Influencia del abono orgánico sobre el desarrollo y calidad del cacao producido en Almirante, Bocas del Toro-Panamá

ESCUELA DE DOCTORADO INTERNACIONAL DE LA USC Jhon Alexander Villalaz Pérez Tesis doctoral Influencia del abono orgánico sobre el desarrollo y calidad del cacao producido en Almirante, Bocas del Toro-Panamá Santiago de Compostela, 2023 Programa de doctorado en Ciencias Agrícolas y Medioambientales TESIS DE DOCTORADO INFLUENCIA DEL ABONO ORGÁNICO SOBRE EL DESARROLLO Y CALIDAD DEL CACAO PRODUCIDO EN ALMIRANTE, BOCAS DEL TOROPANAMÁ Jhon Alexander Villalaz Pérez ESCUELA DE DOCTORADO INTERNACIONAL DE LA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA PROGRAMA DE DOCTORADO EN CIENCIAS AGRÍCOLAS Y MEDIOAMBIENTALES SANTIAGO DE COMPOSTELA / LUGO (ESPAÑA) AÑO 2023 DECLARACIÓN DEL AUTOR DE LA TEISS D. Jhon Alexander Villalaz Pérez Título de la tesis: Influencia del abono orgánico sobre el desarrollo y calidad del cacao producido en Almirante, Bocas del Toro-Panamá Presento mi tesis, siguiendo el procedimiento adecuado al Reglamento y declaro que: 1) La tesis abarca los resultados de la elaboración de mi trabajo. 2) De ser el caso, en la tesis se hace referencia a las colaboraciones que tuvo este trabajo. 3) Confirmo que la tesis no incurre en ningún tipo de plagio de otros autores ni de trabajos presentados por mí para la obtención de otros títulos. 4) La tesis es la versión definitiva presentada para su defensa y coincide la versión impresa con la presentada en formato electrónico. Y me comprometo a presentar el Compromiso Documental de Supervisión en el caso que el original no esté depositado en la Escuela. Panamá, 2 de junio del 2023 Firma electrónica AUTORIZACIÓN DEL DIRECTOR / TUTOR DE LA TESIS D.. AGUSTÍN MERINO GARCÍA CATEDRÁTICO DE LA ESCOLA POLITÉCNICA SUPERIOR DE LA UNIVERSIDAD DE SANTAGO DE COMPOSTELA, ESPAÑA. En Condición de: Director y Tutor Título de la tesis: Influencia del abono orgánico sobre el desarrollo y calidad del cacao producido en Almirante, Bocas del Toro-Panamá. INFORMA: Que la presente tesis, se corresponde con el trabajo realizado por D. JHON ALEXANDER VILLALAZ PÉREZ, bajo nuestra dirección/tutorización, y a utorizo su presentación , considerando que reúne los r equisitos exigidos en el R eglamento de Estudios de Doctorado de la USC, y que como director de esta no incurre en las causas de abstención establecidas en la Ley 40/2015. En Lugo, España de 2 junio de 2023 Firma electrónica AUTORIZACIÓN DEL DIRECTOR / TUTOR DE LA TESIS D. JOSÉ EZEQUIEL VILLARREAL NÚÑEZ INVESTIGADOR AGRÍCOLA. DEPARTAMENTO DE SUELOS Y AGUA, DEL INSTITUTO DE INNOVACIÓN AGROPECUARIA DE PANAMÁ. En Condición de: Director Título de la tesis: Influencia del abono orgánico sobre el desarrollo y calidad del cacao producido en Almirante, Bocas del Toro-Panamá. INFORMA: Que la presente tesis, se corresponde con el trabajo realizado por D/Dª. JHON ALEXANDER VILLALAZ PÉREZ, bajo nuestra dirección/tutorización, y a utorizo su presentación , considerando que reúne l os r equisitos exigidos en el R eglamento de Estudios de Doctorado de la USC, y que como director de esta no incurre en las causas de abstención establecidas en la Ley 40/2015. En Panamá, de 2 junio de 2023 Firma electrónica RESUMO A planta de cacao (Theobroma cacao L) é orixinaria de América especificamente das Amazonía. É cultivado nalgunhas rexións da República de Panamá, pero a súa maior produción atópase na provincia de Bocas do Toro, representando para os produtores da área unha alternativa socioeconómica e cultural. O estudo concéntrase na área de Almirante, distrito pertencente á provincia de Bocas do Touro. Este pola súa vez presenta importantes limitacións, como son a baixa produción debido á reducida fertilidade do solo, concentracións elevadas de Cd no solo, follas, froitos e principalmente no gran de cacao utilizado como materia prima na elaboración do chocolate e outros derivados (aceites, cosméticos, etc), xenotipos de cacao avellentados de idades maiores a 30 anos, e secas que minguen a produción. Esta investigación de Tesis Doutoral con título, Influencia do aboamento orgánico sobre o desenvolvemento e calidade do cacao producido en Almirante, Bocas do Toro-Panamá, servirá como referencia para resolver as limitacións sinaladas no parágrafo anterior. O obxectivo principal da tesis foi na aplicación da liña base para mellorar a produción de cacao na rexión de Almirante. Ao mesmo tempo facer unha primeira exploración sobre outros actores que potencialmente podería afectar a produción e calidade do cultivo, como o Cd ou o efecto da seca temporal. O estudo estrutúrase en 4 capítulos. O primeiro capítulo, Efecto do estércol de pollo compostaxe sobre a nutrición do cultivo de cacao en sistemas agroforestais en Bocas do Touro, Panamá, onde se concluíu que o efecto de estércol de pollo compostaxe mellora as propiedades dos solos e a nutrición de cultivos de cacao en sistemas agroforestais en Bocas do Toro, Panamá. O segundo capítulo, Concentración de cadmio en cacao producido en sistemas agroforestais de pequenos produtores de Panamá, coñeceuse as concentracións de metais pesados nos solos e identificáronse os principais factores que explican a súa variabilidade toxicas nas follas, froitos e principalmente no gran de cacao, atopando neste último unha concentración por debaixo das normas establecidas pola Unión Europea (0.6 a 0.8 mg kg-1 na elaboración do chocolate con contido de materia seca total ≥ 50 % do CODEX Alimentarius. O terceiro capítulo, Efectos da aplicación de cadmio ao solo en plantas de cacao Clon ASCP 2661, coñeceuse a concentración máxima de Cd nas follas, tales e raíces deste Clon mellorado, que serviu para identificar en que medida este metal pesado pode ser retido ou transferido desde o solo cara á planta. Por último, o cuarto capítulo, Efecto do índice de estrés hídrico sobre o estado vexetativo da planta de cacao, púidose coñecer o índice de vexetación de diferenza normalizada (NDVI) utilizando como ferramenta o sensor portátil GreenSeekerTM que serviu para relacionar a porcentaxe de humidade do cultivo co estrés hídrico no cultivo de cacao. Os capítulos desta Tesis Doutoral, reflictaron resultados moi valiosos e importantes na mellora do solo utilizado con cultivo de cacao utilizando esterco de pollo compostado, servindo como base no aumento da materia orgánica do solo axudando a solucionar o problema da acidez por medio o pH do solo, incrementando a biodisponibilidade de elementos esenciais e absorción de nutrientes para a planta de cacao, repercutindo no crecemento vexetativo por medio da biomasa. Palabras claves: Cacao, cadmio, sistemas agroforestais, estércol de pollo compostaxe, estrés hídrico, índice de vexetación, nutrición na planta. ABSTRACT The cacao plant (Theobroma cacao L) is native to America specifically from the Amazon. Itis cultivated in some regions of the Republic of Panama, but its largest production is in the province of Bocas del Toro, representing for the producers of the area a socioeconomic and cultural alternative. The study focuses on the area of Almirante, a district belonging to the province of Bocas del Toro. This in turn presents important limitations, such as low production due to reduced soil fertility, high concentrations of Cd in the soil, leaves, fruits and mainly in the cocoa bean used as raw material in the production of chocolate and other derivatives (oils, cosmetics, etc.), aged cocoa genotypes over 30 years, and droughts that reduce production. This research of Doctoral Thesis with title, Influence of organic fertilizer on the development and quality of cocoa produced in Almirante, Bocas del Toro-Panama, will serve as a reference to resolve the limitations indicated in the previous paragraph. The main objective of the thesis was in the application of the baseline to improve cocoa production in the Almirante region. At the same time, make a first exploration of other actors that could potentially affect the production and quality of the crop, such as Cd or the effect of temporary drought. The study is structured in 4 chapters. The first chapter, Effect of composted chicken manure on cocoa crop nutrition in agroforestry systems in Bocas del Toro, Panama, where it was concluded that the effect of composted chicken manure improves soil properties and cocoa crop nutrition in agroforestry systems in Bocas del Toro, Panama. The second chapter, Concentration of cadmium in cocoa produced in agroforestry systems of small producers in Panama, the concentrations of heavy metals in the soils were known and the main factors that explain their toxic variability in the leaves, fruits and mainly in the cocoa bean were identified, finding in the latter a concentration below the standards established by the European Union (0.6 to 0.8 mg kg-1 ) in the manufacture of chocolate with a total dry matter content ≥ 50 % of the CODEX Alimentarius. The third chapter, Effects of the application of cadmium to the soil in cocoa plants Clone AS-CP 2661, was known the maximum concentration of Cd in the leaves, stems and roots of this improved clone, which served to identify to what extent this heavy metal can be retained or transferred from the soil to the plant. Finally, the fourth chapter, Effect of the index of water stress on the vegetative state of the cocoa plant, it was possible to know the normalized difference vegetation index (NDVI) using as a tool the portable sensor GreenSeekerTM that served to relate the percentage of moisture of the crop with water stress in the cocoa crop. The chapters of this Doctoral Thesis, yielded very valuable and important results in the improvement of the soil used with cocoa cultivation using composted chicken manure, serving as a basis in the increase of soil organic matter helping to solve the problem of acidity through soil pH, increasing the bioavailability of essential elements and absorption of nutrients for the cocoa plant, impacting on vegetative growth through biomass. Key words: Cocoa, cadmium, agroforestry systems, composted chicken manure, water stress, vegetation index, plant nutrition. I INDICE LISTAS DE TABLAS .................................................................................................... IV LISTAS DE FIGURAS .................................................................................................. VI RESUMEN GENERAL .................................................................................................... 1 RESUMEN GENERAL .................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN GENERAL ......................................................................................... 7 INTRODUCCIÓN GENERAL ......................................................................................... 8 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVO GENERAL ................................................................ 13 Objetivos específicos .............................................................................................................. 14 3. CAPÍTULO I ............................................................................................................... 16 EFECTO DEL ESTIERCOL DE POLLO COMPOSTADO SOBRE LA NUTRICIÓN DEL CULTIVO DE CACAO EN SISTEMAS AGROFORESTALES EN BOCAS DEL TORO, PANAMÁ ........................................................................................................... 16 3.1 RESUMEN ................................................................................................................ 16 3.2 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 17 3.3 MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................. 19 3.3.1 Ubicación geográfica y características edafoclimáticas del sitio estudiado ................... 19 3.3.2 Diseño experimental ....................................................................................................... 20 3.3.3 Muestreo de suelos y plantas .......................................................................................... 21 3.3.4 Análisis de suelos y plantas ............................................................................................ 21 3.3.5 Análisis estadístico ......................................................................................................... 22 3.4 RESULTADOS ......................................................................................................... 23 3.4.1 Efecto de los aportes de estiércol de pollo compostado sobre las propiedades del suelo. ................................................................................................................................................. 23 3.4.2 Evolución de la nutrición de la planta de cacao según los aportes de estiércol de pollo compostado ............................................................................................................................. 28 3.5 DISCUSIÓN .............................................................................................................. 32 3.6 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 35 4. CAPÍTULO II. CONCENTRACIÓN DE CADMIO EN CACAO PRODUCIDO EN SISTEMAS AGROFORESTALES DE PEQUEÑOS PRODUCTORES DE PANAMÁ ......................................................................................................................................... 37 4.1 RESUMEN ................................................................................................................ 37 II 4.2 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 38 4.3 MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................. 40 4.3.1 Ubicación y características generales del sitio del estudio ............................................. 40 4.3.2 Metodología de muestreo y preparación de muestras en el laboratorio ......................... 41 4.3.3 Determinación de variables en el suelo y plantas de cacao ............................................ 42 4.3.4 Análisis estadísticos ....................................................................................................... 44 4.4 RESULTADOS ......................................................................................................... 45 4.4.1 Características generales de los suelos ........................................................................... 45 4.4.3 Concentraciones de Cd en planta ................................................................................... 48 4.4.4 Correlación lineal de Pearson para la concentración de Cd en el grano de cacao y propiedades del suelo en las 21 parcelas muestreadas. ........................................................... 