El nitrógeno (N) es un elemento importante en el desarrollo de todos los organismos ya que forma parte de la estructura de los aminoácidos, ácidos nucleicos, proteínas y componentes celulares ¹. Sin embargo, en el suelo es uno de los nutrimentos más limitantes. La atmósfera contiene un 78 % de N, pero este se encuentra en formas no disponibles para la mayoría de los seres vivos y solo puede ser utilizado por un grupo de microorganismos altamente especializados, las bacterias fijadoras de N, que se asocian con diferentes especies vegetales, fundamentalmente las leguminosas, para realizar este importante proceso natural ².

En los agroecosistemas de cafetales, es de suma importancia mantener niveles adecuados de N para garantizar producciones estables y sostenibles. En ese sentido, se han obtenido resultados que optimizan el empleo de fertilizantes minerales nitrogenados para alcanzar rendimientos máximos estables; sin embargo, es necesario tener en cuenta la importancia de otros componentes del agroecosistema para mantener y elevar las entradas y el reciclaje del elemento, de forma aprovechable por el cultivo ³. Los elevados precios de los fertilizantes minerales en el mercado mundial y los efectos negativos al medio ambiente que puede provocar su uso inadecuado, hacen necesario investigar de forma más exhaustiva el aporte de nitrógeno que pueden realizar otras fuentes orgánicas dentro de los cafetales, no solo fuentes externas, sino fundamentalmente, de los componentes de los agroecosistemas cafetaleros.

En ese sentido, los cafetales en sistemas agroforestales con árboles de sombra ejercen un control sobre los recursos hídricos, pues se mitiga el déficit de agua en períodos de sequía, además de ayudar en la fertilidad del suelo, minimizan la erosión, reciclan nutrimentos y aportan gran cantidad de materia orgánica ⁴. En este tipo de agroecosistemas, se prioriza la inclusión de arbóreas de uso múltiple, pero también es fundamental considerar la inserción de especies que realizan la Fijación Biológica del Nitrógeno (FBN) como forma natural de incorporar este elemento al suelo ⁵.

Entre los árboles utilizados en la sombra de cafetales se encuentran la gliricidia (Gliricidia sepium (Jacq) Walp.), el algarrobo (Samanea saman (Jacq) Merril), entre otras especies arbóreas leguminosas ⁶. Los cafetales establecidos en sistemas asociados con árboles pueden generar ingresos adicionales a los productores, tanto desde el punto de vista de la venta de frutas, maderas, entre otros productos forestales, como por servicios ambientales ⁷.

Es por estas razones que se hace necesario, en aras de contribuir a una estimación del balance del N en los agroecosistemas de cafetales, cuantificar el aporte de los árboles de sombra que lo componen, a través de la estimación del proceso de fijación biológica del N (FBN).

En ese sentido, se realizó este experimento en dos zonas cafetaleras del Oriente de Cuba, con el objetivo de cuantificar la producción de masa seca y el contenido de N de dos leguminosas empleadas como árboles de sombra en el ecosistema cafetalero y, a partir de esas determinaciones, estimar la FBN por el método de la diferencia de N total.

La investigación se desarrolló durante un período de cuatro años (2004-2007) en dos localidades de los macizos montañosos Sierra Maestra y Sagua-Nipe-Baracoa. Una fue la localidad Tercer Frente (sitio Cruce de los Baños), situada a los 20º09´latitud N y 76º16´longitud O, a 35 km ONO de la ciudad de Santiago de Cuba, a 150 m s.n.m., en el municipio Tercer Frente, macizo Sierra Maestra, con sombra predominante de Samanea saman (Jacq) Merril.

La segunda localidad fue La Alcarraza, situada en el municipio Sagua de Tánamo, macizo Nipe - Sagua - Baracoa, a los 20º35´ latitud N y 75º15´longitud O, a 118 km ESE de la ciudad de Holguín, con una altura de 300 m s.n.m., con sombra predominante de Gliricidia sepium (Jacq) Walp. Algunas propiedades de los suelos se presentan en la Tabla 1.

Para el análisis químico del suelo, se emplearon los siguientes métodos ⁸: pH (H₂O) por el método potenciométrico, con relación suelo:solución de 1:2,5; materia orgánica (% M.O) por el método de Walkley y Black; P asimilable por extracción con H₂SO₄ 0,1 N con relación suelo:solución 1:2,5; cationes intercambiables (cmol_c kg^-1) por extracción con NH₄Ac 1 Mol L^-1 a pH 7 y determinación por complejometría (Ca y Mg) y fotometría de llama (K y Na).

