INTRODUCCIÓN

Los suelos son uno de los recursos claves para la mitigación y la adaptación al cambio climático, ya que constituyen el principal almacén de carbono en ecosistemas terrestres (^{FAO, 2020}) y hacen parte de las cuatro mayores reservas de carbono, además de la atmósfera, los océanos, las existencias de combustibles fósiles y los ecosistemas terrestres (vegetación y suelos) (^{Castañeda-Martín & Montes-Pulido, 2017}); sin embargo, este recurso puede actuar como fuente o sumidero de gases de efecto invernadero (GEI), dependiendo de su uso y manejo (^{IGAC, 2018}). Se estima que el carbono orgánico del suelo (COS) constituye, aproximadamente, dos tercios de la reserva de carbono del ecosistema terrestre (^{Zhang et al. 2018}).

El suelo almacena tres veces más carbono que la biomasa aérea y es un sumidero de carbono relativamente estable, en especial, en el perfil más profundo (^{Masciandaro et al. 2018}); no obstante, estos almacenes son susceptibles a las interferencias humanas, principalmente, a actividades que cambia el uso o la cobertura de la tierra (^{IPCC, 2020}). Se cree que, en todo el mundo, las conversiones de bosques primarios a tierras agrícolas están agotando el COS, mientras que la forestación se considera un medio para restaurar estos almacenes (^{Stockmann et al. 2013}), donde el tipo de vegetación influye fuertemente en las propiedades del suelo (^{Sylvester et al. 2017}).

En los ecosistemas naturales, las tasas de formación y la descomposición de carbono orgánico del suelo (COS), se mantienen en equilibrio constante (^{Cerri et al. 2007}), contrario a lo que ocurre en agroecosistemas, donde las prácticas de uso y manejo pueden alterar los ingresos de materia orgánica (MO), influyendo en la capacidad de captura de carbono (^{Caviglia et al. 2016}).

De acuerdo con la ^{IPCC (2020)}, entre el 2007 y 2016, las actividades relativas a la agricultura, silvicultura y otros usos de la tierra, representaron alrededor del 13 % de las emisiones de CO₂, el 44 % de las de metano (CH₄) y el 81 % de las de óxido nitroso (N₂O), procedentes de las actividades humanas, a nivel mundial, lo que representa el 23 % del total de emisiones antropógenas netas de GEI. La preocupación por el aumento acelerado de GEI, por causa de actividades antrópicas, es cada vez más evidente, ya que se constituye como la principal causa del calentamiento global (^{Salvo & Bayer, 2014}).

Como se indicó, los suelos son el mayor almacén terrestre de carbono, a nivel global y, por tanto, tienen una influencia directa en la concentración de CO₂ en la atmósfera (^{IDEAM et al. 2017}). Los modelos globales estiman emisiones netas de CO₂ de 5,2 ± 2,6 GtCO₂ año^-1, procedentes del uso y el cambio de uso del suelo, durante el periodo comprendido entre 2007-2016. Esas emisiones netas se deben, principalmente, a la deforestación y a emisiones y remociones procedentes de otras actividades del uso del suelo (^{IPCC, 2020}).

Según la Tercera Comunicación Nacional de Cambio Climático del ^{IDEAM et al. (2017)}, en Colombia, los territorios presentan vulnerabilidades preexistentes que se pueden ver exacerbadas, por causa del cambio climático. Lo anterior condiciona la sostenibilidad de ecosistemas estratégicos, como los páramos, afectando los servicios ecosistémicos que brindan para el bienestar humano, como la regulación y provisión de agua, el almacenamiento de carbono y la biodiversidad (^{Cárdenas & Tobón, 2017}).

Los suelos de páramo tienen la capacidad de acumular grandes cantidades de carbono (^{Castañeda-Martín & Montes-Pulido, 2017}), debido a las bajas tasas de mineralización y una gran acumulación de materia orgánica, que se da gracias a las bajas temperaturas, especialmente, durante la noche y a las condiciones edáficas, como los altos contenidos de humedad (^{Curiel Yuste et al. 2017}); sin embargo, la capacidad del páramo para mantener los altos niveles de carbono en el suelo se ve amenazada, por el cambio de uso de la tierra de pastizales y matorrales a usos agrícolas y a los efectos del cambio climático (^{Thompson et al. 2021}). Estas actividades están exponiendo el suelo a condiciones de degradación, fundamentalmente, por la compactación, la erosión y el cambio de los almacenes de carbono (^{Lis-Gutiérrez et al. 2019}); de esta manera, dichas características pueden convertirlo, tanto en sumidero como en fuente neta CO₂ a la atmósfera.