48 4.4.5 Correlación de Pearson para las variables de concentración de Cd (biodisponible, hojas, frutos y granos de cacao) de las 21 parcelas evaluadas. .......................................................... 49 4.4.6 Modelos predictivos para variables de Cd en el suelo, hojas, frutos y granos ............... 50 4.5 DISCUSIÓN .............................................................................................................. 53 4.5.1 Características generales de los suelos ........................................................................... 53 4.5.2 Concentración de Cd total y biodisponible en fincas productoras de cacao .................. 55 4.5.3 Concentraciones de Cd en la planta ............................................................................... 55 4.6 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 56 5. CAPÍTULO III. EFECTOS DE LA APLICACIÓN DE CADMIO AL SUELO EN PLANTAS DE CACAO DEL CLON AS-CP 2661 ........................................................ 59 5.1 RESUMEN ................................................................................................................ 59 5.2 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 60 5.2.1 Importancia económica del cultivo de cacao ................................................................. 60 5.2.2 Factor de Bioacumulación (BCF) y translocación de la planta (TF) .............................. 61 5.3 MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................. 62 5.3.1 Ubicación del sitio del estudio ....................................................................................... 62 5.3.2 Diseño Experimental del estudio .................................................................................... 63 5.3.4 Análisis estadísticos ................................................................................................ 66 5.4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................... 67 5.4.1 Concentraciones de Cd total y biodisponible en el suelo ............................................... 67 5.4.2 Niveles de concentraciones de Cd en hojas, tallos y raíces de cacao ............................. 68 5.4.3 Relación de la concentración de Cd en la planta con el suelo ........................................ 69 III 5.4.4 Factores de bioacumulación (BCF) y translocación de la planta (TF) ........................... 71 5.5 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 72 6. CAPÍTULO IV. EFECTO DEL ÍNDICE DE ESTRES HÍDRICO SOBRE EL ESTADO VEGETATIVO DE LA PLANTA DE CACAO ............................................ 74 6.1 RESUMEN ................................................................................................................ 74 6.2 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 75 6.2.1 Consecuencias suscitadas en el cultivo de cacao por falta de lluvia en el momento adecuado. ................................................................................................................................. 76 6.3 MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................. 76 6.3.3 Descripción general de la zona de estudio ..................................................................... 76 6.3.2 Diseño experimental de los ensayos de investigación .................................................... 77 6.3.3 Metodología de muestreo y análisis de las muestras de suelo, plantas y medidas atmosférica .............................................................................................................................. 79 6.4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................... 82 6.5 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 85 CONCLUSIONES GENERALES .................................................................................. 88 8 REFERENCIAS ........................................................................................................... 92 IV LISTAS DE TABLAS CAPÍTULO I Tabla 1. Composición de estiércol de pollo compostado y cantidad de nutrientes aplicados al suelo para cada tratamiento ………………………………………………………………… 20 Tabla 2. Capacidad de intercambio catiónico y elementos intercambiables en el suelo un año después de la aplicación de diferentes dosis de estiércol de pollo compostado. Todos los valores son medias de 3 réplicas y diferentes letras en las barras son significativamente diferentes a p ≤ 0,05 según la prueba de LSD Fisher ……………………………………………………… 26 Tabla 3. Microelementos en el suelo un año después de la aplicación de diferentes dosis de gallinaza compostada. Las diferentes letras están significativamente en p ≤ 0,05 según la prueba LSD de Fisher …………………………..…………………………………………… 27 Tabla 4. . Concentraciones foliares de microelementos en el cultivo de cacao un año después de la aplicación de diferentes dosis de gallinaza compostada. Todos los valores son medias de 3 repeticiones y diferentes letras en las barras son significativamente diferentes en p ≤ 0.05 según la prueba LSD Fisher ………………………………………………….…………….. 28 Tabla 5. Cantidades de microelementos acumulados en la parte aérea de las plantas de cacao un año después de la aplicación de diferentes dosis de estiércol de pollo compostado. Todos los valores son medias de 3 repeticiones y diferentes letras en las barras son significativamente diferentes en p ≤ 0.05 según la prueba LSD Fisher ………………………………………… 32 CAPÍTULO II Tabla 1 Determinación de los límites de detección (LD), cuantificación (LC) y R2 ajustado del espectrofotómetro de absorción atómica y porcentaje de recuperación de elementos extraíbles e intercambiables en el suelo y Cd total en suelo y plantas, evaluados en las 21 parcelas … 44 Tabla 2. Comparación de medias de las propiedades generales del suelo (0 a 30 cm de profundidad) evaluadas en 8 fincas cultivadas con cacao. Distrito de Almirante, provincia de Bocas del Toro, República de Panamá ……………………………………………………… 46 Tabla 3 Correlación de Pearson para la variable de concentración de Cdgranos de cacao de las 21 parcelas evaluadas. Distrito de Almirante, provincia de Bocas del Toro, República de Panamá ……………………………………………………………...………..…………….. 49 Tabla 4. Correlación lineal de Pearson para las variables de concentración de Cd hojas, frutos, granos de cacao y el contenido de Cd biodisponible de las 21 parcelas evaluadas ….…….. 50 Tabla 5. Modelos predictivos seleccionadas paso a paso (backward) con regresión múltiple para Cd biodisponible, hojas, frutos y granos de cacao …………………….……………… 50 4 Capítulo II, Concentración de Cd en suelos y planta de cacao producido en sistemas agroforestales de pequeños productores de Panamá. El objetivo fue obtener información básica del contenido de Cd en el suelo, hojas, frutos y granos que ayuden a mejorar los sistemas de producción de cacao que no excedan los límites permitidos para cacao procesado. En concreto, se prestó especial atención a las concentraciones de este elemento en el grano, puesto que es uno de los factores que limita la comercialización del cacao para la elaboración del chocolate y otros derivados del cacao. El estudio fue realizado en 21 parcelas de ocho fincas de productores dedicadas al cultivo de cacao. Se realizaron estadísticas descriptivas y análisis de correlaciones entre el Cd en el suelo con las propiedades del suelo; así como con el Cd biodisponible y presente en la planta. Se evaluó la relación entre Cd biodisponible con variables físico químicas del suelo y las relaciones entre las variables del suelo y el Cd en la planta. Para esto se usaron análisis de regresión lineal múltiple, seleccionando las variables con el método Backward. Estas parcelas estudiadas, presentaron alto acidez en el suelo a una profundidad muestreada de 30 cm, encontrando un valor de pH muy ácido con valores en sus medias de 5.1 siendo este nivel no favorable para el cultivo de cacao. El contenido medio de MOS fue de 5.1 % l cual pudo haber ayudado a que la relación C: N presentara un valor de 10. El Al intercambiable en el suelo presentó un valor mínimo de 0.6 cmol (+) kg-1 y una concentración máxima de 13.9 cmol (+) kg-1. La concentración de Cd total y biodisponible en el suelo, encontrando en las 21 parcelas presentaron medias de 0.10 y 0.02 mg kg-1 respectivamente. En cuanto a las concentraciones de Cd en las partes de la planta (hojas, frutos y granos), presentaron los resultados de 1.04, 0.34 y 0.25 mg kg-1 respectivamente. Al evaluar el contenido de Cd total y biodisponible en las 8 fincas, estos se encuentran por debajo de los límites de contaminación en suelos agrícolas. Al realizar modelaciones predictoras por medio del método de selección backward para las variables Cd biodisponible, hojas, frutos y granos. En estos modelos la variable predictora de mayor intervención fue el Cd biodisponible (Cdbd). Como conclusiones relevantes se tiene que las fincas evaluadas, presentan un nivel de pH muy ácido, no siendo muy favorable en el cultivo de cacao, debido a que da lugar a que otros metales pesados (p.e., Al intercambiable) interfieran en la disponibilidad de 5 elementos esenciales para la planta. Los niveles de Cd biodisponible evaluados no superaron los límites considerados como suelos contaminados por la Agencia del Medio Ambiente de los Estados Unidos de Norteamérica (USEPA). Los modelos elaborados para el Cd biodisponible, Cd en hojas, frutos y granos de cacao pueden utilizarse para corregir algunas propiedades químicas y biológicas del suelo que pueden ser manejadas a nivel de fincas. Capítulo III. Concentraciones de cadmio aplicados al suelo con plantas de cacao del clon AS-CP 2661. El objetivo de evaluar la bioacumulación y traslocación de la concentración de Cd en la planta de cacao del clon AS-CP 26-61, al aplicar diferentes concentraciones de Cd en el suelo. El ensayo fue establecido en una casa de vegetación, donde se determinó la dinámica del Cd aplicar cantidades crecientes de Cd al suelo (0 mg kg-1; 4 mg kg-1; 8 mg kg-1; 12 mg kg-1; 16 mg kg-1 y 20 mg kg-1). El estudio reveló que la planta de cacao se comporta como fito acumuladora del Cd, no translocando este metal de la raíz hacia la planta cuando las concentración son menores los 12 mg kg-1. Se pudo llegar a la conclusión que con concentración de Cd total en el suelo mayores de 4 mg kg-1 se comporta como una planta fito acumuladora o fito extractora, absorbiendo el contaminante (Cd) por las raíces con concentraciones de Cd menores o iguales a 4 mg kg-1, y acumuladoras con dosis mayores o iguales a 8 mg kg-1, capaz de remover, reducir o translocar a los diferentes órganos vegetativos el Cd por la acumulación en las raíces. Capítulo IV. Efecto del índice de estrés hídrico sobre el estado vegetativo de la planta de cacao. El objetivo es evaluar de forma preliminar el índice de estrés hídrico como indicativo de la absorción del agua por la planta y su efecto en el crecimiento vegetativo del cultivo de cacao. Este capítulo presenta la problemática que se tiene con el estrés hídrico en el cultivo de cacao, debido a altas temperaturas que se atribuyen en muchos casos al cambio climático que ha afectado la cantidad y distribución de la lluvia considerablemente en esta región del país. Es necesario conocer si la absorción de agua por el cultivo es suficiente para evitar el estrés en los árboles. Consistió en un estudio en dos ambientes (casa de vegetación y en campo), durante el 2020 y 2021, realizados en el distrito de Almirante, Bocas del Toro (Panamá). En la casa de vegetación se evaluaron cuatro tratamientos y cinco repeticiones (20 plantones) en un diseño completamente al azar. Los tratamientos consistieron en distintos regímenes de riego, donde el T1= Testigo; 6 T2 = 60 % de humedad; T3= capacidad de campo; T4= punto de marchitez permanente. El segundo se realizó en una plantación de cacao donde se monitorearon 24 plantones. En ambos ambientes se midieron índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), temperatura del suelo y planta (hojas) utilizando plantones de tres meses de edad del genotipo de cacao AS-CP 26-61, mejorado. El otro ambiente se evaluó en un periodo de nueve meses haciendo coincidir los meses de mayor y menor lluvias. Entre los resultados relevantes, se relaciona el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) con el porcentaje de humedad (Hc %) en las hojas de cacao, se puede observar que valores menores de 20 % de Hc, pueden presentar un NDVI inferior al 0.40, considerados como plantas que presentan estrés hídrico, pudiendo inferir directamente en la biomasa aérea en la planta de cacao reduciendo el crecimiento vegetativo. Se concluye que utilizar estas herramientas ayudó a detectar en qué momento el cultivo de cacao puede llegar a sufrir estrés hídrico que pudiera afectar la respuesta fisiológica en las plantas. Esto demostró que la planta de cacao es hidro periódica, que casos extremos de sequía y altas temperaturas pueden tener un efecto irreversibles en el crecimiento vegetativo, derivando a una baja producción afectando a la economía de los productores de estas áreas rurales de escasos recursos. 7 INTRODUCCIÓN GENERAL 8 INTRODUCCIÓN GENERAL Generalidades del árbol de cacao a nivel tropical El árbol cacao “Theobroma cacao L, es una planta que es cultivada en el trópico húmedo en cuatro continentes (África, América, Asia y Oceanía). Esta especie pertenece a la familia de las Malváceas, descrita por Linneo en el 1753 (Alverson et al., 1999; Avendaño et al. 2011). En las regiones tropicales de América es cultivado en sistemas agroforestales (árboles maderables y frutales; Asitoakor et al., 2022) siendo un cultivo que puede llevar una buena sinergia con el ambiente, por ser considerados como fuentes de recursos potenciales para el secuestro de carbono orgánico, reducción del estrés hídrico y aumento de la biodiversidad (Tscharntke et al., 2011), por la cual es considerado como una alternativa en la conservación del suelo (p. e., producción de hojarascas) y recursos hídricos (Leakey et al., 2005; Lehmann et al., 2014). En la producción del cultivo de cacao, su materia prima (granos) se emplea en la elaboración de diversos productos, incluyendo licor, cacao en polvo, chocolate, aceites y medicamentos (Bertoldi et al., 2016). Por otro lado, las investigaciones realizadas con fertilización y nutrición del cultivo de cacao recomiendan evaluar cada material de cacao de cada país, en función del tipo de suelo y zona agroecológica donde se cultive (Romero, 2016); con fines de conocer la distribución de los nutrimentos y plantear estrategias de muestreo para estudiar la nutrición del cultivo (Carvalho et al., 2013). Por esta razón, es oportuno realizar estudios foliares y de suelos para corregir limitaciones nutricionales del cultivo, que servirían para determinar las concentraciones apropiadas de nutrientes en una determinada época del ciclo del cultivo, asegurando un mayor rendimiento del grano (Etchevers, 1999). 