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Radiografía del carbono: fracciones de C del suelo y su evaluación

Radiografía del carbono: fracciones de C del suelo y su evaluación

Radiografía del carbono: fracciones de C del suelo y su evaluación

La agricultura tiene un rol importante sobre la producción y secuestro de gases de efecto invernadero y, por lo tanto, sobre el cambio climático. La generación de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4), producto de la degradación aeróbica y anaeróbica de la materia orgánica del suelo, respectivamente, contribuyen al efecto invernadero, mientras que la fijación de CO2 atmosférico a través de la fotosíntesis y su transformación en materia seca vegetal y materia orgánica en el suelo, contribuyen al secuestro de C, permitiendo mitigar los efectos del cambio climático y una mejor adaptación al mismo, a partir del mejoramiento del suelo.

El aumento de los niveles de materia orgánica del suelo permite secuestrar C y disminuir los niveles de CO2 atmosférico. En Chile, según ODEPA existen 18 millones de hectáreas con uso silvoagropecuario, las cuales podrían contener entre 2.300 y 3.700 teragramos de C (1 teragramo = un millón de toneladas) en los primeros 30 cm de profundidad. Un aumento promedio de 1% de la materia orgánica del suelo significaría entre un 10 y un 15% de aumento en el C secuestrado.

Para entender el ciclo del C es importante conocer la materia orgánica del suelo, sus fracciones y los métodos analíticos para su determinación.

IMPORTANCIA DEL C ORGÁNICO Y FRACCIONES EN SUELO

La mayoría de la materia orgánica de los suelos proviene de residuos de tejido vegetal, pero también se encuentra material orgánico que procede de los insectos, lombrices y mesofauna muerta, así como de algas y microorganismos. Las plantas contienen, en su materia seca, diferentes elementos como hidrógeno, oxígeno y pequeñas cantidades, aunque muy importantes para el manejo de la fertilidad de suelo, de azufre, nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y magnesio, además, por supuesto, de grandes cantidades de C que fue producido a partir de la fotosíntesis.

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La materia orgánica del suelo entonces no corresponde a un solo componente, sino que se encuentra en diferentes fracciones o pooles, según la etapa de degradación o evolución de la degradación. Se cuenta entonces con una fracción de organismos vivos que incluyen raíces y microrganismos (10-20%), material en descomposición (40%) y material estabilizado y resistente como humus (40-50%), (Ver figura 1). Es esta fracción más resistente o recalcitrante la que permite secuestrar C en el largo plazo.

Las fracciones de la materia orgánica además tienen diferentes características y, de acuerdo al grado de facilidad para descomponerse (labilidad), muchos autores las clasifican en: materia orgánica superficial fresca; parcialmente descompuesta o particulada; materia orgánica humificada y materia orgánica altamente resistente (grafito-Figura 3).

La relación entre el contenido de carbono y el contenido de nitrógeno en base seca, C:N, es un indicador que define el tipo de material y su facilidad de descomposición, por lo que materiales como aserrín de maderas duras presenta alta relación C:N, mientras que los lodos de plantas de tratamiento de aguas servidas, guanos y purines presentan relaciones C:N más bajas y por lo tanto mayor labilidad.

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El total de materia orgánica acumulada en el suelo depende de sus propiedades como textura, pH, temperatura, humedad, aireación, presencia y tipo de arcillas, actividad biológica y de los aportes de materiales orgánicos al ecosistema. Al mismo tiempo, la incorporación de materia orgánica al suelo modifica dichas propiedades y contribuye a aumentar la productividad primaria y fijar más CO2 vía fotosíntesis.

FUNCIONES DE LA MO EN EL SUELO

La materia orgánica cumple diferentes funciones en el suelo y contribuye a que éste provea de mejor forma los diferentes servicios ecosistémicos que presta. Además de aportar nutrientes al suelo, la materia orgánica ofrece protección contra la erosión hídrica y eólica o el estrés hídrico, detoxificación de los suelos, regulación de las inundaciones y mejora la calidad de agua.