En este sentido, es fundamental mejorar el conocimiento sobre el papel del páramo como sumidero de carbono, además de entender la influencia que ejerce el cambio de uso del suelo, sobre dichos almacenes. Por lo tanto, el objetivo del presente estudio fue realizar un monitoreo del contenido de carbono orgánico en suelos del Parque Natural Regional Cortadera, a partir de una línea base establecida en el 2013 (^{Forero Ulloa et al. 2015}) y una fase de monitoreo en 2018 y 2020. Para ello, se estudiaron Parcelas Permanentes de Muestreo (PPM), bajo tres usos de suelo: conservado, en recuperación e intervenido, permitiendo identificar las principales dinámicas de uso del suelo que condicionan el COS almacenado y, así, avanzar hacia una agenda de investigación, que integre medidas de gestión para la sostenibilidad de los ecosistemas de páramo y, con ello, la preservación de los diversos servicios ecosistémicos que brindan, para el bienestar humano.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio. El estudio, se llevó a cabo en el páramo La Cortadera, en el complejo Tota-Bijagual-Mamapacha, ubicado entre los 3.100 y 3.970 m s.n.m. (^{Morales Rivas et al. 2007}), en el departamento de Boyacá, Colombia (Figura 1).

Figura 1 Mapa de ubicación de las parcelas permanentes de muestreo PPM dentro del complejo Tota-Bijagual-Mamapacha, Parque Natural Regional Cortadera, Boyacá-Colombia. 

Se usó un diseño experimental estratificado al azar y, con base en estudios de levantamiento de suelos y coberturas para la zona, se identificaron tres escenarios de muestreo, de acuerdo con el uso del suelo: conservado, el cual, presenta vegetación de páramo (Vp); en recuperación, que presenta una vegetación herbácea muy rala sobre afloramientos rocosos (Pe) e intervenido, con cultivos transitorios (^{Forero Ulloa et al. 2015}). En cada uno de estos, se establecieron parcelas permanentes de muestreo (PPM), de un metro de ancho por un metro de largo, debido a que proveen datos reales y fácilmente verificables (^{MacDicken, 1997}).

Muestreo de suelos. Se realizaron tres muestreos de suelo: el primero, en el 2013 (^{Forero Ulloa et al. 2015}), con el objetivo de establecer la línea base del COS; el segundo, en el 2018 y, el tercero, en el 2020, para conocer la dinámica del carbono, teniendo en cuenta variables temporales y de cambio de uso del suelo (monitoreo). En cada PPM, se hicieron cajuelas de 50 cm de ancho por 50 cm de largo y 50 cm de profundo, con el fin de tomar muestras para carbono orgánico (CO) y densidad aparente (ρb) (Figura 2). La periodicidad del monitoreo, se definió según las condiciones de uso del suelo al momento de realizar el primer muestreo; de esta manera y teniendo en cuenta que la parcela ubicada en el uso “en recuperación” se encontraba en procesos de restauración asistida, se optó por realizar el siguiente muestreo cinco años después, con el objetivo de observar la dinámica del COS, frente a un proceso de restauración, considerando que en un proceso de restauración están involucrados diversos aspectos ecológicos, económicos y sociales, que convergen en un momento y un espacio definido (^{MADS, 2015}). Luego del segundo muestreo y considerando la evolución del área de muestreo frente al proceso de restauración, se definió un lapso de dos años, para realizar el tercer muestreo y, de esa manera, llevar a cabo el proceso de monitoreo.

Figura 2 Diseño de toma de muestras para carbono orgánico (CO) y densidad aparente (ρb), de acuerdo con ^{Rügnitz et al. (2009)}. 

Para CO se tomaron muestras separadas, a las profundidades de 0-15 y 15-30 cm. Las muestras obtenidas en cada uno de los tres puntos se mezclaron, para obtener una muestra compuesta para cada una de las dos profundidades; posteriormente, fueron llevadas a laboratorio, para su determinación por el método de Walkley-Black (oxidación húmeda). Respecto a la ρb, se utilizaron cilindros de volumen conocido, tomando una muestra por cada PPM para cada profundidad.