9 Producción de cacao a nivel mundial La mayor cantidad de cacao que se produce en el mundo es producida por el continente africano. El mayor productor es, Costa de Marfil, seguido de Ghana, Nigeria y Camerún, por la cual juntos obtienen una producción de 3, 479, 000 Mg por año. El segundo continente de mayor producción fue el americano, encabezando países como Ecuador, Brasil y Perú, los de mayor producción con 375, 180 y 160 mil Mg respectivamente. El tercer continente que presentó mayor producción en los años 2021 y 2022 fue el asiático, siendo Indonesia el país de mayor producción con 180, 000 Mg (ICCO, 2021). Cabe mencionar que, la rentabilidad del cultivo se mide con producciones de grano seco, y este debe ser superior a 0.77 Mg ha-1 (Espinosa-García et al., 2015). En algunas regiones de Panamá con mayor potencial para el cultivo del cacao, como Bocas del Toro, este rendimiento es inferior a 0.20 Mg ha-1, lo que reduce considerablemente las posibilidades de sostenibilidad y desarrollo de algunas regiones del país (PANAMÁMIDA, 2020). El cultivo de cacao en Panamá Entre 1920 y 1940 la United Fruit Company (UFC) introdujo en los valles de Sixaola y Changuinola, provincia de Bocas del Toro, República de Panamá el cultivo del cacao de variedad Matina. Para 1940 unas 9,600 hectáreas estaban cultivadas con cacao y se exportaban entre 3 y 4 millones de kilos anuales al mercado de Estado Unido y Europa. Esta expansión cacaotera convirtió a Bocas del Toro en una de las zonas cacaotera más grande del mundo (LaBARGE, 1959). Con la llegada de la enfermedad conocida como Monilia (Moniliophthora roreri) en los años ochenta (Phillips-Mora et al., 2007) y la baja de los precios en los mercados internacionales, provocaron que muchos productores abandonaran o cambiaran de actividad, lo que llevó a que los esfuerzos institucionales se dirigieran a fortalecer el sector productivo del cacao (comendatarios de productores rurales de cacao). Durante los años 1982 y 1987 se insertaron híbridos de cacao proveniente del Centro Agronómico de Investigación y Enseñanza (CATIE) de Costa Rica, resistentes al hongo Monilia (Miranda, 1992). En los años noventa, los pequeños productores del área (Bocas 10 del Toro), se organizan e inician la producción orgánica en el cultivo de cacao seguido de una certificación en el comercio internacional. La Cooperativa de Cacao Bocatoreño R. L. (COCABO) fundada por productores en 1952, se convirtió en el ente gestor y el medio por el cual cientos de pequeños productores adquieren año con año su certificación y la posibilidad de obtener mejores precios en los mercados internacionales. En Bocas del Toro, la actividad de cacao en su gran mayoría se desarrolla por pequeños productores y productoras provenientes de pueblos originarios, y campesinos de áreas vecinas, cultivando un área aproximadamente de 3.5 hectáreas, con cacao híbrido, criollo o una mezcla de ambos, existen pocas parcelas con plantas clónales, y en su mayoría en sistemas agroforestales y de agricultura orgánica; poco en sistemas convencionales. El cultivo de cacao en la República de Panamá presenta limitaciones que da como resultado la merma o bajos rendimientos del grano producto de algunos factore (p.e., plantas longevas, suelos con baja fertilidad o suelos sobreexplotados y desgastados, incompatibilidad genética entre plantas cultivadas. Principales limitaciones que afectan a la producción y calidad cultivo del cacao Limitación de fertilidad de suelo Existen diversos problemas o limitaciones que pueden afectar la producción y calidad del grano de cacao, por la cual nos enfocaremos en los de mayor importancia. El bajo contenido de materia orgánica en el suelo (menor al 3 %) puede ser un factor muy limitante en la producción del cultivo de cacao (Torres et al., 2021), ya que los microrganismos juegan un papel crucial en la disponibilidad de nutrientes, debido a la mineralización de la materia orgánica derivando al aumento del pH de suelo. El bajo contenido de MOS puede también inferir en el agotamiento de nutrientes, acidificación y aumentos de metales pesados no esenciales para las plantas (Hartemink, 2006, Porta, 2014, Vliet et al., 2015). De igual manera, la baja disponibilidad de macroelementos como N, P y K en el suelo puede afectar al metabolismo y crecimiento de la planta de cacao. El N forma parte de diversos compuestos de carbono y está incluido en la clorofila, por la cual, aumenta la 11 eficiencia de interceptación de la luz (Niinemets, 2007; Taíz et al., 2015). La deficiencia del P afecta a las plantas de cacao en el almacenamiento de energía. El P en muchos casos puede tener altas limitaciones en el suelo debido al nivel del pH que contenga el suelo (p.e menores a 5.5; Miheretu, 2020). Seguido del K, puede afectar la regulación del potencial osmótico y la activación de las enzimas que ayudan a la respiración y la fotosíntesis (Taíz et al., 2015). Por otra parte, elementos secundarios como el Ca y el Mg escasos en el suelo pueden tener efectos adversos ya que ellos forman parte de las bases intercambiables que ayudan a la capacidad de intercambio catiónico (CIC) pudiendo afectar al cultivo de cacao si sus valores en el suelo son menores de 12 cmol (+) kg-1 (Snoeck et al., 2016) por la razón que elementos como el Ca y Mg interactúan con otros elementos de gran importancia en la fertilidad del suelo (Long et al., 2017). Por otro lado, altas concentración de elementos como el aluminio y el manganeso, producen retrasos en el crecimiento de brotes y raíces, reduciendo la tasa de crecimiento en el árbol de cacao (Miheretu, 2020). Altas concentraciones de cadmio (Cd) en el suelo y plantas de cacao El Cd es un metal pesado muy peligroso para la salud humana (Casteblanco, 2018), produciendo además efectos tóxicos en suelos (Bravo et al. 2014). Su tasa de transferencia desde el suelo a la planta está influenciada por el tipo de suelo, la acidez, contenido de materia orgánica, fertilización, la mineralogía, y la presencia de otros elementos, como el zinc (PNUMA, 2008). El contenido de MOS representa un factor importante en la acumulación y liberación de los metales pesados (entre ellos el Cd) debido a la alta capacidad de acumulación del metal, al liberarse de la MO entran en contacto con la planta transportándose por las raíces hacia las otras partes de las plantas (Gamiz et al., 2010; Spalding et al., 2010). El pH en el suelo interviene en la movilidad y disponibilidad del metal pesado Cd aumentando cuando el pH se hace mayormente ácido debido a la solubilidad del metal siendo absorbido por las raíces (Pedraza y Rojas, 2017). Las concentraciones de Cd de origen geogénico en el suelo generalmente no superan 1 mg kg-1 (Kabata- Pendias, 2010) pudiéndose encontrar niveles de Cd superiores a 16.3 12 mg kg-1, que se le puede asociar a procesos de meteorización y tipo de material parental, entre ellas las derivadas de las rocas sedimentarias, como las lutitas (S. H et al. 2010). Por otro lado, es importante anotar que los contenidos totales en suelos superiores a 3 mg kg-1 para Cd son considerados como suelos fitotóxicos (Insuasty et al., 2006). En general, los valores de concentración de Cd en los granos de cacao reportados a través de América Latina y El Caribe (ALC) y otras partes del mundo, que se dedican a cultivar el cacao indican que el nuevo reglamento 488/2014 de la Unión Europea (UE) afectará a los productores de cacao en la región (Meter et al. 2019). Este fija un límite tolerable máximo de 0.8 mg kg-1 a chocolates con sólidos de cacao superiores o iguales al 50 %; según este criterio, el 70.59 % de los reportes corresponden a niveles altos de cadmio y solo 29.4 % estarían dentro de los limites exigidos por la UE (EU, 2014). Selección de genotipos mejorados Otros de los problemas que explicaría los bajos rendimientos y la baja calidad en las plantaciones de cacao en Panamá se atribuye al uso de materiales genéticos no adecuados, en muchos casos introducidos de otros países (Carranza et al., 2020). Y en otros casos por el desconocimiento técnico silvicultural y agronómico (p.e., podas de formación, sanitarias y fertilización deficiente). Esta situación también ocurre en otros países dedicados a la producción de cacao como Ecuador, Perú y Nicaragua (Argüello et al., 2019; Barraza et al., 2019; Hebbert Siles, 2022). Para hacer frente a este problema, el equipo de Gutiérrez (2020), en la región de Bocas del Toro, en la República de Panamá, seleccionó genotipos criollos, adaptadas al medio concreto, que presentaban mejores rendimientos y calidad del grano. Estos genotipos criollos se registraron en el Ministerio de Desarrollo Agropecuario de Panamá (MIDA). Los genotipos criollos seleccionadas fueron AS-CP 26-59 de granos de color blanco, AS-CP 26-60 de granos de color morado y la AS-CP 26- 61 mulato. La variedad criolla AS-CP 26-61 fue la que se seleccionó en este estudio porque puede ser de interés para los productores a nivel de Panamá, ya que es un genotipo muy interesante por sus altos rendimientos y alta calidad (Gutiérrez, 2020). Esta variedad puede alcanzar una altura de 2.5 m, con ramas de color marrón, presentan hojas de 34.5 cm de largo de color verde claro con una ausencia de antocianinas, para la semilla húmeda expresa una coloración blanca y una pigmentación de color blanca 13 para la flor. La semilla presenta una forma elíptica, mientras el fruto es rugoso, con pesos mayores a 627 gramos, encontrando más de 33 semillas por frutos (Gutiérrez, 2020). Sequía en regiones del Caribe donde se produce el cacao Los productores de las regiones cacaoteras, detectan mermas de la producción que atribuyen a crecientes períodos de sequía (FAO, 2015) aunadas a altas temperaturas que incrementan las plagas y enfermedades afectando a la producción (Medina y Laliberte, 2017). En relación con esto, algunos autores muestran anomalía en la producción debido a la sequía, observada en muchas regiones caribeñas, atribuidas al calentamiento global (Herrera et al., 2018). Ante las condiciones climáticas variables en zonas caribeñas, donde cada vez se presentan temporadas largas sin lluvias (Samaniego, 2021), es necesario conocer si la menor disponibilidad de agua causa estrés en los árboles. JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVO GENERAL Como se ha comentado en párrafos anteriores, en la República de Panamá específicamente en el distrito de Almirante, el cacao es cultivado de forma orgánica siendo este uno de los principales sustentos en la economía de pequeños agricultores en esta región. A pesar de ello, existen importantes limitaciones de producción que se atribuyen a la baja fertilidad de los suelos y al empleo de variedades no seleccionadas genéticamente. Además, se desconocen otros aspectos que influyen sobre la producción y calidad del grano, como son las concentraciones de Cd, o el efecto de la sequía en periodos sensitivos para el cultivo, que reducen las producciones y la calidad del fruto. Para todo esto la investigación de la presente tesis tiene como objetivo general aportar línea base para mejorar la producción de cacao en la región de Almirante. Al mismo tiempo hacer una primera exploración sobre otros actores que potencialmente podría afectar la producción y calidad del cultivo, como el Cd o el efecto de la sequía temporal. Por la cual, se plantearon cuatro objetivos específicos, desarrollados por capítulos en este trabajo de investigación. 20 3.3.2 Diseño experimental Las plántulas, de 3 meses de edad, fueron trasladadas de un vivero propiedad del productor y después de 3 meses fueron trasplantadas a la tierra de la finca en estudio. La finca seleccionada es un sistema agroforestal acompañado de árboles de Cedrela odorata, Coffea arabico y algunas especies de la familia Musaceae, como Musa x paradisiaca L (banano) sin programas de fertilización. Después de un año, se seleccionó un área de terreno con 2000 m2, con 126 plantas con una topología de 3 m x 3 m (plantas y calles). En el estudio se evaluaron 7 diferentes dosis para lo que se usó un diseño de bloques completamente al azar con tres repeticiones. Las dosis de estiércol de pollo compostado que se aplicaron fueron: 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 Mg ha-1 (0, 350, 720, 1050, 1400, 1750, 2100 g por árbol). El material fue obtenido del comercio local. La unidad experimental fue de 18 m2, que contenía 6 plantas de cacao. Las características químicas del fertilizante y las cantidades de nutrientes aplicadas al suelo se muestran en la Tabla 1. Siguiendo las recomendaciones de Dávila et al. (2019), el fertilizante se aplicó a las plantas de cacao a una distancia de 15 cm de la base del tronco del árbol en forma de círculos concéntricos y se incorporó al suelo. Tabla 1. Composición del estiércol de pollo compostado empleada en este estudio y cantidades de nutrientes aplicados al suelo para cada tratamiento Concentración Cantidades de nutrientes aplicadas (kg ha-1) 0 5 10 15 20 25 30 pH 8.3 -- -- -- -- -- -- -- C (%) 37.5 -- -- -- -- -- -- -- N (%) 1.92 0 96 192 288 384 480 576 C: N 19.53 -- -- -- -- -- -- -- P2O5 (%) 3.9 0 195 390 585 780 975 1170 K2O (%) 2.1 0 105 210 315 420 525 630 CaO (%) 9.5 0 475 950 1425 1900 2375 2850 MgO (%) 1.1 0 55 110 165 220 275 330 Cu (mg kg-1) 98 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.9 Zn (mg kg-1) 783 0 3.9 7.8 11.7 15.7 19.6 23.5 Fe (mg kg-1) 3850 0 19.3 38.5 57.8 77.0 96.3 115.5 Mn (mg kg-1) 986 0 4.9 9.9 14.8 19.7 24.7 29.6 21 3.3.3 Muestreo de suelos y plantas Las muestras de suelo y plantas se tomaron en el segundo año de trasplante y un año después de que se aplicaron los diferentes tratamientos. Se tomaron muestras de suelo a profundidades de 0 a 5 cm, 5 a 15 cm y 15 a 30 cm, dentro del área específica donde se practicó la fertilización vegetal. Para cada unidad experimental, se tomó una submuestra de suelo de cada árbol del conjunto que contenía las 6 plantas de cacao, agrupándolas para formar una muestra compuesta de aproximadamente 1 kg. Las muestras fueron transferidas al laboratorio, donde fueron secadas al aire y tamizadas, antes de determinar el análisis de COS, N total, pH, P extraíble, cationes intercambiables (K, Ca, Mg, Al), micronutrientes (Cu, Zn, Fe, Mn) extraíbles y textura. Para la densidad aparente, se tomaron muestras no perturbadas extraídas con anillos metálicos Uhland de volumen conocido (Vance, 1990). Para evaluar el efecto de la fertilización en la nutrición de las plantas de cacao, se recolectó la cuarta hoja de la parte media de cada árbol haciendo un total de 24 hojas sanas de cada unidad experimental, siguiendo la metodología de Puentes-Páramo et al. (2016). Las hojas fueron trasladadas al laboratorio donde fueron lavadas con agua ultrapura (tipo 2) y secadas en la estufa a 60° Celsius durante 48 horas, para posteriormente determinar las concentraciones de nutrientes de N, P, K, Ca y Mg y micronutrientes (Cu, Zn, Fe, Mn). Además, para conocer el efecto de los tratamientos sobre la biomasa y las extracciones totales de elementos por parte de las plantas, se retiraron tres plantas por cada unidad experimental, realizando el mismo procedimiento de limpieza utilizado en las muestras foliares. Se procedió a tomar el peso húmedo, luego se secó en la estufa a una temperatura de 60 ° Celsius durante varios días para tomar el peso seco y así calcular la producción de biomasa seca total (kg ha-1). 