La cuantificación de la fitomasa del cafeto (hojas) y de los árboles de sombra (hojas, frutos, flores y raquis) se realizó mensualmente, desde enero a diciembre, en las dos localidades y durante los cuatro años evaluados.

La estimación de la cantidad de hojarasca caída de los árboles de sombra en cada localidad se realizó por medio de mantas de nylon de polietileno de 1m x 1m. Se seleccionaron al azar en cada área experimental, cuatro árboles de sombra y se colocaron ocho mantas por árbol, cuatro en la calle y cuatro en la hilera del cafeto ⁹. En el caso del cafeto, se recolectó también el aporte de los deshijes y podas.

En todos los casos se determinó la masa seca (secado de cada órgano a 70 ºC hasta obtener masa constante) y se expresó en t ha^-1, así como el correspondiente análisis químico de N, mediante digestión húmeda con H₂SO₄ + Se y determinación colorimétrica con el reactivo de Nessler y expresado en porciento de masa seca por órganos ⁸. Con estos valores se calcularon las extracciones de N, de cada órgano del cultivo en todos los años evaluados, de acuerdo con la siguiente expresión:

Extracción de N por órgano (kg ha^-1) = [Masa seca (kg ha^-1) * % N en cada órgano]/100

A partir de estos datos, se calculó la FBN por el método de la diferencia de N total mediante la fórmula propuesta por Resende y colaboradores ¹⁰:

% FBN =((Contenido N fix-Contenido N ref)/(Contenido N fix)( * 100

donde: fix = planta fijadora, Ref = planta no fijadora

Se consideraron como plantas fijadoras a los árboles de sombra de los géneros Gliricidia o Samanea, según la localidad y como planta no fijadora al cafeto, tomándose las muestras de esta última especie de parcelas que no recibieron aplicaciones de fuentes nitrogenadas.

Análisis estadístico: a todas las variables evaluadas se les determinó la media aritmética y el intervalo de confianza de las medias. Esta última mediante la fórmula:

IC=  ± t _α(2)(n-1) S/√n

donde: IC=intervalo de confianza, =media aritmética, S=desviación estándar. n=número de observaciones, t=estadígrafo t de student de la prueba de hipótesis, α=0,05 para un nivel de confianza del 95 %. Se empleó el programa estadístico STATGRAPHICS Centurion XV versión 15.2.14.

El comportamiento de la masa seca del cafeto y los árboles de sombra durante los cuatro años evaluados se presentan en la Figura 1. Los valores de masa seca del cafeto oscilaron entre 1,23 y 1,75 t ha^-1, en correspondencia con los reportados para la especie C. canephora en Cuba ¹¹ y que, a su vez, son superiores a los obtenidos en diferentes sistemas agroforestales con C. arabica bajo sombra, donde se obtuvieron entre 1,19 y 1,35 t ha^-1 año^-1 de masa seca ¹².

Es de destacar que en los dos sitios experimentales, las cantidades de masa seca del cafeto fueron semejantes, al igual que la masa seca de las dos especies de árboles de sombra y estas, a su vez, fueron superiores a los valores de masa seca del cafeto en todos los años de realizadas las evaluaciones, esto se debe al diferente porte entre las especies estudiadas.

Los aportes de masa seca de los árboles de sombra tuvieron poca variación de un año a otro, oscilando entre 2 a 3 t ha^-1, excepto en el tercer año evaluado, que alcanzaron valores superiores a las 3 t ha^-1. Esto se debe a que los árboles de sombra están en equilibrio y anualmente pueden esperarse, dependiendo del régimen de precipitaciones, un comportamiento homogéneo en las dos zonas, pero variando entre especies ¹³.

Así, la hojarasca de Gliricidia sepium puede aportar como media de los años evaluados 2,51 t ha^-1 de masa seca, mientras que Samanea saman lo hace anualmente (media de los años evaluados) para 2,58 t ha^-1 de masa seca de las hojas.

