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Introducción
El carbono orgánico del suelo (COS) corresponde al ingreso de CO2 de la atmósfera al suelo a través de plantas, residuos de plantas y otros sólidos orgánicos que se almacenan o se retienen en el suelo como parte de la materia orgánica del suelo (MOS) y la emisión de CO2 a la atmósfera por mineralización de la MOS (Olson et al., 2014). Ante la actual crisis climática debida a las concentraciones atmosféricas de CO2, se ha reconocido la importancia de los suelos en el ciclo global del carbono (C), por lo cual los científicos y los formuladores de políticas han promovido el secuestro de COS como una posible oportunidad adicional para contrarrestar, en parte, el aumento de las concentraciones atmosféricas de CO, (Rumpel et al., 2020). En los primeros 20 cm del suelo se almacenan alrededor de 15 Mg C ha-1, sin embargo, en los trópicos, alrededor del 50 al 75 % de este C se libera a la atmósfera durante los primeros 20 años por cambios de uso de la tierra (Hutchinson et al. 2007). El secuestro de COS podría ayudar a compensar estas emisiones. Ello estará relacionado con el uso del suelo, debido a que las coberturas del suelo regulan los regímenes microclimáticos y la ruptura de los agregados del suelo, los cuales representan importantes factores que inciden en el grado de humificación y oxidación de la MOS (Dos Santos et al., 2019).
Las diferencias en los contenidos de COS asociadas con la cobertura vegetal inciden sobre la mayoría de las propiedades físicas y químicas del suelo, convirtiendo al COS en un indicador clave de su calidad en términos agrícolas y ambientales (Tfaily et al., 2017). Es por esto que, en un manejo sustentable de los ecosistemas, el COS debe mantenerse o aumentarse; para este fin, algunas prácticas como los sistemas forestales y la conservación tienen un lugar destacado en el secuestro de COS (Beillouin et al., 2022). Sin embargo, establecer una clara relación de dependencia entre el COS y la productividad del suelo es complejo. Su efecto en las propiedades físicas se manifiesta mediante la modificación de la estructura y la distribución del espacio poroso del suelo (Neris et al., 2012). La cantidad de COS no solo depende de las condiciones ambientales locales, sino que también es afectada fuertemente por el manejo del suelo. Existen prácticas de manejo que generan un detrimento del COS en el tiempo, a la vez que hay prácticas que favorecen su acumulación.
El objetivo de este trabajo fue evaluar el secuestro de COS en suelos con 4 coberturas vegetales diferentes: vegetación secundaria, plantaciones forestales de Eucalyptus globulus y Pinus patula (resultantes de un proceso de recuperación de la cobertura vegetal) y pasturas (producto de áreas abandonadas en regeneración natural)- También se tuvo como objetivo estimar el efecto del secuestro de COS en las propiedades fisicoquímicas del suelo a través de índices de correlación, en un ecosistema urbano de la ciudad de Medellín (Colombia).
Materiales y métodos
Descripción del área de estudio
La investigación se realizó en el parque natural regional metropolitano (PNRM) Cerro El Volador, ubicado en Medellín (Colombia), con coordenadas geográficas 6°15’ N y 75°34’ W. Este sector posee un área total de 119 ha y su rango altitudinal varía entre 1468 y 1628 ms.n.m. La precipitación media anual es de 1626,30 mm, con un comportamiento bimodal; la temperatura oscila entre los 17° C y 28.5° C y corresponde a la zona de vida de bosque húmedo premontano (IDEAM, 2017).
La edad de las coberturas seleccionadas es superior a los 31 años, según lo reportado por Moreno et al. (1997). En cada parcela se determinó la estructura diamétrica y altimétrica para los árboles con diámetro a la altura del pecho (DAP) mayor a 10 cm; para ello se midió el DAP con cinta métrica y la altura con clinómetro. También se realizó la clasificación taxonómica de las especies de las coberturas vegetales estudiadas con base en recorridos en campo, colecta y verificación de material en el herbario HUA de la Universidad de Antioquia.