3.3.4 Análisis de suelos y plantas Este estudio ha seguido el procedimiento de medición de la concentración de la capacidad efectiva de intercambio catiónico (CICE) seguido por los laboratorios oficiales de Costa Rica, Panamá, Brasil, con excepción del estado de Sao Paulo, y Paraguay (Tomita, 2020). El CICE se determinó mediante la suma de Ca, Mg y Al extraídos por KCl 1M y K 22 extraídos por Mehlich 1. En estos protocolos oficiales, el Na intercambiable no se considera para suelos ácidos. En el suelo, el nivel de pH se determinó con agua, en una relación suelo : agua (1:2.5), la concentración del contenido de COS se determinó por el método de calcinación y el N total se llevó a cabo por digestión Kjeldahl, según la metodología de Teixeira et al. (2017). Los elementos biodisponibles de P, Cu, Fe, Zn, Mn y K intercambiable se extrajeron con la solución extractora Mehlich 1, según el método descrito por Tedesco et al. (1995). El P biodisponible se extrajo con la solución de Mehlich 1 y el extracto se midió por el método del azul de molibdeno que consiste en una reducción del fosfomolibdato por vitamina C y se determinó mediante un espectrofotómetro de luz UV/Vis a una longitud de onda de 680 nm. El resto de los elementos se determinaron con un espectrofotómetro de absorción atómica de fuente continua de alta resolución de técnica de llama. Las concentraciones intercambiables (Ca, Mg y Al) se extrajeron con una solución extractora de KCl 1 M, según Díaz-Romeu y Hunter (1978) y se cuantificaron mediante espectrofotómetro de absorción atómica de fuente continua de alta resolución de técnica de llama. La concentración de CICE se determinó como la suma de los cationes intercambiables (K, Ca, Mg y Al). La textura del suelo se midió por hidrometría, según las metodologías de Bouyoucos (1962). En la planta, el N total se determinó de manera similar a la del suelo. Las concentraciones en las hojas y cantidades totales en la planta (P, K, Ca, Mg, Cu, Zn, Fe y Mn) se obtuvieron mediante extracción asistida por microondas utilizando reactivos con concentraciones puras de HNO3 y HCl en una relación 3:1 y posteriormente se analizaron mediante espectrofotometría de absorción atómica de fuente continua de alta resolución de técnica de llama, según metodologías EPA 3051A (USEPA, 2007). 3.3.5 Análisis estadístico Para verificar las diferencias entre tratamientos, los datos fueron evaluados por análisis de varianza y las medias de sus tratamientos fueron comparadas por la prueba LSD Fisher p ≤ 0.05. Para estudiar el cambio de una variable dependiente (por ejemplo, concentraciones de nutrientes en hojas y suelos) en función de la dosis de estiércol de pollo compostado, se realizaron regresiones lineales. Posteriormente, se realizaron gráficos de barras para representar los valores promedio de los niveles mínimo y máximo 23 de las variables de clasificación. Para todo este cálculo, se utilizó el paquete estadístico del programa Infostat, versión 2008 (Di Rienzo et al., 2015). 3.4 RESULTADOS 3.4.1 Efecto de los aportes de estiércol de pollo compostado sobre las propiedades del suelo. La Figura 2 muestra los niveles de pH, COS, N total, relación C:N, P extraído y densidad aparente del suelo (a tres profundidades, 0-5 cm, 5-15 cm y 15-30 cm) dependiendo de las dosis de estiércol de pollo compostado aplicado. La acidez presentada por el suelo original sin tratamiento (pH 5.2-5.4) fue parcialmente neutralizada por los aportes de estiércol de pollo compostado. Los niveles de pH (Fig. 1a) aumentaron con el aumento de las dosis de estiércol de pollo compostado, alcanzando valores de 5.6-5.9 con la dosis más alta (30 Mg ha-1). La concentración del contenido de COS (Fig. 1b) en su valor inicial recomendado para suelos cultivados con cacao fue baja (entre 0.5 y 1.74 %, dependiendo de la profundidad del suelo). El aporte de abono de estiércol de pollo compostado resultó en aumentos de COS en las tres profundidades del suelo evaluadas, pero especialmente en las más superficiales. Las concentraciones alcanzadas con las dosis más altas de estiércol de pollo compostado fueron de 1.3-2.5 %. Los aportes de estiércol de pollo compostado también condujeron a aumentos en los niveles totales de N en el suelo (Fig. 1c). En la Figura 1d, la relación C:N (11 a una profundidad de 0 a 5 cm) aumentó ligeramente con los tratamientos. En la Figura 1e, los bajos niveles de P extraído con Mehlich 1 en el suelo (1.3 mg kg- 1) se corrigieron parcialmente con la aplicación de estiércol de pollo compostado. Los niveles más altos (3.3-5.3 mg kg-1) se alcanzaron con dosis superiores a 20 Mg ha-1. Aunque el efecto fue más notable en la capa de 0-5 cm, las capas inferiores también vieron aumentar los niveles de P disponibles. Por otro lado, la densidad aparente (Fig. 1f) evaluada en las tres profundidades del suelo mostró una disminución sustancial a medida que aumentaban las dosis de estiércol de pollo compostado en el suelo. 24 Figura 1. Niveles de pH, COS, relación N total, C: N y P, densidad aparente en el suelo al año de aplicar las dosis de estiércol de pollo compostado. Las diferentes letras no están significativamente en p ≤ 0.05 según la prueba LSD de Fisher. 25 La tabla 2 muestra la CICE y las concentraciones de los principales elementos intercambiables (K, Ca, Mg y Al). El valor de CICE fue muy baja, con un valor original en el suelo de 8 cmol (+) kg-1. En relación a esto y a los niveles de acidez fuerte, los cationes intercambiables de K, Ca y Mg fueron bajas. El aporte del estiércol de pollo compostado resultó en aumentos significativos en CICE y cationes intercambiables de K, Ca y Mg en las tres profundidades. Los niveles máximos de CICE fueron de 13 cmol (+) kg-1. El Al de intercambiable siguió una tendencia opuesta, de forma paralela al pH, este elemento (Al intercambiable) disminuyó con el aporte de estiércol de pollo compostado. Además, la Tabla 3 muestra los micronutrientes (Cu, Zn, Fe y Mn) extraídos en el suelo con Mehlich 1. Todos estos micronutrientes presentaron altas concentraciones evaluadas en las tres profundidades. La contribución del estiércol de pollo compostado puede haber ayudado al equilibrio nutricional de algunos de los micronutrientes que regulan las concentraciones del suelo al aumentar las dosis. 26 Tabla 2. Capacidad de intercambio catiónico y elementos intercambiables en el suelo un año después de la aplicación de diferentes dosis de estiércol de pollo compostado. Todos los valores son medias de 3 repeticiones y diferentes letras en las barras son significativamente diferentes en p ≤ 0.05 según la prueba LSD Fisher. Composted chicken manure ECEC K Ca Mg Al Soil depth (cm) 0 a 5 5 a 15 15 a 30 0 a 5 5 a 15 15 a 30 0 a 5 5 a 15 15 a 30 0 a 5 5 a 15 15 a 30 0 a 5 5 a 15 15 a 30 Doce (Mg ha-1) Medium concentration (cmol (+) kg-1) 0 8.0cd 6.9cd 6.4bc 0.15c 0.14c 0.16c 3.4c 3.6c 2.8c 2.6bc 1.8c 1.4d 1.80a 1.4ª 2.0ª 5 6.6d 5.0e 6.0c 0.27ab 0.12c 0.13c 3.9c 2.6d 3.8b 1.8d 1.9bc 1.5cd 0.6b 0.4b 0.6b 10 7.2cd 7.9cd 6.6bc 0.20bc 0.32ª 0.35ª 3.8c 4.8b 4.0ab 2.6bc 2.4abc 1.8bcd 0.6b 0.3b 0.5b 15 6.3d 6.3d 6.7bc 0.25ab 0.17c 0.29ab 3.2c 3.3c 4.0ab 2.4bc 2.5ab 1.5bc 0.4bc 0.3b 0.4bc 20 11.2ab 8.1b 8.3ª 0.34a 0.24b 0.30ab 8.0ab 4.6b 4.4ab 2.7b 2.9a 3.1a 0.2c 0.3b 0.4b 25 9.5bc 6.6d 7.0b 0.32ª 0.23b 0.29ab 6.8b 3.6c 4.1ab 2.2cd 2.5ab 2.3b 0.2c 0.2b 0.3bc 30 13.1a 9.4a 8.4a 0.28ab 0.26ab 0.23bc 9.4a 6.6a 4.5ª 3.2a 2.4abc 3.4a 0.1c 0.1b 0.2c R2 0.85 0.89 0.90 0.70 0.88 0.76 0.84 0.95 0.80 0.81 0.62 0.93 0.96 0.78 0.97 p≤0.05 0.0004 <0.0001 0.0001 0.01 0.0001 0.004 0.001 <0.0001 0.001 0.001 0.05 <0.0001 <0.0001 <0.003 <0.0001 27 Tabla 3. Microelementos en el suelo un año después de la aplicación de diferentes dosis de gallinaza compostada. Las diferentes letras están significativamente en p ≤ 0,05 según la prueba LSD de Fisher. Composted chicken manure Cu Zn Fe Mn Soil depth (cm) 0 a 5 5 a 15 15 a 30 0 a 5 5 a 15 15 a 30 0 a 5 5 a 15 15 a 30 0 a 5 5 a 15 15 a 30 Average concentrations (mg kg-1) Dose (Mg ha-1) 0 2.5ab 2.0a 2.2a 6.0b 9.2a 3.9c 16.2a 7.3bc 14.2ab 117bcd 90.1a 85.7a 5 2.3ab 2.2ab 2.4a 7.3b 5.4bc 2.7c 11.6c 14.3b 17.3a 80d 81.0a 64.9b 10 2.3ab 2.5a 2.4a 6.8b 6.1bc 5.8b 6.8d 7.9bc 12.5b 239a 58.8b 23.8c 15 2.8a 2.6a 2.4a 13.2a 4.3c 9.5a 25.3a 44.0a 12.8b 118bcd 93.4ª 89.9a 20 2.2ab 1.9b 2.1ª 14.4a 7.7ab 2.5c 11.9c 5.3c 12.1b 166b 75.8ab 60.0b 25 2.2ab 2.5a 2.5a 13.7ª 5.8bc 8.1a 4.6d 9.8bc 15.3ab 92cd 87.2a 54.9b 30 2.0b 2.3ab 2.2a 17.7a 9.3a 5.8b 8.7cd 10.6bc 7.5c 144bc 76.0ab 63.0a R2 0.52 0.53 0.32 0.77 0.71 0.92 0.92 0.94 0.81 0.81 0.65 0.87 p≤0.05 >0.05 >0.05 >0.05 0.03 0.01 <0.0001 0.001 <0.0001 0.003 0.001 0.05 0.0002 28 3.4.2 Evolución de la nutrición de la planta de cacao según los aportes de estiércol de pollo compostado 3.4.2.1 Concentraciones foliares del cultivo Las concentraciones foliares de N, P, Ca y Mg se muestran en la Figura 2 y los micronutrientes Cu, Zn Fe y Mn se presentan en la Tabla 4. Las crecientes contribuciones de fertilizante resultaron en aumentos significativos en las concentraciones de N, P, Ca (Fig. 2a, 2b, 2d) y Mg (Fig. 2e) en las hojas. En el caso del N (Fig. 2a), estos aumentos ocurrieron solo a las dosis más altas. Las concentraciones de K (Fig. 2c), Cu, Zn, Fe y Mn (Tabla 4) en estas hojas no experimentaron cambios significativos con los tratamientos. Tabla 4. Concentraciones foliares de microelementos en el cultivo de cacao un año después de la aplicación de diferentes dosis de gallinaza compostada. Todos los valores son medias de 3 repeticiones y diferentes letras en las barras son significativamente diferentes en p ≤ 0.05 según la prueba LSD Fisher Composted chicken manure Cu Zn Fe Mn Average foliar concentration Dose mg kg-1 (Mg ha-1) 0 53ª 205b 105ab 973ab 5 79ª 242b 122ab 1179ab 10 73ª 245b 136ª 1405ª 15 83ª 475ª 50b 1300ab 20 65ª 398ab 42b 1344ª 25 58ª 408ab 94ab 993ab 30 43ª 312ab 89ab 748b R2 0.27 0.68 0.51 0.48 p≤0.05 >0.05 >0.05 >0.05 >0.05 29 Figura 2. Concentraciones foliares de N, P, K, Ca y Mg en el cultivo de cacao un año después de la aplicación de diferentes dosis de estiércol de pollo compostado. Las diferentes letras no están significativamente en p ≤ 0.05 según la prueba LSD de Fisher. 36 4. CAPÍTULO II CONCENTRACIÓN DE CADMIO EN CACAO PRODUCIDO EN SISTEMAS AGROFORESTALES DE PEQUEÑOS PRODUCTORES DE PANAMÁ Artículo sometido a Spanish Journal of Agricultural Research 37 4. CAPÍTULO II. CONCENTRACIÓN DE CADMIO EN CACAO PRODUCIDO EN SISTEMAS AGROFORESTALES DE PEQUEÑOS PRODUCTORES DE PANAMÁ 4.1 RESUMEN El cultivo de cacao representa para los productores de áreas rurales de Panamá en donde se cultiva el cacao, una alternativa económica, social y cultural. La elevada concentración de Cd limita la comercialización del grano de cacao mundialmente, y en particular en esta región. El objetivo fue obtener información básica del contenido de Cd en el suelo, hojas, frutos y granos que ayuden a mejorar los sistemas de producción de cacao que no excedan los límites permitidos para cacao procesado. El estudio fue realizado en el 2020-2021 en Almirante, provincia de Bocas del Toro, República de Panamá, en 21 parcelas de 8 fincas de productores de cacao. El área total muestreada en cada parcela fue 300 m2, donde se tomaron muestras de suelos a profundidades de 0 a 30 cm, hojas y frutos de cacao. Se realizaron estadísticas descriptivas, comparación de medias y análisis de correlaciones entre las variables de suelo y Cd en suelo y planta. Se evaluó la relación entre el Cd biodisponible con variables fisicoquímicas del suelo y las relaciones entre las variables del suelo y Cd en plantas. Se realizó regresión lineal múltiple, seleccionando las variables con el método Backward. La mayor parte de las parcelas presentaban pH muy ácido (5.1) y contenido de MOS entre 1.80 a 10.1 %. Todos los casos, el Cd total y biodisponible se encontraron por debajo de los límites de contaminación. Los niveles de Cd en las hojas de cacao en todas las fincas evaluadas sobrepasaron los niveles de 0.5 mg kg-1, recomendados por otros autores. La concentración de Cd en grano fue baja, normalmente inferiores a 0.25 mg kg-1, y por tanto por debajo del límite (0.6 a 0.8 mg kg-1) que se toma como referencia al chocolate con contenido de materia seca total ≥ 50 % del CODEX Alimentarius. El estudio predictivo estima que el pH, MOS y los contenidos de arcilla y limo pueden afectar la biodisponibilidad del Cd en el suelo. Y que la concentración de Cd en el grano puede ser influenciada mayormente por el Cd biodisponible y el contenido de arcilla en el suelo. La concentración de Cd en del grano puede disminuirse aumentando el pH y el contenido de MOS. Palabras claves. carbono orgánico del suelo, Inceptisol, acidez del suelo, saturación de aluminio, toxicidad. 