El aporte al agroecosistema cafetalero por Samanea samán puede llegar a 2,3 t ha^-1 de masa seca ¹⁴, valores semejantes a los encontrados en este estudio y para el caso de Gliricidia sepium, se reportan valores desde 1,5 hasta 6 t ha^-1 año^-1 en dependencia de la cantidad de árboles presentes en el sistema ^4,15.

En Brasil se han realizado estudios en cafetales orgánicos y se ha encontrado que el aporte de Gliricidia sepium como sombra del cafeto puede llegar a alcanzar 3,5 t ha^-1 año^-1, aportando una biomasa compuesta por hojas, ramas y flores, siendo las hojas la principal fuente de aporte y reciclaje de nutrientes. En esas condiciones, Gliricidia sepium es una especie que aporta más hojas al suelo que otras especies de sombra, como Erythrina sp., que aportan mayor cantidad de ramas ¹⁶.

En México se emplean varias especies forestales como sombra en cafetales, sean o no leguminosas, con varias funciones dentro del ecosistema, como productores de alimentos, leña, madera, entre otros y llegan a realizar aportes anuales de biomasa de hasta 14 t ha^-1 año^-1, cumpliendo de esa forma con varios de los requisitos de una especie para ser empleada como árbol de sombra, entre ellos, ser de rápido crecimiento y con una alta producción de biomasa y hojarasca ¹⁷.

En la Figura 2 se presentan los contenidos de N total de las especies en estudio: Gliricidia sepium, Samanea saman y C. canephora. En los sitios y años evaluados (2004-2007), el contenido de N total de las leguminosas fue superior al del cafeto, excepto en el primer año evaluado y en el sitio Tercer Frente, en los que los valores de contenido de N total del cafeto fueron semejantes a los encontrados en los árboles de sombra. En el cafeto, el contenido de N total osciló entre 25 y 40 kg ha^-1. Es importante señalar que las concentraciones de N del cafeto estuvieron en los rangos adecuados para la especie C. canephora, que oscilan entre 2,91 a 3,09 % de N total ¹⁸.

El contenido de N total de los árboles de sombra fue muy similar entre ambas especies (Figura 2), Samanea saman contenía entre 46,26 a 66,80 kg ha^-1 y como media de las evaluaciones 52,89 kg ha^-1 año^-1. Las hojas de Gliricidia sepium contenían de 38,1 a 60,18 kg ha^-1, con un aporte promedio anual de 50,61 kg ha^-1 año^-1.

Esta contribución por el cafeto y los árboles de sombra, fue semejante a lo reportado en el Valle del Cauca, Colombia, donde la hojarasca de Gliricidia sepium contribuyó con 51,4 kg ha^-1 año^-1, aporte que resulta importante dentro de la contribución de esta especie por fijación biológica del N ¹⁹.

En México se reporta que las especies leguminosas como Inga sp. realizan aportes cercanos a los 60 kg N ha^-1 y estos niveles se deben a que la nodulación en las raíces ocurre de forma espontánea y no se acostumbra a inocular con especies eficientes de rizobios a las leguminosas arbustivas ¹⁷.

En la Figura 3 se presentan los porcentajes de FBN de las leguminosas arbóreas componentes de los cafetales en estudio, mediante el método de la diferencia de N total y tomando como planta de referencia al cafeto.

En tres de los cuatro años estudiados (años 1, 2 y 4), no se detectaron diferencias entre las especies y años evaluados en cuanto a esta variable, encontrándose en las dos especies en rangos entre 19 y 40 %; el tercer año sí marcó la diferencia, con valores muy superiores a los encontrados en el resto de los años, entre 49 y 56 % del N derivado de la FBN; sin embargo, Gliricidia sepium no presentó diferencias en los valores de FBN entre el tercer y el cuarto año evaluados.

En algunos países de Latinoamérica (México, Brasil, Guadalupe, Venezuela, Cuba) se reporta que Gliricidia es capaz de aportar más del 50 % de N por vía de la FBN ¹⁵. En Brasil, en cafetales orgánicos bajo sombra de Gliricidia sepium, se ha cuantificado hasta un 66 % del N en el sistema proveniente de la fijación biológica del N, aunque hay especies como Erythrina poeppigiana que aporta hasta 78 % de N derivado de la FBN ¹⁶.