La cobertura de vegetación secundaria (VS) presentó una extensión de 8.53 ha con un área basal de 6.08 m2/ha y aproximadamente 873 árboles por ha con DAP>0.1 cm distribuidos en 20 especies diferentes (Acnistus sp., Calliandra pittieri, Cariniana pyriformis, Caryodendron orinocense, Cavendishia nuda, Clusia alata, Cordia alliodora, Guazuma ulmifolia, Hymenaea courbaril, Inga edulis, Lafoensia speciosa, Leucaena leucocephala, Myrsine sp., Ochroma pyramidale, Percea caerulea, Pithecellobium dulce, Retrophyllum rospigliosii, Sena spectabilis, Zanthoxylum rhoifolium y Zygia longifolia). La cobertura con plantación forestal de Pinus patula (PIN) presentó una extensión de 3.21 ha con un área basal de 15.75 m2/ha y aproximadamente 1538 árboles con DAP>0.1 m por ha. Por su parte, la de Eucalyptus globulus (EUC) posee una extensión de 25 ha con un área basal de 16.33 m2/ha y alrededor de 1485 árboles con DAP>0.1 m por ha; estas coberturas presentan dominancia de la especie plantada con una fuerte asociación al pasto Megathyrsus maximus.
Muestreo de suelos
En cada cobertura vegetal se establecieron tres parcelas de muestreo de 10 m2 con condiciones del suelo y del terreno lo más similares posible para permitir comparaciones válidas entre ellas. En cada parcela se tomaron cinco submuestras de 300 g para formar la correspondiente muestra compuesta. Las muestras se tomaron en el horizonte A en dos profundidades: 0-10 y 10-20 cm (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).
Análisis de laboratorio
Evaluación de propiedades físicas de los suelos
La densidad aparente (DA) Mg/m3 se determinó por el método del cilindro biselado (Al-Shammary et al., 2018). La textura del suelo se determinó mediante el método del hidrómetro (Blake y Steinhardt, 2016). La máxima capacidad de retención de agua (MCRA) se estimó a partir de la diferencia de peso entre el suelo saturado y seco al horno, con base en Piper (1996). El estado de agregación (EA) y el índice de estabilidad estructural (IE) se determinaron a partir del tamizaje en seco de muestras de suelos colectadas sin disturbar, durante 30 minutos, para diferentes tamaños (mm) de agregados (>6.3, 4, 2, 1, 0.5, <0,5) (Yoder, 1936).
Evaluación de propiedades químicas de los suelos
El carbono orgánico (%) se determinó mediante el método de Walkley y Black (1934); una vez obtenido el valor de carbono orgánico se estimó el COS, el cual corresponde al carbono almacenado en el suelo al involucrar la densidad y profundidad. Utilizando la Ecuación 1.
(Ec. 1)
Donde:
COS: carbono orgánico almacenado en el suelo (ton C/ha)
C org : gramos de carbono orgánico en 100 g de suelo
Dap: densidad aparente del suelo (Mg/m3)
Eh: espesor del horizonte de suelo (cm)
La extracción de las sustancias húmicas se hizo con base en el método de Nagoya, citado por Kumada (1988). Se pesaron 15 g de suelo y se le adicionaron 100 mL de solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 4 %, agitándolo por dos horas; luego se realizó la acidificación del extracto con H2S04 y su posterior centrifugación para obtener un sobrenadante (ácidos fúlvicos) y un precipitado (ácidos húmicos); en cada una de las dos fracciones separadas se determinó el contenido de carbono (%), por el método de Walkley y Black (1934), con lo que se obtuvo el contenido de carbono de los ácidos húmicos (CAH) y de los ácidos fúlvicos (CAF).
Figura 1 Representación esquemática de Las coberturas vegetales con su lugar y diseño de muestreo en el suelo.
El pH se determinó por medio de un potenciómetro en una suspensión suelo-agua 1:1. Para ello, la suspensión se agitó intermitentemente durante una hora y se tomó la lectura. La capacidad de intercambio catiónico efectiva (CICE) se determinó como la sumatoria de bases intercambiables (Ca, Mg, K) extraídas con acetato de amonio 1N y neutro, más el contenido de Al intercambiable, extraído con KCl 1N (Montoya et al., 2013).
Análisis estadístico
Los resultados se analizaron mediante análisis de varianzas multifactoriales. Se realizó la prueba de comparación de medias de Tukey con un nivel de significancia del 0.05% para estimar diferencias significativas de las propiedades fisicoquímicas de los suelos entre las coberturas vegetales; además, se evaluó la normalidad de las variables estudiadas con la prueba de Shapiro Wilk y según su distribución se aplicó el índice de correlación de Pearson (distribución paramétrica) y Spearman (distribución no paramétrica), para estimar la correlación entre el COS y las variables fisicoquímicas. Los datos obtenidos fueron procesados en el paquete estadístico R 4.0.0.