38 4.2 INTRODUCCIÓN El cacao (Theobroma cacao L.) es un cultivo que proviene de América del Sur y fue traído a América Central en la época precolombina (Montemayor et al., 2002). A nivel mundial, se estima que hay entre 6 y 7 millones de productores de cacao en todo el mundo, y entre el 80 y 90 % del total antes mencionados, son productores con pequeñas fincas, con áreas de producción entre 2 a 4 ha, principalmente de regiones tropicales de África, Asia, Indonesia y América Central y del Sur (Voora et al., 2019). Uno de los aspectos que repercute en la comercialización del cultivo de cacao es la presencia de concentraciones altas de metales pesados (entre ellos el Cd). Esto perjudica notablemente la calidad de los derivados del cacao, afectando las exportaciones (Huamaní-Yupanqui et al., 2012, Arvelo et al., 2017). El Cd generalmente es adsorbido por los componentes del suelo e ingresa a las plantas a través de transportadores de metales esenciales, entre ellos Ca, Fe y Zn (Antosiewicz et al., 2008). Las concentraciones altas de Cd en el grano suponen una limitante para la comercialización de productos agrícolas (Bravo Realpe et al., 2014). El Cd es un metal pesado que se encuentra naturalmente distribuidas en los tres tipos de rocas de la siguiente forma: rocas ígneas (0.07 a 0.25 mg kg-1), rocas metamórficas (0.11- 1.0 mg kg-1) y rocas sedimentarias (de 0.01 a 2.60 mg kg-1) según Traina (1999). Sin embargo, en rocas carbonatadas se han encontrado niveles con valores medios de 4.58 mg kg-1 y hasta 16.3 mg kg-1 de Cd, según Quesada et al., (2015). En los suelos las concentraciones oscilan en 0.1 a 1 mg kg-1, según la Unión Europea, legislación de la directiva 86/278/CEE de 1986. con un nivel base natural que no excedería de 0.5 mg kg- 1 (Kabata- Pendias, 2010). Existen muchos factores que pueden influir sobre la concentración del Cd en la planta. El material de parental del suelo, así como las propiedades del suelo, como son el contenido y composición de materia orgánica del suelo (MOS), pH, contenidos de carbonatos, óxidos e hidróxidos de Fe y Mn, mineralogía de las arcillas, salinidad, 39 contaminación antropogénica y el genotipo de la planta, afectan a la bioacumulación y transferencia del metal pesado al grano de cacao (Ogunlade et al., 2011; Alloway, 2013). A su vez estos factores pueden permitir la disolución, lixiviación y solubilidad del metal pesado (Huertos y Baena, 2008). Sin embargo, la bioacumulación del Cd en la planta varía según el tipo de suelo donde se produce el cacao (Aikpokpodion et al., 2012). La concentración del Cd total en el suelo no siempre es un buen indicador para predecir la concentración del Cd en el grano del cacao, ya que solo una porción de este elemento es biodisponible a la planta (Shahid et al., 2016; Gramlich et al., 2018). Por otra parte, el Cd y el Zn en el suelo presentan sinergia en la disponibilidad de ambos elementos cuando las cantidades de ambos metales son elevadas, sin embargo, si uno de ellos presenta una concentración muy superior a la del otro, inhibe la retención de alguno de ellos (Estévez et al., 2000). éstos a su vez pueden ser translocados a la planta si el pH del suelo es muy ácido o la MOS es baja (Rábago y Aracil, 2011). El Cd en la planta es movilizado y transferido a las hojas y frutos, concentrándose luego en el grano, pudiendo comprobarse la correlación entre el Cd biodisponible en el suelo y Cd en el grano (Engbersen et al., 2019; Arguello et al., 2019). El Cd es capaz de acumularse en el cuerpo por lo que un consumo excesivo de granos de cacao con concentraciones máximas a lo permitido por el Codex Alimentarius (WHO, 2010) en los derivados del grano de cacao, pueden favorecer su acumulación. Esto puede provocar graves problemas llegando a los tejidos susceptibles y órganos, entre ellos los riñones y el hígado (Tchounwou et al., 2012; Casteblanco, 2018). Furcal-Beriguete y Torres (2020) informan que la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (por sus siglas en inglés, EFSA) no ha establecido un límite en la concentración del Cd en el grano no fermentado o crudo, pero hay estudios que demuestran que las concentraciones de Cd en el grano de cacao fermentado y secado alcanzan niveles superiores a lo establecido. El límite máximo para el chocolate y otros productos con contenido de cacao entre el 50 y el 70 % es de 0.6 mg kg-1, mientras que en chocolates y productos con contenido declarado de cacao superior al 70 % el nivel máximo es de 0.8 mg kg-1 (EU, 2014). La alta concentración de Cd en el grano es uno de los problemas que presenta el cultivo de cacao en Panamá, reduciendo su calidad, precio y posibilidades de comercialización. A diferencia de otros países como Perú (Huamaní y Huauya, 2021; 40 Vallejos-Torres et al., 2022), Costa Rica (Florida, 2021) y Ecuador (Barraza et al., 2019), en Panamá no existen estudios sobre las relaciones entre el Cd del suelo y su presencia en los granos de cacao, a pesar de que habitualmente se detectan concentraciones moderadas del metal (comunicación personal con miembros de la Cooperativa de Servicios Múltiples Cacao Bocatoreño R.L). Es importante destacar que determinados manejos agronómicos como la aplicación de abonos orgánicos, biochar, microorganismos benéficos y encalados también puede reducir la absorción de Cd y otros metales pesados en el cacao (Bravo et al., 2018; Dávila- Zamora et al., 2020; Ramos, 2021). Pero las zonas dedicadas al cultivo de cacao en Panamá no mantienen un adecuado programa de fertilización. En este trabajo se realiza una primera evaluación de las concentraciones de Cd en la planta de cacao, especialmente en el grano, y su relación con el Cd disponible y otras propiedades del suelo de los pequeños productores del distrito de Almirante en la provincia de Bocas del Toro. El propósito fue obtener información básica de los contenidos de Cd en el suelo, hojas, frutos y granos y de los factores que los determinan. Esta información ayudará a que los sistemas de producción de cacao que no excedan los límites permitidos para cacao procesado. 4.3 MATERIALES Y MÉTODOS 4.3.1 Ubicación y características generales del sitio del estudio La investigación fue realizada en el distrito de Almirante, provincia de Bocas del Toro, República de Panamá, en 21 parcelas dentro de 8 fincas cultivadas con cacao de diversos genotipos dentro de sistemas agroforestal (Figura 1). 41 Figura 1. Localización de parcelas de muestreos en fincas cultivadas con cacao en el distrito de Almirante, provincia de Bocas del Toro, República de Panamá. En la provincia de Bocas del Toro predominan las rocas sedimentarias con minerales compuestos de rocas calizas, lutitas, areniscas, cenizas volcánicas, tobas, lavas y andesíticas intercaladas, donde resaltan las dos primeras formaciones por ser las de mayor porcentaje de composición sedimentaria (ANAM, 2010). El clima de la provincia de Bocas del Toro está clasificado como tropical muy húmedo según Köppen (1936), actualizado por Peel et al. (2007). La precipitación media anual se encuentra en 2735 mm con una temperatura media anual de 24.3 °C (IGNTG, 2007). Los suelos del distrito de Almirante son clasificados taxonómicamente dentro del orden de Inceptisol (USDA, 2014). El contenido de carbón orgánico del suelo (COS) varía de bajo a alto (0.7 a 7.8 %), el nivel del pH varía de 4.2 a 5.9, de muy ácido a ácido, y presenta textura franca y franco arenoso con estructuras de bloques angulares y subangulares, y drenaje que van desde muy lentos a moderados (Name y Cordero, 1987; Villalaz-Pérez et al., 2021). 4.3.2 Metodología de muestreo y preparación de muestras en el laboratorio El estudio se realizó en los años 2020-2021 en 8 fincas productoras del distrito de Almirante. Dentro de cada finca se seleccionaron 2 o 3 parcelas de muestreo dependiendo del área de la plantación o por afijación proporcional hasta completar un total de 21 42 parcelas (López, 2010). Cada parcela de 300 m2 (10 × 30 m) fue ubicada en sitios representativos de la plantación (SEMARNAT, 2010). En cada una de estas parcelas se tomaron 15 submuestras de suelo en forma sistemática de zig – zag equidistantes una de otra. Las muestras de suelo se tomaron a profundidad de 0 a 30 cm, y con las 15 submuestras se realizó una muestra compuesta homogenizada de aproximadamente 2 kg. En el laboratorio se retiraron raicillas, piedras o cualquier material que pudiera alterar el análisis del suelo. Luego, las muestras de suelo se secaron al aire y se trituraron en un mortero de agatha y pasaron a través de un tamiz de malla de nylon de 2 mm en donde se determinaron elementos biodisponibles e intercambiables, sin incluir el Cd. Para este metal pesado, se tomó el suelo que pasó la malla de 2 mm y se procedió a utilizar otro tamiz de 0.063 mm según la guía de muestreo de suelos MINAM (2014). Los muestreos de hojas y frutos se realizaron dentro de los 300 m2 de cada parcela, la cual contenían 17 árboles de cacao. En cada parcela de muestreo, se colectaron 51 hojas sanas, tres por cada árbol, ubicadas cada una de ellas (hojas) en la parte media del árbol de cacao, tomando la cuarta hoja desde el ápice de la rama seleccionada siguiendo la metodología de Puentes et al. (2016). De igual forma, se colectaron 6 frutos de tamaño uniforme y saludable dentro del área seleccionada (300 m2) de plantas seleccionadas de forma sistemática (1 fruto de cada 3 árboles). Por otro lado, las hojas y frutos fueron lavados con agua bidestilada (tipo 2) eliminando las partículas de tierra adheridas a ellas. Las hojas fueron llevadas a la estufa para el secado a una temperatura de 60 °C hasta mantener un peso constante. Los frutos de cacao son aquellos que crecen en el tronco y en las ramas, que generalmente tienen forma de baya o figura geométrica de elipse la cual pueden ser de color rojo, amarillos o marrón. Dentro de los frutos se encuentran las semillas o granos que aproximadamente pueden haber de 20 a 40 granos de color blanco o morado (Enríquez, 2010). Se procedió a separar los granos de cacao del resto del fruto, llevando ambas partes al secado, siguiendo el mismo procedimiento de las hojas. Finalmente se trituraron las hojas, frutos y granos. 4.3.3 Determinación de variables en el suelo y plantas de cacao El pH del suelo se determinó por potenciometría con la relación 1:2.5 (suelo-agua) utilizando técnicas descritas por Teixeira et al. (2017). El carbono orgánico del suelo 43 (COS) se analizó mediante el método de Walkley y Black (1934). El N total se determinó por digestión Kjeldahl (Bremmner y Mulvaney, 1983). Para la extracción de elementos biodisponibles (Cu, Fe, Zn, Mn, Cd) y los cationes como Ca, Mg y K se utilizó la solución extractora Mehlich 3 (Mehlich, 1984) tomando una relación suelo: agua 1:10 peso en volumen, y se realizó posteriormente el análisis por espectrofotómetro de absorción atómica de fuente continua de alta resolución de técnica por llama (FAAS). El Al intercambiable se extrajo con solución extractora KCl 1 M, según Díaz-Romeu y Hunter (1978). La capacidad de intercambio catiónico efectivo (CICE) se determinó mediante la sumatoria de cationes intercambiables (Ca, Mg, K) + Al. El porcentaje de saturación de aluminio se determinó como: Sat. Al (%) = Al (cmol(+) kg-1) /CICE * 100. El análisis físico granulométrico de textura del suelo se realizó usando la metodología de Bouyoucos (1962). Las concentraciones totales de Cd en suelo, hojas, frutos y granos de cacao se evaluaron por extracción asistida con microondas utilizando HNO3 y HCl concentrado, en una relación 3:1 y posteriormente analizadas por espectrofotometría de absorción atómica de fuente continua de alta resolución de técnica por llama, según metodologías EPA 3051A (USEPA, 2007). Con esta metodología se calcularon los límites de detección (LD), los límites de cuantificación (LC) y el R2 ajustado para los elementos evaluados y porciento de recuperación (Tabla 1). 44 Tabla 1. Determinación de los límites de detección (LD), cuantificación (LC) y R2 ajustado del espectrofotómetro de absorción atómica y porcentaje de recuperación de elementos extraíbles e intercambiables en el suelo y Cd total en suelo y plantas, evaluados en las 21 parcelas. No Elemento Unidades LD LC R2 (ajustado) Recuperación (%) Referencia (WHO, 1982) Recovery (%) 1 K intercambiable cmol (+) kg-1 0.037 0.112 0.996 100.6 2 Ca intercambiable cmol (+) kg-1 0.004 0.012 0.969 121.6 3 Mg intercambiable cmol (+) kg-1 0.128 0.383 0.992 109.4 4 Cu extraíble mg kg-1 0.0031 0.093 0.999 99.0 97 - 110 5 Zn extraíble mg kg-1 0.001 0.002 0.996 101.5 6 Fe extraíble mg kg-1 0.007 0.022 0.994 90.9 7 Mn extraíble mg kg-1 0.003 0.008 0.984 90.9 8 Cd total y extraíble mg kg-1 0.001 0.003 0.999 98.1 80 - 110 4.3.4 Análisis estadísticos Para la descripción de los datos se utilizaron estadísticas resumen e intervalos de confianza para los estimadores. Por otro lado, se realizó comparación de medias entre las 8 fincas estudiadas con la prueba LSD de Fisher (p<0.05). Se realizaron análisis de correlación lineal de Pearson en las 21 parcelas de las 8 fincas, para determinar la asociación entre las variables del suelo y el Cd en la planta. Para tener en cuenta el efecto conjunto de los variables fisicoquímicas del suelo sobre las concentraciones de Cd disponible se realizó un análisis de regresión lineal múltiple. Este mismo análisis se realizó para evaluar cómo el Cd biodisponible y las demás variables fisicoquímicas del suelo se relacionan con el Cd en la planta (hojas, frutos y granos). En las regresiones múltiples se usó el método de selección de variables Backward, y para evitar multicolinealidad se consideraron valores de inflación de varianza (VIF) menores a 5 (Balzarini et al., 2008). Los supuestos del modelo fueron evaluados mediante inspección gráfica de los residuos. Los análisis fueron realizados usando el software estadístico InfoStat versión 2022 (Di Rienzo et al., 2022). 45 4.4 RESULTADOS 4.4.1 Características generales de los suelos Se presenta en la tabla 2 el estudio de comparación de medias para los contenidos de minerales del suelo y textura del suelo extraídas a una profundidad de 0 a 30 cm para las 8 fincas cultivadas con cacao en un sistema agroforestal evaluadas en un suelo de orden Inceptisol . Los suelos de las 8 fincas mostraron alta acidez con un pH en H2O medio de 4.9. El contenido de MOS mostró un nivel medio de 5.2 %. Ambos parámetros (pH y MOS) al compararlos entre las fincas, no presentan significancias estadísticas con la prueba de LDS de Fisher (p-valor a 0.05). Seguido la concentración del N total que posee un valor medio de 0.34 %, presentando significancia entre fincas de p-valor (0.0001). La relación C: N media de las fincas presentó un valor en el suelo de 10.1. Se observa un valor en la media de la CICE de 19.1 cmol (+) kg-1 (Tabla 2), siendo este nivel de valor alto en suelos Inceptisol. De la misma forma, los elementos que forman parte del complejo de cambio (CICE) como los cationes intercambiables K, Ca y Mg, obtuvieron concentraciones altas. con medias de 0.20, 13.5 y 4.8 cmol (+) kg-1, respectivamente. La concentración media del Al intercambiable fue moderada, de 0.63 cmol (+) kg-1, con un nivel bajo de Sat. Al de 3.7 %, pudiendo encontrar en estas fincas diferencias significativas entre cada una de ellas. Los micronutrientes en el suelo presentaron, para la concentración de Cu, Zn, Fe y Mn extraídos por Mehlich 3, valores de 2.58, 3.74, 98.8 y 186 mg kg-1, respectivamente. Con respecto a la textura del suelo la mayor fracción corresponde a partículas de arena (54 %), seguida por el limo (29 %) y la arcilla (13 %), igualmente comparados con las demás variables mencionadas en el párrafo anterior, presentan valores estadísticamente significativos entre las 8 fincas estudiadas. 