Este comportamiento parece estar en correspondencia con los valores de masa seca y contenido de N total, donde los mayores valores se encontraron al tercer año de evaluación. De manera general, este resultado parece estar relacionado con la incidencia de las precipitaciones que fueron superiores en el tercer año (datos no mostrados) y esta mayor humedad provocó una estimulación del crecimiento de los árboles de sombra.

Respecto a la importancia de la inclusión de árboles de sombra fijadores de N dentro de los cafetales, se plantea que Gliricidia sepium y Samanea saman son dos especies forestales fijadores de N de gran importancia y son ampliamente empleados en el mundo como barreras vivas para prevenir la erosión del suelo y enriquecer al mismo de N proveniente del proceso de FBN, que es muy activo en estas especies ⁶.

Samanea saman es una leguminosa promisoria para fomentar la sombra en cafetales, debido a que se destaca por el elevado número y peso seco de los nódulos de Rhizobium, indicativos de la presencia de un proceso eficiente de FBN. En cuanto al crecimiento, es de crecimiento rápido, con más de 100 cm de altura en seis meses, mientras que G. sepium es de crecimiento medio, con alturas entre 50 a 100 cm en seis meses e inferior cuantificación de nódulos efectivos de Rhizobium²⁰. También se afirma que Samanea saman aumenta la altura de las plantas asociadas en los agroecosistemas, tanto como árbol de sombra en cafetales, en sistemas agrosilvopastoriles y como cercas vivas ^5,21.

Gliricidia sepium es una leguminosa arbustiva que beneficia la calidad del suelo porque incrementa la captura de carbono (C) y presenta elevada capacidad de fijación biológica del N ¹⁵. Las leguminosas son plantas que presentan una relación C:N menor de 30 en el follaje, por lo que su descomposición en el suelo suele ser muy rápida, sobre todo en presencia de altas humedades y temperaturas ²².

Las leguminosas arbustivas elevan el tenor de C en los suelos, lo que permite la elevación de la capacidad de intercambio catiónico, favoreciendo la retención de cationes y la consecuente disminución de su lavado o lixiviación, así también el aumento de la reserva de N y la mejoría de la estructura del suelo ²³. De ese modo, la presencia de los restos de leguminosas arbóreas en los cafetales, correlaciona de forma positiva con la abundancia de las poblaciones de lombrices de tierra en el suelo, y la gran cantidad de hojarasca que liberan, propicia la presencia en cantidad y variedad de fauna edáfica, todo lo cual las convierten en especies de amplia preferencia en sistemas agrosilvoforestales ¹⁵.

Al respecto, la campaña de campo del Programa Mexicano del Carbono permitió cuantificar aportaciones a la biodiversidad que provocan los sistemas agroforestales de café bajo sombra diversificada, que les protege de las precipitaciones, conserva los suelos mientras los nutre con la caída de las hojas, el fomento de microorganismos y la FBN en el caso de las leguminosas ²⁴.

Por otra parte, la presencia de especies fijadoras de N atmosférico en el sistema agroforestal permite mejorar el balance de este elemento en el suelo. Los métodos empleados para la cuantificación han sido varios, cada cual con ventajas y desventajas y se han obtenido valores que varían en función de la especie evaluada, la metodología empleada y las condiciones edafoclimáticas presentes en el sitio de crecimiento de las plantas ²⁵; sin embargo, no quedan dudas de la importancia de este proceso en los sistemas agroforestales con presencia de cafeto y su relación con el establecimiento de sistemas óptimos de suministro de este nutrimento.

Asociar al cafeto con sombra de leguminosas proporciona un tenor de N foliar de este cultivo cercano al indicado por la literatura como óptimo, evidenciando así la importancia de esta práctica en sistemas agrícolas donde el aporte de nitrógeno es más limitante ¹⁶.

Nitrogen (N) is an important element in the development of all organisms since it is part of the structure of amino acids, nucleic acids, proteins and cellular components ¹. However, in the soil it is one of the most limiting nutrients. The atmosphere contains 78 % N but this is found in forms not available to most living beings and can only be used by a group of highly specialized microorganisms, N-fixing bacteria, which are associated with different plant species mainly legumes, to carry out this important natural process ².