Resultados
Carbono orgánico del suelo
Los mayores contenidos de COS se presentaron en EUC (0 -10 cm = 50.74 ton C ha-1 y 10 - 20 cm = 49.85 ton C ha-1 p<0.05), seguido de PAS, PIN y VS (Figura 2).
Figura 2 Contenido de COS en los suelos de las coberturas vegetales evaluadas: Eucaiyptus globulus (EUC), pasturas (PAS), Pinus patula (PIN) y vegetación secundaria (VS), a diferentes profundidades del suelo. Diferentes letras indican diferencias estadísticamente significativas entre coberturas según la prueba de Tukey (p = 0.05). Las barras verticales representan ± error estándar.
Propiedades fisicoquímicas
Los valores promedios de las propiedades fisicoquímicas de los suelos estudiados se presentan en la Tabla 1. No se encontraron diferencias significativas en los valores obtenidos de DA (Mg/m3) entre las diferentes coberturas evaluadas (p<0.05). La MCRA (%) en las dos profundidades evaluadas mostró diferencias significativas en la mayoría de las coberturas vegetales, con valores significativamente superiores en los suelos de EUC seguido de los de PAS, VS y PIN (0-10 cm= 69.71 y 10-20 cm= 68.92 p<0.05) (Tabla 1). Los valores del EA (%) de los suelos bajo VS (0 10 cm= 96.17 y 10-20 cm= 96.09) y PAS (0-10 cm= 95.25 y 10-20 cm = 95.22) fueron significativamente superiores (p<0.05), comparados con los obtenidos en las coberturas de PIN y EUC (Tabla 1). El IE (%) fue significativamente superior en los suelos de EUC (0-10 cm= 96.63 y 10-20 cm= 96.40 p<0.05) seguido de PIN, PAS y VS (Tabla 1). El contenido de arena (%) fue significativamente superior en la cobertura de EUC (52.07 en ambas profundidades p<0.05), seguida de PIN, mientras que los menores valores se presentaron en las coberturas de PAS y VS (sin diferencias significativas entre ellas) (Tabla 1). El contenido de limo (%) varió entre todas las coberturas vegetales evaluadas y fue significativamente superior en VS, seguida de PAS, PIN y EUC (Tabla 1). Por otra parte, el contenido de arcilla (%) no presentó diferencias significativas en la mayoría de los suelos de las coberturas evaluadas, excepto en VS, donde se obtuvieron los menores valores (0-10 cm= 26.58 y 10-20 cm= 26.34 p<0.05).
Tabla 1 Propiedades fisicoquímicas determinadas en los suelos bajo diferentes coberturas vegetales (valores promedios de 3 determinaciones)
* DA: densidad aparente, MCRA: máxima capacidad de retención de agua, EA: estado de agregación, IE: índice de estabilidad estructural, COS: carbono orgánico del suelo, CAH: carbono de los ácidos húmicos, CAF: carbono de los ácidos fúlvicos, CICE: capacidad de intercambio catiónico efectiva. ** VS: vegetación secundaria, EUC: Eucaiyptus giobuius, PIN: Pinus patuia, PAS: pasturas. Para cada variable y nivel de profundidad en el suelo, letras diferentes entre filas representan diferencias significativas (p < 0.05) con la prueba de Tukey.
El pH fue ácido en los suelos de las diferentes coberturas estudiadas y fue más alto en los suelos de PIN y PAS, los cuales no fueron significativamente diferentes entre sí, estos estuvieron seguidos de VS, y los menores valores de pH se encontraron en los suelos con plantación de EUC. La CICE (cmol (+) kg-1 suelo) fue menor en los suelos con cobertura de EUC, mientras que los valores obtenidos en PIN y PAS no tuvieron diferencias significativas. La mayor CICE se presentó en VS (0 -10 cm = 9.01) y (10 - 20 cm = 8.98). Los mayores porcentajes de CAH se obtuvieron en los suelos de EUC (0 -10 cm = O.55) y (10 - 20 cm = 0.51), seguido de la cobertura de PAS y PIN, y los valores más bajos de porcentaje de CAH se obtuvieron en VS (0-10 cm = 0.29) y (10-20 cm = 0.19). Los mayores porcentajes de CAF se obtuvieron en los suelos de EUC (0 -10 cm = O.58) y (10 - 20 cm = 0.64), seguido de la cobertura de PAS y PIN, y los valores más bajos se obtuvieron en VS (0-10 cm = 0.29) y (10-20 cm = 0.27) (Tabla 1).