Carbono orgánico del suelo. Para la determinación del COS, se utilizó la ecuación propuesta por ^{Calderón et al. (2013)}, para monitoreo de contenidos y flujos de carbono, en gradientes altitudinales altoandinos, la cual, se describe en la ecuación 1.

Donde, COS es el contenido de carbono orgánico del suelo (tC ha^-1), CO es la concentración de carbono orgánico de suelo (%), ρb es la densidad aparente (g cm^-3) y h es la profundidad, a la cual, se tomó la muestra (cm).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Contenidos de carbono orgánico del suelo. La PPM en suelo conservado presentó los valores más altos de COS, con 290,37 tC ha^-1, para el 2013, seguido por la PPM recuperación, para el 2020 (117,4 tC ha^-1) y para el 2013, con 106,35 tC ha^-1, para la profundidad de 0-15 cm (Figura 3a). Al respecto ^{Thompson et al. (2021)} mencionan que el páramo andino se destaca por su alto almacenamiento de carbono en el suelo y su contribución a los servicios ecosistémicos. Los resultados la investigación contrastan con los de ^{Zúñiga-Escobar et al. (2013)}, quienes reportan un cálculo de COS en ecosistemas no intervenidos de alta montaña, de 520,9 t ha^-1, en páramo y 323,6 t ha^-1, en bosque alto andino del parque nacional natural Chingaza, en el departamento de Cundinamarca y, a su vez, de 373,0 t ha^-1, en páramo y 254,6 t ha-¹, en bosque alto andino del Parque Nacional Natural Los Nevados, ubicado en el departamento del Tolima. Estos resultados, se deben a la afirmación de ^{Castañeda-Martín & Montes-Pulido (2017)}, quienes agregan que los COS dependen de la vegetación natural, donde la protección de la superficie del suelo es determinada por el tipo de cobertura vegetal, por ejemplo, cuando se cuenta con densas coberturas generadas por plantas briofitas y especies arbustivas, las cuales aíslan el suelo de la precipitación e incidencia directa de la radiación solar se puede presentar una mayor cantidad de carbono orgánico, debido a que hay una menor descomposición de la materia orgánica (^{Zimmermann et al. 2010}).

Figura 3 Contenido de carbono orgánico en el suelo COS en t ha^-1 en las parcelas permanentes de muestreo conservado, en recuperación e intervenido. a) Contenido de COS en la profundidad de 0-15 cm; b) Contenido de COS en la profundidad de 15-30 cm. 

Los contenidos de COS en la PPM, bajo uso intervenido, para el 2013 y 2018, presentaron valores muy bajos, con 15,50 y 34,01 tC ha^-1, respectivamente, si se comparan con los datos de ^{Zúñiga-Escobar et al. (2013)}, quienes reportaron en zonas intervenidas de páramo, valores de 135,1 tC ha^-1. Resultados similares fueron encontrados por ^{Daza Torres et al. (2014)}, quienes realizaron estudios del contenido de carbono sobre suelos, con cuatro usos diferentes, en el páramo de Sumapaz y determinaron que los suelos con agricultura intensiva y lotes en descanso revelaban los valores más bajos de carbono orgánico. Esto, se debe a que, probablemente, la eliminación de la vegetación natural y la alteración del suelo y su transformación hacia actividades, como la agricultura y ganadería, aceleran los procesos de oxidación de la materia orgánica, imposibilitando o disminuyendo la fijación de carbono en el suelo (^{Don et al. 2011}). La capacidad del páramo para mantener altos niveles de carbono en el suelo se ve amenazada, por el cambio de uso de la tierra de pastizales y matorrales a usos agrícolas (^{Thompson et al. 2021}).