In coffee agroecosystems, it is of utmost importance to maintain adequate levels of N to guarantee stable and sustainable productions. In this sense, results have been obtained that optimize the use of nitrogenous mineral fertilizers to achieve stable maximum yields. However, it is necessary to take into account the importance of other agroecosystem components to maintain and increase the inputs and element recycling, of form usable by the crop ³. The high prices of mineral fertilizers in the world market and the negative effects on the environment that their inappropriate use can cause, make it necessary to investigate more exhaustively nitrogen contribution that other organic sources can make within coffee plantations, not just sources but, fundamentally, of coffee agroecosystem components.

In this sense, coffee plantations in agroforestry systems with shade trees exert control over water resources, since the water deficit is mitigated in periods of drought, in addition to helping soil fertility, minimizing erosion, recycling nutrients and providing large amount of organic matter ⁴. In this type of agroecosystems, the inclusion of multiple-use trees is prioritized but it is also essential to consider the insertion of species that perform Biological Nitrogen Fixation (BNF) as a natural way of incorporating this element into the soil ⁵.

Among the trees used in the shade of coffee plantations are gliricidia (Gliricidia sepium (Jacq) Walp.), carob (Samanea saman (Jacq) Merril), among other leguminous tree species ⁶. The coffee plantations established in systems associated with trees can generate additional income to producers, both from the point of view of fruits, wood, among other forest products sale, and for environmental services ⁷.

For these reasons it is necessary, in order to contribute to an estimate of the N balance in coffee agroecosystems, to quantify the contribution of shade trees that compose it, through the estimation of the biological N fixation process (BNF).

In this sense, this experiment was carried out in two coffee-growing areas in eastern Cuba, with the objective of quantifying the dry mass production and N content of two legumes used as shade trees in the coffee-growing ecosystem and, based on these determinations, estimate BNF by the total N difference method.

The research was carried out over a period of four years (2004-2007) in two locations in the Sierra Maestra and Sagua-Nipe-Baracoa mountain ranges. One was Tercer Frente locality (Cruce de los Baños site), located at 20º09´ latitude N and 76º16´longitude W, 35 km NW from Santiago de Cuba city, 150 m above sea level, in Tercer Frente municipality. Sierra Maestra mountain, with the predominant shade of Samanea saman (Jacq) Merril.

The second locality was La Alcarraza, located in the Sagua de Tánamo municipality, Nipe - Sagua - Baracoa mountain ranges, at 20º35´ latitude N and 75º15´ longitude W, 118 km ESE of the city of Holguín, with a height of 300 m a.s.l, with a predominant shade of Gliricidia sepium (Jacq) Walp. Some properties of the soils are presented in Table 1.

For soil chemical analysis, the following methods were used ⁸: pH (H₂O) by the potentiometric method, with a soil: solution ratio of 1: 2.5; organic matter (% O.M) by the Walkley and Black method; P assimilable by extraction with H₂SO₄ 0.1 N with soil: solution ratio 1: 2.5; Exchangeable cations (cmol_c kg^-1) by extraction with NH₄Ac 1 Mol L^-1 at pH 7 and determination by complexometry (Ca and Mg) and flame photometry (K and Na).

The quantification of coffee tree phytomass (leaves) and of the shade trees (leaves, fruits, flowers and rachis) was carried out monthly from January to December in the two locations and during the four years evaluated.

The estimation of the amount of fallen litter from the shade trees in each locality was carried out using 1m x 1m polyethylene nylon blankets. Four shade trees were randomly selected in each experimental area and eight blankets were placed per tree, four in the street and four in the row of coffee tree ⁹. In the case of coffee tree, the contribution of the desiccation and pruning was also collected.

In all cases, the dry mass was determined (drying of each organ at 70 ºC until obtaining constant mass) and it was expressed in t ha^-1, as well as the corresponding chemical analysis of N, by means of wet digestion with H₂SO₄+Se and colorimetric determination with the Nessler reagent and expressed in % of dry mass per organs ⁸. With these values N extractions were calculated from each organ of the culture in all the evaluated years, according to the following expression:

N extraction per organ (kg ha^-1)=[Dry mass (kg ha^-1) * % N in each organ]/100

From these data, the BNF was calculated by the total N difference method using the formula proposed ¹⁰:

% BNF= ((Content N fix -Content N ref)/(Content N fix)( * 100

Where: fix = fixing plant, Ref = non-fixing plant

Shade trees of the Gliricidia or Samanea genera were considered as fixing plants, depending on the locality and as a non-fixing plant to the coffee tree, taking samples of this last species from plots that did not receive applications from nitrogen sources.