Análisis de correlación entre el COS y las variables fisicoquímicas evaluadas.
La mayoría de las variables fisicoquímicas del suelo evaluadas presentaron una distribución normal, con excepción del estado de agregación (EA) y el contenido de limo (valor p= 0.01) (Tabla 2).
Tabla 2 Prueba de normalidad de Shapiro-WiLk para Las variables fisicoquímicas evaluadas
* Estadístico de prueba de Shapiro Wilk (W), nivel de significancia estadístico valor p = 0,05 (P). ** DA: densidad aparente, MCRA: máxima capacidad de retención de agua, EA: estado de agregación, IE: índice de estabilidad estructural, CICE: capacidad de intercambio catiónico efectiva, COS: carbono orgánico del suelo, CAH: carbono de los ácidos húmicos, CAF: carbono de los ácidos fúlvicos.
Con base en los resultados obtenidos de la prueba de normalidad (Tabla 2), se calculó el índice de correlación (r) de Pearson entre el COS con DA, MCRA, IE, arena, arcilla, pH, CICE, MO, CAH y CAF. Entre el COS con EA y limo, se estimó el índice de correlación (r) de Spearman. Estos análisis muestran que no existió correlación estadísticamente significativa entre el COS y la DA, pero sí hubo una fuerte correlación positiva, y significativa entre el COS y la MCRA, el IE, el CAH y los contenidos de arena y arcilla (Tabla 2). También se presentaron correlaciones significativas, pero negativas, entre el COS, el contenido de limo, el EA y el pH. Entre el COS, el CAF y la CICE se presentó correlación significativa y positiva, con bajos coeficientes de correlación (Tabla 3).
Tabla 3 Análisis de correlación entre el COS y las variables
r: coeficiente de correlación entre el COS y las variables fisicoquímicas. p: nivel de significancia estadístico al 95 % de probabilidad. ** DA: densidad aparente, MCRA: máxima capacidad de retención de agua, EA: estado de agregación, IE: índice de estabilidad estructural, CICE: capacidad de intercambio catiónico efectiva, COS: carbono orgánico del suelo, CAH: carbono de los ácidos húmicos, CAF: carbono de los ácidos fúlvicos.
Discusión
COS en diferentes coberturas vegetales y su relación con las variables fisicoquímicas del suelo.
La incorporación de C al suelo está determinada en gran medida por el uso de suelo, es por esto que los sistemas forestales tienden a tener mayores aportes de C en el suelo debido a que aportan un material vegetal que suele ser más recalcitrante comparado con coberturas vegetales en regeneración natural (Guo y Gifford, 2002). Aunque los pastizales también tienden a aportar grandes insumos de restos vegetales, estos son menos recalcitrantes que los restos vegetales forestales, mientras que para coberturas que están en proceso de regeneración, como la vegetación secundaria, se reportan contenidos de COS más bajos que para otras coberturas relacionadas con bajos aportes de hojarasca con contenidos de C lábil (Yuan et al., 2018). Estas diferencias en el secuestro de COS debido a las coberturas vegetales inciden en las propiedades fisicoquímicas de los suelos, principalmente por las características de la MOS (Tsozué et al., 2019).