Para el 2013, que corresponde a la línea base, los contenidos más altos de COS para cada una de las parcelas, se registraron en la profundidad de 0-15 cm (Figura 3), que concuerda con lo descrito por ^{Carvajal et al. (2009)}, quienes indican que, a medida que aumenta la profundidad del suelo, se disminuye la acumulación de COS; no obstante, en el monitoreo llevado a cabo en el 2018 y 2020, a pesar de presentarse la misma tendencia, que indica que los contenidos más altos se encuentran en suelos conservados, con valores de 199,22 y 257,6 tC ha^-1, hay una variación influenciada por la profundidad, a la cual, fueron tomadas las muestras, es decir, de 15-30 cm (Figura 3b). Estos datos, se relacionan con la información reportada por ^{Olson & Al-Kaisi (2015)}, donde observaron un aumento en los valores de COS a mayor profundidad de muestreo. De igual forma, en una investigación realizada en Ecuador, sobre la eficiencia de la implementación de un programa de pago por servicios ambientales (PSA), sobre las reservas de carbono, los autores resaltan el alto potencial del suelo de páramo, como sumidero, entre 206,1 y 548,6 tC ha^-1, siendo representativas profundidades de muestreo hasta un máximo 60 cm (^{Bremer et al. 2016}).

En general, los valores de COS obtenidos en el Parque Natural Regional Cortadera concuerdan con los reportados por ^{Gutiérrez et al. (2020)}, en donde los valores oscilaron entre 22 y 338 t ha^-1, con promedio de 164 t ha^-1, en páramos de Colombia y, específicamente para Boyacá, los valores máximos de COS fueron de 289.07 t ha^-1, mínimos de 64.79 t ha^-1 y un promedio de 161.4 t ha^-1 (^{Gutiérrez et al. 2020}). Asimismo, son altos, comparados con los reportados por ^{Fernández-Pérez et al. (2019)}, en el páramo de Rabanal, en Boyacá, con valores entre 46,7 y 106 tC ha^-1, para las profundidades de 0-15 y de 15-30 cm, respectivamente y con los obtenidos por ^{Visconti & De Paz (2017)}, en España, en donde encontraron valores promedio de 50,48 a 66,56 tC ha^-1.

Variación temporal de COS. Respecto a la variación temporal de los contenidos de COS, entre el 2013-2018-2020, como se observa en la tabla 1, se presenta un marcado descenso de los valores de COS en la PPM conservada. En este punto, se destaca el papel de la densidad aparente (ρb), como factor multiplicador, pues tal como se presenta en la tabla 1, la ρb, para el uso conservado en el 2013, alcanza valores de 1,39 g cm^-3, difiriendo de lo hallado, bajo el mismo escenario, en 2018, con una ρb de 0,41 g cm^-3 y 0,33 cm^-3, para el 2020, en la misma profundidad. La densidad aparente en otros suelos de páramos conservados, se reporta con valores entre 0,62 a 0,8 g cm^-3 (^{Estupiñan et al. 2009}; ^{Zúñiga-Escobar et al. 2013}; ^{Daza Torres et al. 2014}). ^{Daza Torres et al. (2014)} mencionan que la baja densidad aparente de estos suelos se da por sus características orgánicas, alta porosidad y la gran cantidad de especies vegetales y sus sistemas radiculares en los primeros centímetros del suelo, lo que les confiere gran capacidad de almacenamiento de agua.

Tabla 1 Descripción de la variación de valores de carbono orgánico CO (%), densidad aparente ρb (g cm^-3) y carbono orgánico en el suelo COS (tC ha^-1), en las dos profundidades de estudio (0-15 y 15-30 cm) y para 2013, 2018 y 2020. 

Por su parte, ^{Quichimbo et al. (2012)} afirman que la materia orgánica presente en el suelo influye directamente sobre propiedades físicas, como la estructura, lo que se traduciría en valores más bajos de densidad aparente en suelos en conservación y, con ello, mayor capacidad de mantener las funciones ecológicas del páramo y brindar servicios ecosistémicos, como la regulación hídrica y la captura de carbono.

