojarasca y ramas al suelo, que en algunos casos se sitúan entre 5 y 21 t ha^-1 año (^{Pérez-Flores et al., 2017}). Este factor afecta el grado de homogeneidad de los compuestos fenólicos y de lignina e influyen en la oxidación total de carbono, en la disolución de H₂SO₄ cuando se aplica el método WB, produciendo una sobre estimación del CO (^{Pribyl, 2010}) .

Los valores medios de MOS obtenidos con el método de WB (3,38 % ±1,86) fueron significativamente diferentes (p<0,05) a los obtenidos con el método LOI independientemente de la temperatura de calcinación empleada (tabla 2). Se obtuvo un valor mayor de MOS con LOI600 (8,47% ±3,34) que con LOI350 (4,91% ± 1,84) y LOI430 (4,99% ± 2,07) , los cuales, a su vez, no difirieron entre sí. Resultados que se relacionan con la pérdida de agua estructural en las arcillas a temperaturas >550°C (^{Boyle, 2004}; ^{Dias et al., 2013}; ^{Westman et al., 2006}). Mientras, entre 300 y 500°C se produce la oxidación de compuestos orgánicos (proteínas, aminoácidos, hidratos de carbono, ácidos orgánicos, ceras, resinas, lignina, etc.) y de sustancias húmicas estables (^{Bianchi et al., 2008}; ^{Gelati et al., 2009}; ^{Morona, Melquíades y Muller, 2017}). ^{Schulte y Hopkins (1996}) y Dias et al., (2013) expresan que el método LOI es insensible al factor del número de muestras colocadas en un horno de mufla, pero sí al peso de las muestras utilizadas. En este caso se utilizó igual peso para todos los tratamientos, con lo que se descarta que los valores obtenidos variaron por la técnica que se utilizó para la ignición de las muestras.

Tabla 2 Estadística descriptiva y prueba de Tukey (p<0.05) para la materia orgánica del suelo obtenida por los métodos: Walkley-Black (WB) y Pérdida de peso por ignición (LOI) 

A partir de los análisis de regresión entre los valores de MOS obtenidos con WB y LOI sobre COS obtenido por DC (Figura 2), se observa que existe una fuerte relación entre DC y WB (R² = 0,96) que ajustó al modelo y = 0,91x + 0,06, similar al determinado en suelos de clima tropical por ^{Kamara et al., (2007}) y ^{Alves Fernandes et al., (2015}) con un R² = 0,98 (y = 1,58x + 0,23) y R² = 0,95 (y = 4,37x + 0,83) respectivamente. ^{Drover y Manner (1975}) y Kamara et al. (2007), señalan que elevados coeficientes de regresión entre los métodos DC y WB se asocia a suelos no superficiales y provenientes de zona tropicales, aquí la MOS se oxida más fácilmente por la humedad ambiental (in situ), a la que están expuestos los suelos superficiales.

La regresión lineal entre el método LOI a 350°C y el CO obtenido por DC mostró una pendiente positiva significativamente distinta de 0. Este resultado no se ajusta a las investigaciones de ^{Salehi et al., (2011}), que lograron un R² ≥ 0,710 con LOI durante dos horas entre 300-420 °C, en suelos ubicados en una zona semiárida de Irán. En cambio, en el tratamiento LOI430, el R² fue de 0,84, menor si se compara con los resultados de ^{Howard y Howard (1990}) que estimaron un R² de 0,98 a 550 °C durante 3 horas, en suelos correspondiente a un uso de bajos en Inglaterra con niveles de COS >15 %, pH entre 3,3 a 6,4 y de bajo contenido de arcilla (<21,0%); por otra parte, ^{Alves Fernandes et al. (2015}), en Brasil obtuvieron una baja correlación (R²=0,630, n=17) a 450°C de ignición durante 5 horas en Inceptisol, Spodosol e Histosol, pero en oxisoles a la misma temperatura y tiempo obtuvieron un R²=0,850 con , once muestras). Las muestras de suelo tratadas a 600 °C (LOI600), fueron las de menor coeficiente de determinación (R²=140; y=0,128x+0,874). ^{Wang et al. (2012}), expresan que se pueden alcanzar mejores ajustes para estimar COS a temperaturas entre 375 y 550 °C durante 12h, pero estos estudios se restringen a los suelos de regiones semiáridas de China solo en suelo de regiones semiáridas China. Aunque no se realizó pruebas para determinar si los suelos son calcáreos, la información recaba de los suelos ecuatoriano indican que no son del tipo calcáreo (^{Moreno et al., 2016}), aunque algunos suelos en estudio tuvieron un pH mayor a 8 (Tabla 1), por el nivel alto de Ca el cual es aporte de la hojarasca del cacao (^{Hartemink, 2005}).

Figura 2 Regresiones lineales entre la materia orgánica del suelo (MOS) determinada por los métodos Walkley-Black (WB) y Pérdida de peso por ignición (LOI) y el carbono orgánico del suelo (COS) obtenido por DC. (a) WB/DC; (b) LOI₃₅₀/DC; (c) LOI₄₃₀/DC; (d) LOI₆₀₀/DC 

Los valores predichos de CO y la validación realizada con la prueba RMSE (Tabla 3), no mostraron diferencias significativas entre los valores obtenidos por WB y LOI (p<0,05). Las medias variaron entre 1,76 % (WB) y 1,85 % (LOI), con los altos CV para BW (52,60 %) y LOI430 (50,08 %), a pesar de haber obtenido ecuaciones de regresión con un alto valor del R². Mientras que los valores extremos predichos por LOI600 fueron los más próximos (1,16 % y 2,83 %), contrario a los determinados en los valores observados (Tabla 2),

El mejor ajuste se obtuvo en BW con un RMSE de 0,14, seguido de LOI430 con 0,35. ^{Salehi et al., (2011}) también encontraron una relación similar entre 500°C y 550°C, donde el R² disminuye y el RMSE es cercano a 1. Numerosos investigadores han sugerido que cuando la MOS es obtenida por el método LOI, las ecuaciones se desarrollan por separado para diferentes tipos de suelos y profundidades (^{Dias et al., 2013}; ^{Maranhão et al., 2017}; Salehi et al., 2011).

Tabla 3 Prueba Tukey (5%) y validación de valores predichos para obtener la materia orgánica del suelo 

CONCLUSIONES

Los valores de CO obtenidos por los métodos DC y WB tuvieron un R² alto, lo que indica que existe un alto grado de fiabilidad de los resultados obtenidos por WB, aunque los niveles de Fe y arcilla pueden generar la sobre estimación del carbono orgánico. En el caso de la MOS obtenida por el método LOI a 600 °C, se registraron valores elevados respecto al resto de tratamientos LOI, resultado que se relaciona con la pérdida de agua estructural de la arcilla.

La ecuación generada del método LOI a 430 °C durante dos horas para predecir COS es el más adecuado en suelos cultivados con cacao de origen aluvial (órdenes: Inceptisol y Alfisol) en la provincia de El Oro, como alternativa si no se dispone de un analizador elemental o en sustitución del método WB. El trabajo demostró que el método LOI a 430 °C tiene potencial para ser utilizada como una técnica para estimar la MOS; pero su mayor limitación que presenta este tipo de calibración por ecuación lineal es que su aplicación es de carácter local, debe ajustarse para un rango de suelos lo más homogéneo posible, dado que las variaciones de los componentes del suelo son los generadores de la alta variabilidad que puede llegar a obtenerse.