52 Tabla 7. Coeficientes de regresión múltiple para la relación entre Cd en hojas (Cdhojas) de cacao y las propiedades físicas y químicas en el suelo. Coeficiente Unidad Estimación E.E LI LS T p-valor CP Mallows VIF Regresión 95 % Constante -- -0.26 0.62 -1.51 1.00 -0.41 0.6810 Al intercambiable cmol (+) kg-1 0.50 0.18 0.13 0.86 2.78 0.0085 11.74 1.15 Limo % 0.02 0.01 3.2x10-3 0.05 2.32 0.0259 9.40 1.25 Arcilla % 0.04 0.02 3.2x10-3 0.07 2.21 0.0337 8.87 1.17 MOS % -0.15 0.07 -0.29 -2.7x10-3 -2.07 0.0461 8.27 1.15 Cdbd mg kg-1 22.37 10.62 0.82 43.91 2.11 0.0423 8.43 1.11 EE: Error estándar; LI: Límite inferior; LS: Límite superior; T: Estadístico -T; CP: Coeficiente predictivo; FIV: Valor de inflación de varianza; Al: Aluminio; MOS: Materia orgánica del suelo; Cdbd: Cadmio biodisponible. La relación entre cadmio en frutos (Cdfrutos) y las características fisicoquímicas del suelo pudo modelarse con 4 variables según el método backward (Tabla 8). El R2 ajustado del modelo fue de 0.44. Según el Cp de Mallows las variables que predicen la concentración de Cd en frutos son el Cdbd (15.75) y el Zn (8.97). Salvo por el Cdbd, que tiene una relación positiva con el Cdfrutos, las demás variables lo afectan negativamente. Tabla 8. Coeficientes de regresión múltiple para la relación entre Cd en frutos de cacao y las propiedades físicas y químicas en el suelo. Coeficiente Unidad Estimación E.E LI LS T CP Mallows VIF Regresión 95 % p-valor Constante -- 0.36 0.10 0.15 0.57 3.67 0.0021 Cd bd mg kg-1 11.4 3.19 4.63 18.2 3.57 0.0026 15.75 1.06 Al intercambiable cmol (+) kg-1 -0.09 0.05 -0.20 0.01 -1.97 0.0669 6.86 1.27 K intercambiable cmol (+) kg-1 -0.47 0.21 0.92 -0.02 -2.21 0.0423 7.87 1.17 Zn extraíble mg kg-1 -0.03 0.01 -0.05 -3.8x10-3 -2.44 0.0265 8.97 1.17 EE: Error estándar; LI: Límite inferior; LS: Límite superior; T: Estadístico -T; CP: Coeficiente predictivo; FIV: Valor de inflación de varianza; Cdbd: Cadmio biodisponible; Al: Aluminio; K: potasio intercambiable. La relación entre la concentración del cadmio en el grano de cacao (Cdgranos) y las características fisicoquímicas del suelo se modeló con 4 variables según el método backward (Tabla 9). El R2 ajustado del modelo fue de 0.68. Al igual que en el caso de Cd en fruto, la variable de mayor intervención para la concentración del Cdgranos fue el Cdbd con un Cp de Mallows de 35.23 y con una 53 asociación positiva, al igual que Mg y Arcilla. La única variable afectando negativamente la cantidad de Cdgranos fue el contenido de Zn. Tabla 9. Coeficientes de regresión múltiple para la relación entre Cd en granos de cacao y las propiedades físicas y químicas en el suelo. Coeficiente Unidad Estimación E.E LI LS T CP Mallows VIF Regresión 95 % p-valor constante -- -0.64 0.2 -1.06 -0.21 -3.19 0.0057 Cd bd mg kg-1 20.44 3.6 12.81 28.07 5.68 >0.0001 35.23 1.39 Zn extraíble mg kg-1 -0.03 0.01 -0.05 -2.7x10-3 -2.36 0.0313 8.57 1.11 Arcilla % 0.03 0.01 0.01 0.04 4.45 0.0006 21.01 1.87 Mg intercambiable cmol (+) kg-1 0.04 0.01 0.01 0.07 2.91 0.0103 11.46 1.89 EE: Error estándar; LI: Límite inferior; LS: Límite superior; T: Estadístico -T; CP: Coeficiente predictivo; FIV: Valor de inflación de varianza; Cdbd: Cadmio biodisponible; Zn: Cinc extraíble; Mg: potasio intercambiable. 4.5 DISCUSIÓN 4.5.1 Características generales de los suelos El valor del pH (5.1) encontrado en estas fincas se considera muy ácido de acuerdo con los valores de niveles críticos establecidos para suelos de Panamá (Name & Cordero, 1987) y se encuentra dentro del intervalo de valores medios reportados por Snoeck et al. (2016), que son 5.1 a 7.0. Este valor de pH encontrado en las 8 fincas evaluadas en las 21 parcelas pudiera favorecer la liberación de metal pesado Cd según la directiva Kelley CE 86/278 formulada por la Unión Europea en donde dictaminan que el valor del pH puede estar en intervalo de 5.0 a 6.0 (Norma Kelly CE 86/278 y USEPA, 1993). Los valores muy ácidos del pH permiten la mayor solubilidad de los elementos tóxicos como el Al intercambiable (que en promedio en este estudio fue de 0.7 cmol (+) kg-1) y el Cd. Esto es importante en el cultivo de cacao ya que los procesos de absorción del Cd son favorecidos cuando los pH son muy ácidos (Kirkham, 2006; Rieuwerts et al., 2015). De la misma forma al aumentar el pH en el suelo el Cd es adsorbido por los coloides (humus) bloqueando su biodisponibilidad (Liu et al., 2020). 54 Esto se pudo comprobar en el modelo de regresión (Tabla 6) donde se presentó el pH del suelo con un p-valor < 0.05 y un alto valor predictivo, indicando que el pH es la variable que mayormente interviene en el contenido de Cdbd. Arévalo-Gardini et al. (2016) y Florida (2021) afirman que la biodisponibilidad de Cd está estrechamente relacionada con valores del pH. Los contenidos medios de la MOS son mayores de 3 % (Tabla 2), siendo adecuados para el cultivo de cacao (Snoeck et al., 2016) ayudando a la vez a la nutrición del cultivo, mejorando la disponibilidad, por ejemplo, de N y P. Estos valores también contribuyen en la reducción de del Cd biodisponible en el suelo (Nieto y González, 2018). ((esa información es obvia) Por otro lado, la CICE (19.9 cmol (+) kg-1) está considerada como de nivel alto (Bertsch et al., 2005), mientras que el K intercambiable (extraído con Mehlich 3) se encuentra dentro del nivel crítico y los cationes intercambiables Ca y Mg son suficientes en un suelo clasificado Inceptisol (Cabalceta y Molina, 2006). Los microelementos (Cu, Zn, Fe y Mn) extraídos con solución extractora Mehlich 3, presentaron concentraciones altas superando los niveles críticos descritos para cada uno de ellos por Cabalceta y Molina (2006). El contenido de Zn en el suelo puede afectar la adsorción y absorción del Cd debido a su similar comportamiento biogeoquímico (Sikora y Wolt, 1986), ya que son elementos que compiten y por lo tanto el contenido de Zn afecta negativamente a la absorción de Cd biodisponible por parte de la planta. Pudo comprobarse en este trabajo (Tabla 6) donde el Cp de Mallows mostró que el Zn está dentro de las variables que puede predecir la biodisponibilidad del Cd del suelo (Alloway, 2013; Rojas-Cifuentes et al., 2012; Huamaní et al., 2012). Las parcelas evaluadas mostraron texturas franco arenoso, franco y franco arcillo arenosa (USDA, 2014). Los suelos francos (mezcla equilibrada de arena, limo y arcilla) pudiera tener un alto contenido de Cd total y biodisponible (Kabata-Pendias 2010) pero según estudios realizados por investigadores (Huamaní-Yupanquí et al., 2012; Chávez et al., 2015; Gramlich et al., 2018) en países como Perú, Ecuador, Honduras y Bolivia, informaron que puede haber una inconsistencia al correlacionarse con el contenido de arcilla debido a que todo depende de la estructura del mineral de la arcilla (p.e., 1:1 55 caolinitas y 2:1 esmécticas), siendo la más dominante en el trópico la arcilla 1:1 (Rieuwerts, 2007). Se puede destacar los elevados porcentajes de arena en algunos suelos, lo que puede favorecer la movilidad de Cd. Los suelos no presentar altos porcentaje de arcillas, pero sí alto contenido en arena, similar a los encontrados en estudios realizados en Ecuador por Moreno et al. (2016), representando un factor muy desfavorable debido a que puede haber una alta movilización del Cd desplazándose por lixiviación a superficies subyacentes a la profundidad de 30 cm (Kabata-Pendias, 2010; Kruszewskia et al., 2018; Gramlich, et al., 2018). 4.5.2 Concentración de Cd total y biodisponible en fincas productoras de cacao Las medias presentadas en la Tabla 2, para el Cd total y biodisponible en el suelo en las 8 fincas estudiadas, se encuentran por debajo de 0.43 para suelos agrícolas descritos por la Agencia del Medio Ambiente de los Estados Unidos de Norteamérica (USEPA), USEPA (2002) y de 1 mg kg-1 considerado como suelos no contaminados (Irfan et al., 2013). La concentración de los metales pesados (p.e., Cd) está ligada estrechamente al contenido de la MOS, la cual forma complejos organometálicos, inmovilizando la absorción de éstos por las plantas (Arévalo-Gardini et al., 2016). Investigadores como Cameselle y Gouveia (2019) mencionan que el Cd biodisponible en el suelo también puede variar debido a interacciones con otros metales. A su vez, la concentración de Cd en el suelo depende de la profundidad a la que es tomada la muestra (Goebes et al., 2019) y no siempre el Cd total en el suelo esta biodisponible (Rieuwerts, 2007). 4.5.3 Concentraciones de Cd en la planta La concentración de Cdhojas (Tabla 3) presentó niveles tolerantes para las plantas según Kabata-Pendias (2001) y Alloway (2013), quienes recomiendan que la concentración de Cd en la hoja debe estar entre (0.05 -0.5 mg kg-1). Los contenidos medios de Cdtotal en el suelo evaluados en las 8 fincas, presentaron diferencias estadísticas significativas al correlacionarse con el Cdgranos (Tabla 4). Resultados similares fueron reportados por Ramtahal et al. (2016) en Trinidad y Tobago en plantaciones de cacao. 56 En Cdhojas no presentó una correlación significativa con el Cdbd en el suelo, pero cuando se estudió esta relación junto a otras variables ésta fue significativa (Tabla 7). Esto puede deberse a que otros metales, como el Al, pueden interactuar con la absorción de este metal hacia la planta (Basta et al., 2005). Asimismo, los minerales del suelo están formados por óxidos como los de titanio, silicio, hierro, manganeso y aluminio, siendo los tres últimos los más importantes en la retención de metales pesados. Otros autores, como Huaraca- Fernández et al. (2020) se refieren a que el Cdbd en el suelo es asociado a iones (p. e., Carboxilos), y estos están relacionados con la MOS, que al aumentar su contenido disminuye la concentración de Cd biodisponible y afecta el Cdhojas (Tabla 7). Por otra parte, estudios realizados por Meter et al. (2017) mencionaron que el contenido Cd total en el suelo es un factor potencial para la absorción del metal hacia la planta. Podemos predecir entonces que la concentración de Cd en frutos (Tabla 8) y granos (Tabla 9) pudiera estar influenciada por el contenido de Cd biodisponible Cabe mencionar que según la Unión Europea no se cuenta todavía con niveles de tolerancia para Cd en granos de cacao (Barraza et al., 2017; Furcal et al., 2020) por lo que se toma como referencia el nivel de Cd para el chocolate con contenido de materia seca total ≥ 50 % del CODEX Alimentarius. Éste no debe sobrepasar de 0.80 mg kg-1 (FAO/WHO, 2017). Según Unión Europea en su reglamento No 488 (UE, 2014) este nivel también puede ser aplicable al fruto de cacao. En este estudio el Cd grano estuvo muy por debajo de este límite, con una media de 0.25 mg kg-1 4.6 CONCLUSIONES Las concentraciones de Cd biodisponible en las 21 parcelas de suelos Inceptisol son relativamente bajas a pesar de que el nivel medio del pH es ácido, no siendo este, el único factor que puede interferir en el contenido biodisponible de Cd en el suelo. El contenido de la materia orgánica del suelo presentó niveles medios, favoreciendo a la baja solubilidad de Al intercambiable. Los niveles de Cd biodisponible evaluados en las 8 fincas cultivados con cacao del distrito no superan los límites considerados como suelos contaminados por la Agencia del Medio Ambiente de los Estados Unidos de Norteamérica (USEPA). 57 Los modelos elaborados para el Cd biodisponible, Cd en hojas, frutos y granos de cacao pueden usarse para corregir algunas propiedades químicas y biológicas del suelo que pueden ser manejadas a nivel de parcelas, pudiendo realizar manejos edáficos como el encalado o uso de enmiendas orgánicas. Esto pudiera ayudar a incrementar el contenido de MOS en algunas fincas si la MOS fuera menor al 3 %, ya que se considera como nivel apto valores mayores al 3 % para el cultivo de cacao. En el caso de usar las enmiendas orgánicas (estiércol de pollo compostado) para disminuir el contenido de Al intercambiable en el tiempo y corregir los niveles muy ácidos del pH, ayudaría de forma simultánea a la inmovilización del Cd en el suelo para que no pudiera ser absorbida por las raíces y transferida a las otras partes de la planta. 58 5. CAPÍTULO III. EFECTOS DE LA APLICACIÓN DE CADMIO AL SUELO EN PLANTAS DE CACAO DEL CLON AS-CP 2661 Artículo sometido a Ciencia Agropecuaria 59 5. CAPÍTULO III. EFECTOS DE LA APLICACIÓN DE CADMIO AL SUELO EN PLANTAS DE CACAO DEL CLON AS-CP 2661 5.1 RESUMEN En este estudio, realizado en condiciones de casa de campo, se evaluó la absorción máxima de Cd en diferentes órganos de las plantas de cacao, así como la bioacumulación y traslocación que presenta el clon AS-CP 26-61, al aplicar diferentes concentraciones de Cd en el suelo. El suelo utilizado en las macetas fue de un área representativa del distrito de Almirante extraído a una profundidad de 0 a 30 cm, donde se cultiva cacao. Se utilizó un diseño completamente al azar, con 6 tratamientos y 3 repeticiones. El suelo fue tratado con CdSO4 diluido y aplicado en la superficie en dosis de 0 mg kg-1; 4 mg kg-1; 8 mg kg- 1; 12 mg kg-1;16 mg kg-1 y 20 mg kg-1. Pasados los seis meses, se tomaron muestras de suelos a dos profundidades (0 a 15 cm y 15 a 30 cm), así como de raíces, tallos y hojas, para conocer las concentraciones de Cd. Se analizaron los factores de bioacumulación y traslocación para conocer si el genotipo evaluado es hiperacumulador del Cd. Se pudo comprobar que a medida que se incrementaban las dosis de Cd aplicado aumentaron las concentraciones de Cd biodisponible en el suelo. Las hojas presentaron mayor concentración de Cd, seguido por las raíces y los tallos. El comportamiento de la planta de cacao con factores de bioacumulación del Cd mayor de 1 y de translocación menor a 1, se comporta como una planta fitoacumuladora. Se concluye que el clon evaluado ASCP-2661 no transfiere el metal de la raíz hacia el tallo y las hojas, en dosis aplicada en el suelo menores de 8 mg kg-1. Palabras claves: Acumulación de cadmio, disponibilidad Cadmio, Inceptisol, translocación, suelos ácidos. 