Evaluation of physical and chemical soil properties under different management types in the south-western Colombian Andes

Abstract

Aim of study: Evaluating the variability of physical and chemical soil properties under different soil uses in an experimental farmland of the southwestern Colombian Andes.

Area of study: This research was conducted at the Botana Experimental Farm in the mountainous area of Nariño, at the south-western Colombia.

Material and methods: nine soil variables were measured under six soil uses which included traditional agriculture, agroforestry systems, and a 67-year-old secondary forest that was used as a reference for comparisons with other soil uses. Data was analyzed through Principal Component Analysis and Duncan’s tests.

Main results: organic carbon, cation exchange capacity, clay contents and base saturation were the variables with higher variability among soil uses. The secondary forest and an agroforestry system with alley-cropped wax laurel showed the best soil conditions, whilst pastures and monoculture potato crop plots showed the least desirable conditions for all variables.

Research highlights: We found that soils under alley-crop with wax laurel presented the characteristics most similar to the secondary forest. Conversely, soils under alley-crop with alder resembled the soils under intensive management (pasture and potato monocrop); which is related to the inadequate management of this agroforestry systems, provoking that the woody component does not accomplish its goal when implemented.

Keywords: soil; agroforestry systems; Andes; forest.

Abbreviations used: ACAL, Alley cropping of Alder Trees, ACWL; Alley cropping of Wax Laurel; AFS, agroforestry systems; AWC, available water capacity; BD, Bulk Density; BS, Base saturation; CEC, Cation Exchange Capacity; CLA, Clay; CI, Confidence Intervals, INF, Infiltration; ANOVA, Analysis of Variance; OC, Soil Organic Carbon;  PAST, Pasture; PCA, Principal Component Analysis; PC, Principal Component; POCR, Potato Crop; POR, Soil Porosity; SCAL, Scattered Alder Trees; SEFO, Secondary Forest; SU, soil uses; AU, Animal unit.

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Author Biographies

Daniel A. Molina-Cuaichar, Escuela de posgrados, Facultad de Ciencias Agronómicas, Universidad de Chile, La Pintana, Santiago.
Agroforestry Engineer, Master degree student of Soil and Water Managment in University of Chile.
Angélica S. Moreno-Muñoz, Facultad de Ingeniería y Administración, Universidad Nacional de Colombia, sede Palmira, Palmira.
Agroforestry Engineer, Master degree student of Environmental Engineering in National University of Colombia.
Ivan F. Benavides-Martinez, Institute of Pacific Studies, National University of Colombia, Tumaco headquarters.
Biologist, PhD in Ecology and Evolution
Jorge F. Navia-Estrada, Grupo de Investigación Agroforestería y Recursos Naturales ARENA, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Nariño – Ciudad Universitaria Torobajo, Pasto.
Agricultural engineer, M.Sc., Ph.D. in Agricultural Sciences.
Jairo H. Mosquera-Guerrero, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Nariño – Ciudad Universitaria Torobajo, Pasto.
Agricultural engineer, M.Sc. in Agricultural Sciences, PhD candidate in Agricultural Sciences.

References

Apráez J, Zambrano G, Navia J, 2014. Evaluación de la relación suelo - planta en un sistema productivo de leche del altiplano Nariño, Colombia. Veterinaria y Zootecnia 8(1): 66-84. https://doi.org/10.17151/vetzo.2014.8.1.5

Argotty F, Collazos A, 2001. Composición florística y estructura del bosque secundario, Granja Botana, Universidad de Nariño-Pasto. Bachelor Thesis. Universidad de Nariño, Pasto, Colombia.

Arias J, Rengifo T, Jaramillo M, 2007. Manual Técnico: Buenas Prácticas Agrícolas en la Producción de Fríjol Voluble. http://www.fao.org/3/a1359s/a1359s.pdf

Arteaga J, Navia J, Castillo J, 2016. Comportamiento de variables químicas de un suelo sometido a distintos usos, departamento de Nariño, Colombia. Rev Cienc Agr 33(2):62-75. https://doi.org/10.22267/rcia.163302.53

Beare M, Cabrera M, Hendrix P, Coleman D, 1994. Aggregate-protected and unprotected organic matter pools in conventional and no-tillage soils. Soil Sci Soc Am J, 58: 787-795. https://doi.org/10.2136/sssaj1994.03615995005800030021x

Cabrera J, Muñoz H, 2013. Evaluación de algunas propiedades químicas del suelo en un arreglo agroforestal Morella pubescens H.B.K. y Lupinus mutabilis L. Pasto, Nariño. Bachelor Thesis. Universidad de Nariño, Pasto, Colombia.