Al comparar las concentraciones de carbono orgánico del suelo (%CO) en el PPM conservado (Tabla 1), se observaron diferencias significativas entre los años y en ambas profundidades; esto permite concluir, que es importante incluir estudios enfocados a corregir la ecuación para la determinación de COS, siendo un factor crucial para adelantar este tipo de análisis, ya que permitirá establecer, de manera más adecuada, valores reales y verificables, para cada tipo de uso del suelo. Cabe resaltar que, en algunas ocasiones, no siendo este el caso, se ha evidenciado que la ρb es determinante a la hora de realizar la comparación entre un uso intervenido y otro conservado, lo cual, puede llegar a distorsionar los cálculos de las reservas de COS. Por su parte ^{Ellert & Bettany (1995)} mencionan que las evaluaciones de los cambios inducidos por el manejo en las cantidades de carbono y de otros elementos almacenados en los suelos, son influenciadas por el método utilizado para calcular la concentración del elemento. Las estimaciones convencionales de masas de elementos en horizontes genéticos o profundidades de muestreo fijas (calculado como el producto de la concentración, la densidad aparente y el espesor) resultan en comparaciones desiguales e injustificadas, porque el muestreo de suelo y la identificación de la formación de horizontes en el campo pueden ser indicadores poco fiables de la redistribución del mismo.

De manera general, cada una de las PPM, en la fase monitoreo, presentó una tendencia similar frente a la línea base, manteniéndose valores elevados de COS en ecosistemas en estado de conservación y decreciendo en áreas de páramos, que tienen algún grado de intervención, en este caso, agricultura; sin embargo, si se analiza la parcela bajo un uso intervenido en conjunto (0-15 cm y 15-30 cm), para los tres periodos de estudio, se encuentra que, independientemente de la densidad aparente, la cual, se presentó como constante, este uso fue el único que tuvo un aumento respecto a la línea base (Tabla 1). ^{Patiño et al. (2021)} afirman que el pastoreo compacta el suelo y aumenta la densidad aparente, reduciendo la infiltración y la capacidad de retención de agua. La agricultura aumenta la macroporosidad y promueve la pérdida de nutrientes y materia orgánica del suelo. Por último, la forestación con especies exóticas, por ejemplo, con pinos o eucaliptos, disminuye la materia orgánica del suelo y la capacidad de retención de agua, al cambiar la estructura del suelo.

El almacenamiento de COS se ve afectado directa o indirectamente por los humanos, los cambios en el uso de la tierra, la erosión del suelo, el cambio climático, las comunidades de microbios y sus actividades y las propiedades fisicoquímicas del suelo (^{Zhu et al. 2021}). En este sentido, la dinámica del cambio de uso y manejo del suelo aparece como un factor determinante en escenarios de calentamiento global, puesto que el suelo “puede ser una espada de doble filo” como sumidero, a través del almacenamiento de grandes cantidades de carbono orgánico (COS) (^{De Souza Barros, 2013}) y como fuente neta de GEI, debido al desarrollo de prácticas insostenibles de manejo y la mineralización acelerada del COS (^{De Souza Barros, 2013}). Como indica ^{Thompson et al. (2021)}, el páramo andino se destaca por su alto almacenamiento de carbono en el suelo y su contribución a los servicios ecosistémicos; sin embargo, la capacidad del páramo para mantener altos niveles de carbono en el suelo, se ve amenazada por el cambio de uso de la tierra de pastizales y matorrales a usos agrícolas.

Respecto a la influencia de la profundidad de muestreo, se encontró que, en la mayoría de PPM evaluadas, sin importar la condición de uso del suelo, los contenidos de COS tienden a aumentar, a partir de los 15 cm. Estos resultados, se validan con información presentada por ^{Olson & Al-Kaisi (2015)}, y ^{Cunalata et al. (2013)}, quienes indican que a dicha profundidad los procesos de humificación en el suelo tienden a ser más estables; sin embargo, contrastan con lo reportado por ^{Padbhushan et al. (2022)}, quien afirman que los cambios en las reservas y las propiedades de carbono del suelo, son más pronunciados en los suelos superficiales (0-15 cm) que en los suelos subterráneos (15-30 cm y 30-45 cm).

Con relación a la frecuencia del monitoreo, ^{Calderón et al. (2013)} proponen cuantificar los reservorios de carbono de un ecosistema cada dos años, pudiendo variar, dependiendo de los intereses científicos y de los recursos económicos disponibles. Además, ^{González-Molina et al. (2008)} mencionan que, al momento de determinar el cambio temporal del carbono en suelos, se deben considerar las laderas y con miras a disminuir errores, se recomienda estandarizar procesos en laboratorio; además, es recomendable tener un banco de datos del suelo del primer muestreo, con el fin de realizar los mismos procesos metodológicos con el nuevo muestreo.