60 5.2 INTRODUCCIÓN 5.2.1 Importancia económica del cultivo de cacao La planta de “cacao”, Theobroma cacao L., pertenece a la familia de las Malváceas, especie descrita por Linneo en el 1753 (Avendaño et al. 2011). La especie, originaria de la Amazonía, se cultiva en más de 50 países de regiones tropicales de 4 continentes (África, América, Asia y Oceanía), 23 de ellos en América. En todos estos países donde se cultiva el cacao, tiene gran importancia económica, social, ambiental y particularmente cultural, e impulsa las economías (FAO/OMG, 2014; Arvelo et al. 2017). Es destacable que en muchas partes del mundo es cultivado por pequeños agricultores, contribuyendo de esta manera al desarrollo rural (Lehmann et al. 2014). Siendo así, su producción representa una de las principales fuentes de ingreso para más de 50 millones de personas, contribuyendo al incremento del PIB de estos países (López, 2020). La comercialización del grano de cacao es afectada por la presencia de concentraciones altas de metales pesados (entre ellos el Cd), lo que perjudica a los productores de países que cultivan el grano de cacao, entre estos Panamá. En general, los valores de contenido de Cd en los granos de cacao reportados a través de América Latina y el Caribe (ALC) y otras partes del mundo, superan las regulaciones presentadas en el reglamento de la Unión Europea (UE) aplicados en enero del 2019 por la cual afectará a los productores de cacao en la región (Meter et al. 2019; Engbersen et al., 2019). Para lo antes expuesto, la UE 488/2014 incluye para niveles máximos de Cd los derivados del chocolate que se presentan a continuación: chocolate de leche con sólidos de cacao inferiores a 30 % una concentración de Cd de 0.1 mg kg-1; chocolate con sólidos de cacao inferiores al 50 % y chocolates con leche con sólidos de cacao superiores o iguales al 30 %, una concentración de Cd de 0.3 mg kg-1. Chocolates con sólidos de cacao superiores o iguales al 50 %, 0.8 mg kg-1; cacao en polvo un nivel de concentración de Cd de 0.6 mg kg-1. 61 Los factores edafoclimáticos y fisiológicos que influyen en la disponibilidad de los metales pesados, provocados por la toxicidad de ellos, se clasifican químicamente en leves, medios y altamente toxico, entre estos últimos está Cd, Pb y Hg por la cual no lo modifica ni el suelo ni la genética de la planta. De igual manera, estas pueden influir sobre el impacto ambiental que pueden tener los metales, regulando su disponibilidad en la fase residual o unido a la materia orgánica, lo que los hace reducir su impacto al tener menor posibilidad de ser absorbidos por las plantas (Bravo et al. 2014; Casteblanco, 2018). Entre las principales propiedades que se relacionan con la movilidad y disponibilidad de los metales pesados en el suelo se encuentran el pH, la materia orgánica del suelo (MOS), el contenido de arcilla, los óxidos, los carbonatos y el potencial redox (Alloway, 2013; Barraza et al., 2017; Argüello et al., 2019). Por otra parte, Alloway (2013) menciona que las concentraciones en el suelo de Cd de origen geológico generalmente no superan 1,0 mg kg-1. Los niveles elevados, alrededor de 16.3 mg kg-1, generalmente se asocian a procesos de meteorización y tipo de materia parental. Dos factores principales son considerados en este estudio que ayudarán a determinar la acumulación y traslocación del metal pesado (Cd) en la planta (Factor de bioacumulación con siglas en inglés (BCF) y traslocación de la planta (TF). 5.2.2 Factor de Bioacumulación (BCF) y translocación de la planta (TF) La absorción de metales pesados por la planta puede depender de diversos factores tanto químicos como físicos (p.e., textura superficial de la hoja, clima, temperaturas) que pueden llevar a una bioacumulación o translocación del metal (Cd) dentro de la planta (Shahid et al., 2019) y el ingreso del Cd se puede dar por absorción foliar y/o radical (Song et al., 2017). Además, el mayor problema en la planta de cacao es su capacidad de fitoacumular el Cd (Antoine et al., 2017). El cálculo del factor de bioacumulación (BCF) estima la relación entre los metales pesado-absorbidos en las plantas y las concentraciones medidas en el medio donde viven (suelo). Se utiliza como indicador de la capacidad de captación que presenta una planta a un metal pesado (Cd) presente en el sistema (Sut-lohmann et al., 2020). Si el BCF es mayor a 10 se considera potencialmente hiperacumulador. Si es mayor a 1 se considerada 68 USEPA (1992) contemplando un rango de 3-10 mg kg-1 de Cd en suelo superficial, considerando sitios excesivamente fitotóxicos aquellos que lo rebasan. Figura 1. Concentraciones de Cd total y biodisponible en el suelo determinadas a dos profundidades del suelo (0-15 cm y 15 a 30 cm) con incrementos de dosis de Cd aplicadas al suelo. 5.4.2 Niveles de concentraciones de Cd en hojas, tallos y raíces de cacao A pesar de que el Cd no es un elemento esencial para la planta, este estudio ayuda a comprender la importancia que tiene este metal en la absorción y acumulación en las partes de la planta (hojas, tallos y raíces de cacao). Las concentraciones de Cd en las partes de la planta en estudio aumentaron a medida que se incrementaban las dosis aplicadas en hojas>raíces<tallos. Las máximas concentraciones en hojas, raíces y tallo fueron en torno a 12.0, 9.0 y 6.0 mg kg-1, respectivamente, en dosis aplicada de Cd en el suelo de 16 mg kg-1. Otro estudio señala que la mayor concentración de Cd total lo tiene las raíces>tallos>hojas (Llatance et al., 2018). Estudios realizados por Torres and Otiniano, (2021) en 5 diferentes genotipos de cacao informaron que la mayor acumulación de Cd lo presentaron las raíces de cacao. Por otro lado, la absorción del Cd por la planta se debe a la biodisponibilidad del metal y no por el contenido total del Cd en el suelo (Lyubka et al., 2008). Total (Prof: 0-15 cm) Biodisponible (Prof: 0-15 cm) Total (Prof: 15-30 cm) Biodisponible (Prof: 15-30 cm) 04812 16 20 Cd aplicado (mg kg-1) 0.0 3.7 7.3 11.0 14.7 18.3 22.0 Concentración de Cd (mg kg-1) Total (Prof: 0-15 cm) Biodisponible (Prof: 0-15 cm) Total (Prof: 15-30 cm) Biodisponible (Prof: 15-30 cm) 69 El Cd y el Zn son algunos de los elementos que las plantas absorben en mayor cantidad a través de las hojas por ser metales muy móviles en el suelo (Intawongse & Dean, 2006) Este metal es transportado por la xilema directamente hacia las hojas (Sêkara et al. 2005). Algunos autores, como Engbersen et al. (2019), demostraron que el orden de absorción del Cd varía con el genotipo cultivado. Esto mismo fue divulgado por Song et al. (2016), quienes mencionan que la menor o mayor concentración de Cd en la planta de cacao, está influenciado material genético utilizado. Por esta razón, se debe tomar en cuenta el portainjerto para los estudios, ya que juegan un factor muy importante en la absorción de los metales pesados (Albacete et al., 2015; Lewis et al., 2018) aunque hace falta realizar comparaciones con otros tipos de clones de cacao. Figura 2. Concentraciones de Cd en hojas, tallos y raíces de cacao del genotipo AS-CP-2661 al incrementar dosis de Cd aplicadas al suelo. Letras diferentes representan no significancias estadísticas en la prueba LSD de Fisher (p<0.05). 5.4.3 Relación de la concentración de Cd en la planta con el suelo En esta sección se relacionan las concentraciones de Cd total y disponibles en el suelo con los niveles en la planta, para lo que se aplicaron correlaciones de Pearson, cuyos resultados se muestran en las tablas 3 y 4. Las concentraciones de Cd en hojas, tallos y, en menor medida, raíces, se relacionaron con los niveles de Cd total y biodisponible en el suelo. Se observaron 70 similares resultados para las dos profundidades, con valores positivos para las hojas (r=0.789 y 0.624), tallos (r=0.696 y 0.565) respectivamente (Tabla 3). Y correlaciones positivas en hojas (r=0.754 y 0.657) y tallos (r=0.696 y 0.679) respectivamente te (Tabla 4). Las dosis aplicadas e incrementadas de Cd en el suelo, pudo transferir muy rápido la concentración del Cd de las raíces, translocando el metal por medio del xilema y floema la concentración de Cd en el tallo y hojas (Serrano et al., 2008). Estudios realizados en Perú por Borjas-Ventura et al. (2022), donde se utilizaron cuatro dosis crecientes de Cd aplicados al suelo (0, 50, 100 y 150 mg kg-1), encontraron tendencias similares a las de este estudio, en donde el contenido de Cd en la planta aumentaba a medida que se incrementaban las dosis aplicadas en el suelo. Estos mismos autores señalaron al comparar los dos genotipos estudiados (POUND-7 y el CCN-51) que la mayor acumulación de Cd la obtuvieron las raíces en el genotipo (POUND-7) y en el CCN-51 la mayor acumulación la obtuvo la parte aérea. El Cd puede ser absorbido por la raíz utilizado como transportadores el Ca, Fe y Zn (Pernía et al., 2008). Esto fue comprobado por el mismo autor Pernía et al. (2008) al medir la cantidad de exudados que presentaban las raíces, modificados por la actividad de la enzima H + ATP por medio de la producción de exudados carboxilatos haciendo biodisponibles los metales presentes en el suelo y almacenándolos en los diferentes partes de la planta (tallos y hojas). Tabla 3. Índices de Correlación de Pearson para Cd total y biodisponible en el suelo (0-15 cm) y su efecto en las partes de la planta. Profundidad (0 a 15 cm) Cd Total p-valor Cd Biodisponible p-valor Unidades Cd hojas mg kg-1 0.789 0.0001** 0.624 0.006** Cd tallos mg kg-1 0.696 0.0001** 0.565 0.015** Cd raíces mg kg-1 0.427 0.077 0.185 0.461 ** Altamente significativo (pvalor 0.01) 71 Tabla 4. Correlación de Pearson para Cd Total y Biodisponible en el suelo y su efecto en las partes de la planta en la profundidad de 15 a 30 cm. Profundidad (15 a 30 cm) Cd Total p-valor Cd Biodisponible p-valor Unidades Cd hojas mg kg-1 0.754 0.0001** 0.657 0.003** Cd tallos mg kg-1 0.696 0.001** 0.679 0.002** Cd raíces mg kg-1 0.391 0.109 0.21 0.403 ** Altamente significativo (pvalor 0.01) 5.4.4 Factores de bioacumulación (BCF) y translocación de la planta (TF) El factor de bioacumulación (FBC) y factor de translocación (FT) son indicadores críticos para evaluar la capacidad de una planta para acumular metales (Ahmadreza et al., 2020). Los factores de bioacumulación (BCF) y translocación de la planta (TF) se presentan en la tabla 5, para las partes de la planta del genotipo mejorado AS-CP 2661 con dosis crecientes de Cd aplicado al suelo en dos profundidades (0-15 cm y 15-30 cm). En ambas profundidades estudiadas, el BCF llega a decrecer a medida que aumentan las dosis aplicadas en el suelo, manteniendo luego una tendencia cuando sobrepasa la dosis de Cd de 8 mg kg-1. Esto pudo deberse al proceso de hormésis (refiriéndose al proceso en que la exposición a una dosis baja de un agente químico que es dañino en dosis más altas induce un beneficio sobre la célula o el organismo; Calabrese et al., 2007). Por otro lado, en la tabla 5, se presenta el factor de translocación en las hojas y tallos de cacao. Este factor (TF) presentó valores muy interesantes, ya que, al aumentar las dosis de Cd aplicadas al suelo, el factor de translocación en las hojas se incrementó hasta llegar a la dosis de 12 mg kg-1. Mientras que, en los tallos, el factor de translocación se incrementó a medida que se aumentaban las dosis de Cd aplicadas al suelo. Tomando la dosis aplicada de Cd 12 mg kg-1 en ambas profundidades y los factores evaluados, podemos interpretar en este estudio que el BCF es mayor a 1 y el TF es menor a 1. Este genotipo evaluado se comporta como una planta fitoacumuladora o fitoextractora 72 (Baker, 1981; Clemente et al., 2021) y no transfiere la concentración de Cd absorbido en las raíces hacia su parte aérea (Alvarado et al. 2011). Tabla 5. Factores de bioacumulación (BCF) y translocación (TF) de la planta de cacao y partes de ella (hojas, tallos y raíces) aplicado al genotipo mejorado AS-CP-2661. Dosis BCF BCF TF TF Aplicadas Planta Planta Hojas Tallos mg kg-1 PROFUNDIDAD 0-15 15-30 FACTORES 4 7 9 0.7 0.51 8 5 4 0.98 0.61 12 3 3 1.68 0.84 16 3 3 1.48 1.14 20 3 3 1.18 1.75 BCF: Factor de bioacumulación; TF: Factor de translocación 5.5 CONCLUSIONES Al aplicar dosis crecientes de Cd en el suelo, ayudó a comprobar la movilidad del metal pesado desde la dosis más baja a la más alta. La mayor acumulación de Cd que obtuvo la planta de cacao la presentó en las hojas, seguido de las raíces y tallos. Tomando como referencia el factor de bioacumulador en la planta (mayor a 1), el Clon mejorado AS-CP 2661 se considera como una planta fitoacumuladora o fitoextractora, absorbiendo el contaminante (Cd) por las raíces, pero no logra movilizarlo hacia el tallo y hojas ya que el factor de transferencia o traslocación es menor a 1. Altos contenidos de Cd en el suelo (mayores de 12 mg kg-1) pueden provocar la alta transferencia del metal hacia las partes aéreas de la planta (hojas y tallos). Se debe realizar ensayos similares, utilizando otros tipos de genotipos mejorados y evaluando otros patrones de injertos para conocer si aumentando las dosis de concentraciones del Cd u otro metal pesado puede afectar el comportamiento de absorción de la planta. 73 CAPÍTULO IV. EFECTO DEL ÍNDICE DE ESTRES HÍDRICO SOBRE EL ESTADO VEGETATIVO DE LA PLANTA DE CACAO Artículo sometido a Ciencia Agropecuaria 74 6. CAPÍTULO IV. EFECTO DEL ÍNDICE DE ESTRES HÍDRICO SOBRE EL ESTADO VEGETATIVO DE LA PLANTA DE CACAO 6.1 RESUMEN En este estudio se evaluó de forma preliminar el índice de estrés hídrico como indicativo de la absorción del agua por la planta y su efecto en el crecimiento vegetativo del cultivo de cacao. Consistió en un estudio en dos ambientes (casa de vegetación y en campo), durante el 2020 y 2021, realizados en el distrito de Almirante, Bocas del Toro (Panamá). En la casa de vegetación se evaluaron 4 tratamientos con 5 repeticiones (20 plantones) en un diseño completamente al azar. Los tratamientos consistieron en distintos regímenes de riego, donde el T1= Testigo (agua ocasional); T2 = 60 % de humedad; T3= capacidad de campo; T4= punto de marchitez permanente. El segundo ensayo se realizó en una plantación de cacao donde se monitorearon 24 plantones. En ambos ambientes se utilizaron plantones de tres meses de edad del genotipo de cacao AS-CP 26-61, mejorado. En ellos se midieron el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), la temperatura del suelo y de la planta (hojas). Los datos en el primer estudio se monitorearon hasta que las plantas del T 4 murieran. El otro ambiente se evaluó en un periodo de nueve meses haciendo coincidir los meses de mayor y menor precipitación. Se encontró que con un intervalo de humedad en las hojas de 20 a 62 % el cultivo presentará un NDVI de 0.40 a 0.80, siendo mayormente favorable valores próximos a 1. Por otro lado, para el período estudiado el cultivo mostró estrés hídrico en los meses de marzo y mayo. Se concluye que la planta presentó un buen vigor vegetal según el NDVI, aunque estuvo afectada con un índice de estrés hídrico por temperatura en dos meses no consecutivos lo que podría afectar las distintas fases fenológicas repercutiendo en la baja producción. Palabras claves: Humedad, medio ambiente natural, temperatura, índice vegetación de diferencia normalizada. 