Cartes G, 2013. Degradación de Suelos Agrícolas y el SIRSD-S. Oficina de Estudios y Políticas Agrarias - ODEPA. https://www.odepa.gob.cl/wp-content/uploads/2013/10/SueloAgricola201310.pdf

Celik I, 2005. Land-use effects on organic matter and physical properties of soil in a southern Mediterranean highland of Turkey. Soil Till Res, 83(2), 270-277. https://doi.org/10.1016/j.still.2004.08.001

Céspedes C, 2007. Dinámica de la materia orgánica del suelo y de algunos parámetros fisicoquímicos en Molisoles, en la conversión de una pradera a cultivo forestal en la región de Piedras Coloradas-Algorta (Uruguay). Doctoral Thesis. Institut National Polytechnique (INPT), Ecole Supérieure d'Agronomie de Toulouse (ENSAT), Toulouse, France.

Colombian Geological Service. 2015. Memoria explicativa mapa geomorfológico aplicado a movimientos en masa, escala 1:100.000, Plancha 429 - Pasto. http://recordcenter.sgc.gov.co/B8/21003010028429/Documento/Pdf/2105284291101000.pdf

Corponariño (Corporación Autónoma Regional de Nariño), 2007. Plan de acción trienal (PAT) 2007- 2009. http://corponarino.gov.co/expedientes/planeacion/informe_gestion2008/informegestionfinal2008.pdf

Corponariño (Corporación Autónoma Regional de Nariño), 2012. Plan de gestión ambiental regional. 2002-2012. http://corponarino.gov.co/expedientes/planeacion/pgar20152032/diagnosticoPGAR201520

Cumming G, Fidler F, Vaux, D, 2007. Error bars in experimental biology. J Cell Biol, 177(1), 7-11. https://doi.org/10.1083/jcb.200611141

Davidson E, Ackerman I, 1993. Changes in soil carbon inventories following cultivation of previously untilled soils. Biogeochemistry 20: 161-193. https://doi.org/10.1007/BF00000786

DANE (Departamento Nacional de Planeación), 2019. Boletín técnico: Cuentas Departamentales. https://www.dane.gov.co/files/investigaciones/pib/departamentales/B_2015/Bol_dptal_2018preliminar.pdf

Don A, Schumacher J, Friebauer A, 2010. Impact of tropical landuse change on soil organic carbon stocks - a meta-analysis. Glob Chang Biol. 17:1658-1670. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2010.02336.x

Eden M, Gerke H, Houot S, 2017. Organic waste recycling in agriculture and related effects on soil water retention and plant available water: a review. Agron Sustain Dev 37(11): 1-21. https://doi.org/10.1007/s13593-017-0419-9

Enríquez S, Goyes, 2018. Evaluación de la emisión de CO2 y CH4 producto del cambio de uso forestal agrícola. Bachelor thesis. Universidad de Nariño, Colombia.

Espinosa J, Molina E, 1999. Acidez y encalado de los suelos. International Plant Nutrition Institute. Canada.

Fageria N, Baligar V, Jones C, 2010. Growth and Mineral Nutrition of Field Crops. CRC Press, Washington. 586 pp. https://doi.org/10.1201/b10160

Farfán F, 2014. Agroforestería y Sistemas Agroforestales con Café. Cenicafé, Manizales, Colombia. 342 pp.

FAO, 2017. Soil Organic Carbon: the hidden potential. Food and Agriculture Organization of the United Nations Rome, Italy. 90 pp.

FAO, 2018. Guía de Buenas Prácticas para la Gestión y uso Sostenible de los Suelos en Áreas Rurales. http://www.fao.org/3/i8864es/I8864ES.pdf

Gruba P, Mulder J, 2015. Tree species affect cation exchange capacity (CEC) and cation binding properties of organic matter in acid forest soils. Sci. Total Environ. 511: 655-662. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.01.013

Hemmat A, Aghilinategh N, Rezainejad Y, Sadeghi M, 2010. Long-term impacts of municipal solid waste compost, sewage sludge and farmyard manure application on organic carbon, bulk density and consistency limits of a calcareous soil in central Iran. Soil Tillage Res. 108: 43- 50. https://doi.org/10.1016/j.still.2010.03.007

Hothorn T, Bretz F, Westfall P, 2021. Multiple Comparisons Using R. CRC Press. 280 pp.

IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia), 2014. Características climatológicas de ciudades principales y municipios turísticos. http://www.ideam.gov.co/documents/21021/21789/1Sitios+turisticos2.pdf/cd4106e9-d608-4c29-91cc-16bee9151ddd#page28

IGAC (Instituto Geográfico Agustín Codazzi), 2004. Estudio general de suelos y zonificación de tierras departamento de Nariño. ftp://gisweb.ciat.cgiar.org/DAPA/users/apantoja/london/Colombia/Suelos/00_shape_suelos/PROYECTO_DNP

IGAC (Instituto Geográfico Agustín Codazzi), 2014. Metodología para la clasificación de las tierras por su capacidad de uso. Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Bogotá, Colombia. Documento de trabajo M40100-02/14 v.2.

IGAC (Instituto Geográfico Agustín Codazzi), 2020. Solo el 9% de Nariño cuenta con tierras arables. https://igac.gov.co/es/noticias/solo-el-9-de-narino-cuenta-con-tierras-arables">https://igac.gov.co/es/noticias/solo-el-9-de-narino-cuenta-con-tierras-arables

Islam K, Weil R, 2000. Land use effects on soil quality in a tropical forest ecosystem of Bangladesh. Agr Ecosyst Environ 79(1):9 - 16. https://doi.org/10.1016/S0167-8809(99)00145-0

Jaramillo D, 2002. Introducción a la ciencia del suelo. Universidad Nacional de Colombia, Medellín. 619 pp.

Jhonstom AE, 1991. Soil fertility and soil organic matter. In: Advances in soil organic matter research: the impact on agriculture and the environment; Wilson WS (ed). pp: 299-314. Royal Society Chemistry, Cambridge. https://doi.org/10.1016/B978-1-85573-813-3.50036-6

Kapland D, Estes G, 1985. Organic matter relationship to soil nutrient status and aluminum toxicity in alfalfa. Agron J 77:735 - 738. https://doi.org/10.2134/agronj1985.00021962007700050017x

Kladivko E, 2001. Tillage systems and soil ecology. Soil Till Res. 61: 61-76. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(01)00179-9

Liu X, Herbert S, Hashemi A, Zhang X, Ding G, 2006. Effects of agricultural management on soil organic matter and carbon transformation - a review. Plant Soil Environ. 52(12): 531-543. https://doi.org/10.17221/3544-PSE

Miccolis A, Mongeli F, Rodrigues H, Mascia D, Arco-Verde M, Rigon M, Rehder T, Barbosa A. 2016. Agroforestry Systems for Ecological Restoration: How to reconcile conservation and production. http://apps.worldagroforestry.org/downloads/Publications/PDFS/B19034.pdf

Moreno F, 1993. Notas de Agrosilvicultura. https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/11685/71525312.1993.Parte1.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Murgueitio E, Xóchitl M, Calle Z, Chara J, Barahona R, Molina C, Uribe F, 2015. Sistemas Agroforestales funciones productivas, socioeconómicas y ambientales; http://hdl.handle.net/11554/7124

Murray R, Orozco M, Hernández A, Lemus C, Nájera O, 2014. El sistema agroforestal modifica el contenido de materia orgánica y las propiedades físicas del suelo. AIA. 18(1): 23-31.

Nachtergaele F, Petri M, Biancalani R, 2012. Land degradation. In: World Soil Resources and Food Security; Lal R., Stewart BA (eds).; pp: 471-498. CRC Press, Boca Raton, FL, USA.

Nair P, 2011. Agroforestry systems and environmental quality: introduction. J Environ Qual. 40(3): 784-790. https://doi.org/10.2134/jeq2011.0076

Navia J, Restrepo J, Villada D, Ojeda P, 2003. Agroforestería: Opción tecnológica para el manejo de suelos en zonas de ladera; http://bibliotecadigital.agronet.gov.co/bitstream/11348/4869/1/20061024162729_manual%20capacitacion%20agroforesteria.pdf

Noguera M, Vélez J, 2011. Evaluación de algunas propiedades físicas del suelo en diferentes usos. Rev. Cienc. Agr. 28(1):40 - 52.