Statistical analysis: the arithmetic mean and the confidence interval of the means were determined for all the variables evaluated. The latter using the formula:

CI=  ± t _α(2)(n-1) S/√n

Where: CI = confidence interval,  = arithmetic mean, S = standard deviation. n = number of observations, t=student's t-statistic of the hypothesis test, α = 0.05 for a confidence level of 95%. The statistical program STATGRAPHICS Centurion XV version 15.2.14 was used.

The dry mass behavior of the coffee tree and the shade ones during the four years evaluated are shown in Figure 1. The values of coffee tree dry mass ranged between 1.23 and 1.75 t ha^-1, in correspondence with the reported for the C. canephora species in Cuba ¹¹ and which in turn are higher than those obtained in different agroforestry systems with C. arabica under shade, where between 1.19 and 1.35 t ha^-1 year ^-1 were obtained dry mass ¹².

In the two experimental sites, the amounts of coffee tree dry mass were similar, as was the dry mass of two shade tree species and these in turn were higher than values of coffee tree dry mass. In all the years that evaluations have been carried out, this is due to the different size between the species studied.

The dry mass contributions of the shade trees had little variation from one year to another, oscillating between 2 to 3 t ha^-1, except in the third year evaluated, which reached values higher than 3 t ha^-1. This is due to the fact that the shade trees are in equilibrium and depending on the rainfall regime, a homogeneous behavior in the two zones can be expected annually, but varying between species ¹³.

Thus, Gliricidia sepium litter can contribute 2.51 t ha^-1 of dry mass as an average of the evaluated years, while Samanea saman does it annually (average of the evaluated years) for 2.58 t ha^-1 of mass dry leaves.

The contribution to the coffee agroecosystem by Samanea saman can reach 2.3 t ha^-1 of dry mass ¹⁴, values similar to those found in this study and for the case of Gliricidia sepium, values from 1.5 to 6 are reported t ha^-1 year^-1 depending on the number of trees present in the system ^4,15.

In Brazil, studies have been carried out in organic coffee plantations and it has been found that the contribution of Gliricidia sepium as shade of the coffee tree can reach 3.5 t ha^-1 year^-1, providing a biomass composed of leaves, branches and flowers, the leaves being the main source of supply and recycling of nutrients. Under these conditions, Gliricidia sepium is a species that contributes more leaves to the ground than other shade species, such as Erythrina sp., that contribute more branches ¹⁶.

In Mexico, several forest species are used as shade in coffee plantations, whether or not they are legumes, with various functions within the ecosystem, such as producers of food, firewood, wood, among others, and they reach annual biomass contributions of up to 14 t ha^{- 1} year^-1, thus complying with several of the requirements of a species to be used as a shade tree, among them, being of rapid growth and with a high production of biomass and litter ¹⁷.

Figure 2 shows the total N contents of the species under study: Gliricidia sepium, Samanea saman and C. canephora. In the evaluated sites and years (2004-2007), the total N content of the legumes was higher than that of the coffee tree, except in the first evaluated year and in the Tercer Frente site, in which the total N content values of coffee trees were similar to those found in shade trees. In the coffee tree, the total N content ranged between 25 and 40 kg ha^-1. It is important to note that N concentrations of the coffee tree were in the appropriate ranges for the C. canephora species, ranging from 2.91 to 3.09 % of total N ¹⁸.

The total N content of shade trees was very similar between both species (Figure 2), Samanea saman contained between 46.26 to 66.80 kg ha^-1 and as a mean of the evaluations 52.89 kg ha^-1 year^-1. Gliricidia sepium leaves contained 38.1 to 60.18 kg ha^-1, with an average annual contribution of 50.61 kg ha^-1 year^-1.

This contribution by the coffee tree and shade trees was similar to that reported in Valle del Cauca, Colombia, where Gliricidia sepium litter contributed 51.4 kg ha^-1 year^-1, a contribution that is important within the contribution of this species by N biological fixation ¹⁹.

In Mexico it is reported that legume species such as Inga sp., make contributions close to 60 kg N ha^-1 and these levels are due to the fact that nodulation in the roots occurs spontaneously and it is not customary to inoculate shrub legumes with efficient rhizobia species ¹⁷.