75 6.2 INTRODUCCIÓN El estrés hídrico afecta a la planta de cacao en el crecimiento inicial, retrasando el desarrollo vegetativo y provocando, en muchos casos, efectos desventajosos en el metabolismo y fotosíntesis (García, 2014; Janani et al., 2019). El estrés hídrico de la vegetación es causado principalmente por déficit de humedad en la zona de la raíz debido a la baja humedad en el suelo, haciendo que las hojas de las plantas cierren sus estomas para minimizar la perdida de agua por transpiración (Girolimetto, 2014). La especie Theobroma cacao L es considerada como una planta hidro periódica, siendo la humedad del suelo un factor ambiental principal que induce los brotes vegetativos y estimula la floración. La sequía puede afectar negativamente a los procesos fisiológicos del cultivo (García y Moreno, 2016), como la fructificación y madurez del fruto de cacao (Sosa y Ramírez, 2020). Los cambios ambientales (altas temperaturas, bajas frecuencias de lluvias) activados por la sequía para el cultivo de cacao han sido estudiados por varios investigadores, entre estos Daymond and Hadley (2004) y Balasimha et al. (2013). Cuando los árboles evapotranspiran durante las temperaturas altas, la humedad resultante acumulada en el suelo en meses húmedos no es suficiente para satisfacer la demanda de agua en la planta (Medina and Laliberte, 2017). La diferencia que existe entre la temperatura del cultivo y la temperatura del aire y del suelo han sido empleados como índices asociados al estado hídrico de la vegetación (Nicols et al., 2010). En general, el cacao necesita precipitaciones uniformes repartidas en todo el año con precipitaciones promedios que oscilan entre 1500 y 2800 mm por año con un mínimo mensual de 100 mm (ICCO, 2018). El potencial hídrico en el tejido foliar y el crecimiento de la planta de cacao se pueden describir como variables fisiológicas muy sensibles al exceso o déficit de agua (García Lozano y Moreno, 2016). 76 Por otra parte, el cambio climático ha afectado las fases vegetativas del cultivo de cacao lo que ha hecho que tomen mayor importancia los estudios de variación de régimen de lluvia y temperatura (suelo y planta) que pueden interferir en el excesos o déficit de humedad (Lau et al 2011). El uso de instrumentos aplicados a la agricultura que ayuden a determinar el NDVI, como es el caso del GreenSeekerTM, ayudan a diagnosticar diferentes tipos de estrés y estados fisiológicos, como deficiencias o excesos de nitrógeno (amarillamiento o verdor en la planta), estado fisiológico y diversos tipos de estrés hídricos. Varios investigadores lo han utilizado con éxito en estudios con otros cultivos (Samborskí et al., 2009; Gutiérrez-Soto et al., 2011; Barahona- Amores et al. 2018; Núñez-Cano et al., 2018). 6.2.1 Consecuencias suscitadas en el cultivo de cacao por falta de lluvia en el momento adecuado. Los productores de algunas regiones de América (p.e., República Dominicana, Costa Rica, Ecuador y Panamá) detectan mermas de la producción, atribuidos a la aparición de plagas y enfermedades, en muchos casos debido a la poca precipitación en algunas de las fases fisiológicas del cacao afectando la producción (Medina y Laliberte, 2017; Herrera et al., 2018; Sosa y Ramírez, 2020). Ante las condiciones climáticas variables en el Caribe, donde cada vez se presentan temporadas largas sin lluvias (Samaniego, 2021), es necesario conocer si la absorción de agua por el cultivo es suficiente para evitar el estrés en los árboles. Se hace necesario buscar herramientas que nos ayuden a conocer si las plantas de cacao pueden presentar un estrés hídrico que afecte a largo plazo los rendimientos del cultivo. El objetivo de este ensayo es evaluar de forma preliminar el índice de estrés hídrico como indicativo de la absorción del agua por la planta y su efecto en el crecimiento vegetativo del cultivo de cacao. 6.3 MATERIALES Y MÉTODOS 6.3.3 Descripción general de la zona de estudio El estudio se realizó en el distrito de Almirante, Bocas del Toro (Panamá). El Clima de Bocas del Toro según Köppen (1936), actualizado por Peel et al. (2007), se clasifica como clima tropical muy húmedo. La precipitación media anual es 2735 mm. 77 La temperatura media anual se encuentra en 24.3 °C (IGNTG, 2007). Esto ha variado mucho ya que la temperatura media entre 1901 y 2012 en las regiones de América Latina y el Caribe ha aumentado de 0.5 °C a 3 °C, disminuyendo de las precipitaciones, debido a la influencia del cambio climático, provocando como consecuencia la reducción de lluvias al norte de la República de Panamá y Centroamérica (Bofill, 2022). Por otro lado, el material genéticamente mejorado como el Clon colección Panamá (AS-CP 26-61) fino de aroma se utilizó en este por sus altos rendimientos y alta calidad (Gutiérrez, 2020) pudiendo ser de gran interés para los productores de Panamá, aunque se cuentan con otros más que no fueron evaluados en este estudio. 6.3.2 Diseño experimental de los ensayos de investigación El estudio consistió en evaluar en dos ambientes distintos el índice de estrés hídrico por efecto de la temperatura del suelo y cultivo, tomando en cuenta el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) y la humedad del cultivo, durante el 2020 y 2021. La primera investigación se realizó en ambiente semi controlado (Figura 1), en una casa de vegetación. El segundo estudio se realizó en ambiente natural o campo abierto (Figura 2) para lo que se seleccionó un cultivo comercial de cacao, colindante a la casa de vegetación en el distrito de Almirante, Bocas del Toro (Panamá), cuyas coordenadas geográficas son 9° 16’ 33’’de latitud Norte y 82° 25’ 6’’ de longitud Oeste En ambos ambientes se utilizaron plantones de tres meses de edad de un genotipo de cacao criollo mejorado y codificado en Panamá AS-CP 26-61. 84 Figura 4. Comportamiento del índice hídrico para la temperatura del suelo y el cultivo en el ambiente natural o campo abierto en el cultivo de cacao del Clon genotipo AS-CP-2661. Se puede observar en la figura 5, la biomasa aérea inicial y final en la planta de cacao cuando es sometida a distintos regímenes de humedad del suelo en el ensayo de ambiente semi controlado y a su vez en el ambiente natural. Los valores obtenidos en el testigo en la biomasa aérea inicial y final fueron mayores a los valores presentados en el ambiente natural. Esto pudo deberse a que al testigo (ubicado en la casa de vegetación) se le suministró agua ocasionalmente (precipitación pluvial o riego artificial) y el del ambiente natural fue interrumpido por periodos largos sin precipitación pluvial. El tratamiento de 60 % de humedad en el suelo, fue el que mayor biomasa aérea inicial y final obtuvo al compararse con los demás tratamientos evaluados. Los valores de la biomasa aérea fina observada en el ensayo del ambiente natural fueron menores a las demás evaluadas comparada con el tratamiento con 60 % de humedad del suelo y que mayor significancia estadística obtuvo. Esto pudo deberse a que, en los meses de marzo y mayo en el ensayo realizado en ambiente natural, las plantas de cacao presentaron un estrés hídrico en temperatura observada en la figura 4. El estrés hídrico influye directamente en la biomasa de los árboles reduciendo el crecimiento vegetativo (Singh y Singh, 2006; Pedrero et al., 2014; García Lozano y Moreno Fonseca, 2016), que en muchos casos se debe al desarrollo del sistema radicular 85 la cual son limitados ante condiciones bajas de humedad (Lüttge, 2007; Chen et al., 2016; Drechsler et al., 2019). De igual manera, según Osorio et al. (2017) en investigaciones realizadas en Colombia en plantas híbridas de cacao IMC 67, encontraron una relación directa entre la temperatura del suelo y la temperatura de las hojas e indirecta con la humedad del suelo, concluyendo en que las hojas de cacao regularon la temperatura a 25 °C, con un límite mínimo de humedad del suelo de 27 %. Figura 5. Comparación de la biomasa aérea inicial y final en planta de cacao cuando es sometida a distintos regímenes de humedad del suelo en ambiente semi controlado identificado con un (*) y el ambiente natural. Ambos ensayos se realizaron con el mismo tipo y edad de planta y el mismo período. CC: capacidad de campo; PMP: punto de marchitez permanente. Letras diferentes representan no significancias estadísticas en la prueba LSD de Fisher (p<0.05). 6.5 CONCLUSIONES El índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), basado en diagnosticar los diferentes tipos de estrés y estados fisiológicos en la planta de cacao, ayudó a relacionar el porcentaje de humedad del cultivo con el estrés hídrico que presentan las plantas de cacao en un período de crecimiento durante sus fases vegetativas. El uso de esta herramienta (GreenSeekerTM ) en el monitoreo de las plantas utilizando puede ayudar a detectar el estrés hídrico y a predecir la respuesta fisiológica que las 86 plantas de cacao pueden presentar ante un evento de sequías, y luego realizar correctivos a corto, mediano y largo plazo. La disponibilidad de agua derivo en un efecto directo en la biomasa aérea de la planta de cacao, ayudando a demostrar que es una planta hidro periódica, siendo los periodos lluviosos el principal factor en la inducción de brotes vegetativos, que en casos contrarios o extremas sequía y altas temperaturas puede tener un efecto irreversible en la producción. El asocio agroforestal en forma equilibrada en el ambiente natural pudo haber ayudado al almacenamiento de agua en el suelo, evitando la excesiva transpiración de la planta de cacao. 87 CONCLUSIONES GENERALES 88 CONCLUSIONES GENERALES Durante este estudio, que tuvo como finalidad aportar una línea base para mejorar la producción de cacao y hacer una primera exploración sobre los diferentes actores que potencialmente podría afectar la producción y calidad del cultivo, como el Cd o el efecto de la sequía temporal en la región de Almirante, en Bocas del Toro, República de Panamá, se llegaron a las siguientes conclusiones organizadas en los cuatro capítulos de esta tesis. Capítulo I. Conclusión general: El efecto del estiércol de pollo compostado mejora las propiedades de los suelos y la nutrición de cultivos de cacao en sistemas agroforestales en Bocas del Toro, Panamá. Conclusiones parciales: El estudio identificó limitaciones de fertilidad en el suelo que derivan en deficiencias de elementos esenciales en la planta de cacao y que explican, al menos en parte las bajas producciones del cultivo. La enmienda con estiércol de pollo compostado ayuda a mejorar la biodisponibilidad de nutrientes en el suelo los niveles de elementos (N, P y K) en el suelo y a disminuir las concentraciones de Al intercambiable. Los tratamientos mejoraron la nutrición de la planta en cuanto al N, P y K, manteniendo niveles óptimos de Ca y Mg, mejorando a su vez el desarrollo vegetativo en el cultivo de cacao. La biomasa vegetal del cultivo de cacao aumentó en un 30 % del valor inicial. En las condiciones del suelo estudiadas se necesitan dosis de 20 a 25 Mg ha-1 de estiércol de pollo compostado para aumentar los elementos esenciales en el mejoran la nutrición de la planta y promueve el crecimiento del cultivo. 89 Capítulo II. Conclusión general: Se conoció las concentraciones de metales pesados en los suelos y se identificaron los principales factores que explican su variabilidad donde se produce cacao de forma orgánica en la región de Almirante en Bocas del Toro. La concentración de Cd en el grano de cacao en las 8 fincas estudiadas, se encuentra por debajo de las normas establecidas por la Unión Europea (0.6 a 0.8 mg kg-1) en la elaboración del chocolate con contenido de materia seca total ≥ 50 % del CODEX Alimentarius. Conclusiones parciales: Las concentraciones de Cd biodisponible en fincas de productores del área del distrito de Almirante se encuentran relativamente bajas tomando los niveles de referencia publicados por la Agencia del Medio Ambiente de los Estados Unidos de Norteamérica (USEPA). El contenido de MOS del suelo presentó contenidos mayores al 3.0 %, considerado como satisfactorio para el crecimiento y desarrollo de la planta de cacao. Este contenido ayudaría a que el Al intercambiable y Cd biodisponible no sea soluble en el suelo, transfiriendo las concentraciones tóxicas hacia las plantas. El uso de modelos predictivos elaborados para el Cd en el suelo, hojas, frutos y granos de cacao, ayudaran a conocer a nivel de fincas el uso de algunas enmiendas orgánicas que ayudaran a corregir algunas propiedades químicas y biológicas del suelo. Capítulo III. Conclusión general: Se pudo conocer la concentración máxima de Cd en hojas, tallos y raíces del Clon AS-CP-26-61 que sirvió para identificar la toxicidad de este metal pesado que puede ser retenido o transferido desde el suelo a la planta. Conclusiones parciales: Al aumentar la dosis de Cd en el suelo en este estudio, ayudo a comprobar la movilidad del Cd en el suelo, derivando a la mayor acumulación del metal en la planta estudiada en el genotipo mejorado (AS-CP 2661) de cacao. Las hojas es el órgano de la planta con mayor acumulación de la concentración del Cd, seguido de las raíces y por último el tallo. Se Comprobó que en el factor de bioacumulación en la planta con valores mayores a 1 el genotipo estudiado puede ser fitoacumuladora. A la vez este genotipo puede inmovilizar 90 la mayor parte de la concentración de Cd por las raíces, hacia la parte aérea de la planta si la concentración de este metal no excede a los niveles de 12 mg kg-1. Se debe realizar ensayos similares, utilizando otros tipos de genotipos mejorados y evaluando otros patrones de injertos para conocer si aumentando las dosis de concentraciones del Cd u otro metal pesado puede afectar el comportamiento de absorción de la planta. Capítulo IV. Conclusión general: El índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) utilizando como herramienta el sensor portátil GreenSeekerTM sirvió para relacionar el porcentaje de humedad del cultivo con el estrés hídrico en el cultivo de cacao. Conclusiones parciales: El empleo de herramientas sirvió como ayuda para detectar el estrés hídrico, en el momento en que la planta de cacao pueda presentar un estrés hídrico debido a eventos (falta de lluvia y altas temperaturas) en etapas fisiológica (floración) que pudieran repercutir a mermas del grano de cacao, ayudando a realizar correctivos a corto, mediano y largo plazo. El estudio en el ambiente semi controlado sirvió para determinar la disponibilidad de agua, por la cual sostuvo un efecto directo en la biomasa aérea de la planta de cacao, ayudando a demostrar que es una planta hidro periódica (necesidad de agua en cualquiera etapa fisiológica). 91 8 REFERENCIAS GENERALES 92 8 REFERENCIAS AbuShady, M., Fathy, H., Fathy, G., A., Abd El Fatah, S., Ali, A., Abbas, M. (2017). Blood lead levels in a group of children: the potential risk factors and health problems. Journal de Pediatria , 93(6), 619–624. https://doi.org/10.1016/j.jped.2016.12.006 Afrifa, A. A. A. A., Dogbatse, J. 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