Ordóñez E, 2007. Efecto del sistema guachado (wachay) y uso del suelo sobre algunas propiedades físicas en la microcuenca del Río Bobo, departamento de Nariño. Master Thesis Universidad Nacional de Colombia, Palmira.

Palm C, Sanchez P, Ahamed S, Awiti A, 2007. Soils: A Contemporary Perspective. Ann Rev Environ Resour. 32(1):99 - 129. https://doi.org/10.1146/annurev.energy.31.020105.100307

Ramírez A, Vélez J, Sañudo B, Muñoz J, Navia J, Ruíz H, 2002. Evaluación preliminar de un arreglo agroforestal en líneas de laurel de cera Myrica pubescens con papa Solanum tuberosum y ajo Allium sativum y su influencia sobre algunas propiedades físicas y químicas del suelo. Rev Cienc Agr. 19: 79-91.

Ramos R, Córdova J, Nieto J, 2002. Comportamiento de tres especies forrajeras bajo sistemas agroforestales como alternativa de manejo sostenible de suelos de montaña; http://www.secsuelo.org/wp-content/uploads/2015/06/2-Comportamiento-de-tres-especies-forrajeras-Ramos-R.pdf

Roscoe R, Burman P, 2003. Tillage effects on soil organic matter in the density fractions of a Cerrado Oxisol. Soil Till Res. 70: 107-119. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(02)00160-5

R-Studio Team, 2019. R-Studio: Integrated Development for R. http://www.rstudio.com/. [20 February 2020].

Salamanca A, Sadeghian S, 2005. La densidad aparente y su relación con otras propiedades en suelos de la zona cafetera colombiana. Cenicafé 56(4): 381-397.

Salas J, Valenzuela J, 2011. Determinación de los conflictos de uso de suelo en la microcuenca Pachindo, municipio de la Florida, departamento de Nariño. Monograph. Universidad de Nariño, Pasto, Colombia.

Sanderman J, Hengl T, Fiske G, 2017. Soil carbon debt of 12,000 years of human land use. Proc Nat Acad Sci USA. 114:9575- 9580. https://doi.org/10.1073/pnas.1706103114

Shinya I, Yasuhiko E, Ryusuke H, 2017. The effect of organic matter application on carbon sequestration and soil fertility in upland fields of different types of Andosols. Soil Sci Plant Nutr. 63:2, 200-220. https://doi.org/10.1080/00380768.2017.1309255

Stine M, Weil R, 2002. The relationship between soil quality and crop productivity across three tillage systems in South Central Honduras. Am J Alternative Agr. 17:2 - 8. https://doi.org/10.1079/AJAA200201

Verberg K, Uta S, Brett C, Bill M, Jenet A, Mark G, Mark T, John G. 2018. Soil water - methods to predict plant available water capacity (PAWC) using soil-landscape associations. GRDC Update paper. https://grdc.com.au/resources-and-publications/grdc-update-papers/tab-content/grdc-update-papers/2018/07/soil-water-methods-to-predict-plant-available-water-capacity

Wei X, Shao M, Gale W, Li L, 2015. Global pattern of soil carbon losses due to the conversion of forests to agricultural land. Sci Rep. 4:4062. https://doi.org/10.1038/srep04062

Yang Y, Tilman D, Furey G, Lehman, 2019. Soil carbon sequestration accelerated by restoration of grassland biodiversity. Nature Communications. 10: 1-7. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08636-w

Zambrano G, Apráez J, Navia J, 2014. Relación de las propiedades del suelo con variables bromatológicas de pastos, en un sistema lechero de Nariño. Rev Cienc Agr. 31(2): 106-121. https://doi.org/10.22267/rcia.143102.35

Published
2021-08-03
How to Cite
Molina-Cuaichar, D. A., Moreno-Muñoz, A. S., Benavides-Martinez, I. F., Navia-Estrada, J. F., & Mosquera-Guerrero, J. H. (2021). Evaluation of physical and chemical soil properties under different management types in the south-western Colombian Andes. Forest Systems, 30(2), e005. https://doi.org/10.5424/fs/2021302-17408
Section
Research Articles