Algunos autores, como Gao et al. (2019), señalan que la función del COS sobre la retención de agua ocurre principalmente a través del efecto de la MOS sobre la agregación del suelo; no obstante, estos autores reconocen que la textura tiene una función preponderante sobre la retención de agua debido a la influencia del tamaño de las partículas del suelo sobre la absorción de agua, aunque es difícil interpretar el efecto independiente de dichas propiedades del suelo porque estas interactúan entre sí (Neris et al., 2012). Las anteriores afirmaciones soportan los resultados obtenidos en esta investigación, pues en los suelos de las coberturas con mayores contenidos de COS se presentó mayor retención de agua (EUC y PAS respectivamente), es decir, las coberturas con mayores contenidos de COS presentaron un mejor desarrollo estructural, lo que les proporciona alta capacidad de retención de agua. Así mismo, los menores contenidos de COS en las coberturas de VS y PIN podrían alterar la composición química y la biomasa de los microorganismos de los suelos (Herrick y Wander, 2018), todo lo cual se traduce en la degradación física de los suelos ocasionada por la pérdida de la MO, lo que se puede corroborar con los resultados de esta investigación y la disminución de la MCR-A. También se sabe que la MOS, por sus características amorfas, tiene por sí misma una alta capacidad de almacenamiento de agua de acuerdo con lo descrito por Soil Survey Laboratory (1995): 1 g de COS puede retener hasta 3.5 g de agua a capacidad de campo. Sin embargo, se estima que son más importantes las características y composición de la MOS que la cantidad de esta sobre la hidrofobicidad del suelo, lo cual está relacionado con la retención y almacenamiento de agua (Jaramillo, 2011). El C polisacárido de la MOS puede ser un agente aún más importante en el proceso de agregación que el C microbiano y las hifas fúngicas; algunas sustancias orgánicas hidrofóbicas, incluido el ácido esteárico, también pueden mejorar la estabilidad, lo que le confiere a la MOS capacidad de almacenamiento de agua (Lal, 2020).
En este estudio encontramos que el índice de estabilidad estructural (IE) estuvo fuertemente y positivamente correlacionado con el COS (0.77); en las coberturas de EUC. Además, en PIN se obtuvo un IE alto, mientras que VS y PAS tuvieron un IE medio, esto significa que el suelo tiene una buena resistencia a la ruptura frente a la acción hídrica o a la manipulación mecánica (Jensen et al., 2019), lo cual se debe principalmente a la acción enlazante los ácidos húmicos, los cuales mejoran la estabilidad de los agregados del suelo (Dos Santos et al., 2019). Las sustancias húmicas de la MOS son los componentes principales de los complejos órgano-minerales en el horizonte superficial de los suelos, lo que se traduce en estabilidad de sus agregados (Dos Santos et al., 2019). Sin embargo, no siempre la diferencia en la estabilidad de los agregados es directamente proporcional a los cambios en los contenidos de la MOS, pues esta relación puede variar con los métodos usados para medir la estabilidad y por la biomasa de los microorganismos del suelo (Haynes y Francis, 1993).
El estado de agregación (EA) en la mayoría de las coberturas fue alto, excepto para los suelos con cobertura de EUC, donde EA fue intermedio. Esta propiedad presentó una correlación significativa, y negativa con el COS (-0.70), el cual tiene un efecto importante en el EA del suelo (Liu et al., 2021) debido a que existe una relación entre el tamaño de los agregados y los contenidos de MOS; por su parte los agregados de menor tamaño están más asociados a la fracción humificada de la MOS (Buyanovsky et al, 1994). Esto puede explicar por qué la cobertura de EUC, la cual presentó valores de CAH significativamente superiores con respecto a las otras coberturas evaluadas, tuvo menor tamaño de los agregados del suelo.
Los valores de pH obtenidos en los suelos estudiados se encontraron entre 5.05 y 6.04, que son considerados como ácidos (Sanderson et al., 2012). Estos valores de pH presentaron una correlación significativa y negativa con el COS, debido a que la MOS tiene grupos carboxílicos y fenólicos que se comportan como ácidos débiles y tienden a disminuir el pH del suelo (Tulp et al., 2009). Por su parte, la CICE presentó correlación significativa y negativa con el COS, debido parcialmente a la correlación positiva entre el COS y el contenido de partículas finas en el suelo como la arcilla y la estabilidad de los agregados, los cuales influyen en la CICE del suelo; así mismo, la naturaleza coloidal de la MOS genera una extensa superficie de intercambio, por lo que la CICE aumenta con el aumento en el COS (Krull et al, 2004).
Conclusiones
Las diferentes coberturas vegetales afectaron significativamente el secuestro de COS, lo cual incide en la agregación del suelo y consecuentemente interviene en la distribución del espacio poroso del suelo, lo que afecto propiedades físicas, como la capacidad de retención de agua en el suelo.
El COS formado por compuestos de diversa naturaleza química y estado de descomposición interviene en las propiedades químicas del suelo, aumenta la CICE y la capacidad tampón sobre la reacción del suelo (pH).
El COS, a través de los efectos en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo es determinante de su productividad.