Figure 3 shows BNF percentages of the component tree legumes of coffee plantations under study, using the total N difference method and taking the coffee tree as the reference plant.

In three of the four years studied (years 1, 2 and 4), no differences were detected between the species and years evaluated in terms of this variable, with the two species found in ranges between 19 and 40 %, however, the third year did make a difference, with values much higher than those found in the rest of the years, between 49 and 56 % of the N derived from the BNF, however, Gliricidia sepium did not present differences in the BNF values between the third and the fourth year evaluated.

The total N content of shade trees was very similar between both species (Figure 2), Samanea saman contained between 46.26 to 66.80 kg ha^-1 and as a mean of evaluations 52.89 kg ha^-1 year^-1. Gliricidia sepium leaves contained 38.1 to 60.18 kg ha^-1, with an average annual contribution of 50.61 kg ha^-1 year^-1.

This contribution by the coffee tree and shade trees was similar to that reported in Valle del Cauca, Colombia, where Gliricidia sepium litter contributed 51.4 kg ha^-1 year^-1, a contribution that is important within the contribution of this species by biological fixation of N ¹⁹.

In some Latin American countries (Mexico, Brazil, Guadalupe, Venezuela, Cuba) it is reported that Gliricidia is capable of contributing more than 50 % of N via BNF ¹⁵. In Brazil, in organic coffee plantations under Gliricidia sepium shade, up to 66 % of N has been quantified in the system from the N biological fixation, although there are species such as Erythrina poeppigiana that contributes up to 78 % of N derived from BNF ¹⁶.

This behavior seems to be in correspondence with the values of dry mass and total N content, where the highest values were found in the third year of evaluation. In general, this result seems to be related to the incidence of rainfall that was higher in the third year (data not shown) and this higher humidity caused a growth stimulation of shade trees.

Regarding the importance of the inclusion of N-fixing shade trees within coffee plantations, it is suggested that Gliricidia sepium and Samanea saman are two N-fixing forest species of great importance and they are widely used in the world as living barriers to prevent the soil erosion and enriching it with N from the BNF process, which is very active in these species ⁶.

Samanea saman is a promising legume to promote shade in coffee plantations because it stands out for the high number and dry weight of Rhizobium nodules, indicative of the presence of an efficient BNF process. Regarding growth, it is fast growing, with more than 100 cm in height in 6 months, while G. sepium is of medium growth, with heights between 50 to 100 cm in 6 months and lower quantification of effective Rhizobium nodules ²⁰ It is also stated that Samanea saman increases the height of associated plants in agroecosystems, both as a shade tree in coffee plantations, in agrosilvopastoral systems and as living fences ^5,21.

Gliricidia sepium is a shrubby legume that benefits soil quality because it increases carbon capture (C) and has a high capacity for biological N fixation ¹⁵. Legumes are plants that have a C: N ratio of less than 30 in the foliage, so their decomposition in the soil is usually very fast, especially in the presence of high humidity and temperatures ²².

Shrub legumes raise C content in soils, which allows an increase in the cation exchange capacity, favoring the retention of cations and the consequent reduction in their washing or leaching, as well as an increase in N reserve and the improvement of the soil structure ²³. In this way, arboreal legumes remain presence in coffee plantations correlates positively with the abundance of earthworm populations in the soil, and the large amount of litter that they release, favors the presence in quantity and variety of edaphic fauna, all of which make them widely preferred species in agroforestry systems ¹⁵.

In this regard, the field campaign of Mexican Carbon Program made it possible to quantify contributions to biodiversity caused by agroforestry systems of coffee under diversified shade that protects them from rainfall, preserves the soils while nourishing them with the fall of the leaves, promoting microorganisms and BNF in the case of legumes ²⁴.

The presence of atmospheric N-fixing species in the agroforestry system makes it possible to improve the balance of this element in the soil. The methods used for quantification have been several, each with advantages and disadvantages and values that vary depending on the species evaluated, the methodology used and the edaphoclimatic conditions present at the plant growth site have been obtained ²⁵. However, there are no doubts about the importance of this process in agroforestry systems with the presence of coffee trees and its relationship with the establishment of optimal supply systems for this nutrient. Associating the coffee tree with legume shade provides a foliar N content of this crop close to that indicated by the literature as optimal, thus evidencing the importance of this practice in agricultural systems where the nitrogen contribution is more limiting ¹⁶.