Por tanto, el C orgánico del suelo determina, en gran medida, la sustentabilidad de los sistemas agrícolas y forestales, pues está asociado a diferentes propiedades que definen no solo la calidad y la salud del suelo, sino también las funciones del ecosistema.

FUENTES DE MO

Existen muchas y diversas fuentes de materia orgánica, posibles de usar en agricultura, desde los residuos de cosecha y estiércoles frescos, pasando por materiales estabilizados, compost y vermicompost y materiales humificados o sustancias húmicas (como los ácidos húmicos / fúlvicos obtenidos de C fósil como leonarditas), (Ver figura 3).

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La aplicación de cada uno de estos materiales causa distintos efectos en el suelo. Por ejemplo, los guanos o estiércoles estabilizados, que han pasado por un proceso térmico corto, pero no alcanzan niveles de madurez o compostación suficiente, aportan importantes niveles de N-NH4 sirviendo más como fertilizante que como enmienda.

Por otra parte, el compost y vermicompost, que alcanzan cierto grado de humificación, pueden considerarse como una enmienda orgánica.

Finalmente, las sustancias húmicas, son enmiendas orgánicas que tienen un tiempo de residencia media de varios años, pudiéndose acumular en el suelo, contribuyendo a mejorar sus propiedades físicas y químicas como la estructura y la Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC), además de actuar como bioestimulante, de manera directa o a través del aumento de la actividad de microorganismos rizosféricos.

FRACCIONES DE C EN EL SUELO

La cantidad de C orgánico en un suelo depende de diferentes factores como el equilibrio entre la cantidad de C que entra y la que sale como gases producto de la respiración aeróbica o anaeróbica del suelo, esto es CO2 o CH4, y que proceden del proceso de mineralización que realizan los microorganismos sobre las diferentes fracciones de materia orgánica.

Durante la mineralización, existen diferentes procesos bioquímicos asociados que dependen del origen y el grado de descomposición de la materia orgánica aportada. Este proceso dará lugar a distintas fracciones de C en el tiempo:

• C soluble, lábil y de fácil descomposición por parte de microorganismos;

• C o materia orgánica particulada, igualmente fresca y lábil, que constituye el litter o mantillo y está formada por productos del efecto físico- mecánico y bio químico de la digestión de animales de la mesofauna sobre la materia orgánica;

• C humificado, complejo químico producto de la unión de pequeñas moléculas de diferente naturaleza que forman polímeros complejos como los ácidos húmicos;

• C altamente resistente conformado por los depósitos de carbón, grafito o materia orgánica carbonizada, que presenta propiedades térmicas.

MÉTODOS DE EVALUACIÓN

1. Evaluación de productos orgánicos:

Los productos orgánicos, ya sean comerciales o producidos en el campo, pueden ser caracterizados en sus propiedades físicas, químicas y biológicas, para definir sus usos y predecir sus efectos en el suelo. Los análisis más comunes son: C total, N total, relación C/N, pH, conductividad eléctrica, metales pesados e inocuidad. Además de ello, es posible fraccionar el C en C soluble, C de extracto húmico total (C-EHT), C de ácidos húmicos (C-AH) y C de ácidos fúlvicos (C-AF).

2. Evaluación de fracciones de C en suelo:

Existen muchos métodos para la evaluación de las distintas fracciones de C en el suelo, incluyendo directos e indirectos. Los métodos directos más comunes incluyen la determinación de C orgánico total (materia orgánica), C soluble, carbono microbiano, C de ácidos húmicos (C-AH), C de ácidos fúlvicos (C-AF) y C de huminas.

• El carbono orgánico total puede ser determinado a través de combustión seca o a través de una digestión ácida en presencia de dicromato de potasio.

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• El C soluble es extraído con agua y la muestra filtrada a través de un filtro de poro pequeño (0,45 micras). El C se puede determinar tanto por combustión seca o colorimetría.

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• El C de la biomasa microbiana está asociado al contenido de materia orgánica lábil del suelo. Representa parte del componente vivo, en este caso microbiano, de la materia orgánica del suelo y por tanto responde rápidamente a efectos de perturbación o recuperación de suelos. Algunos autores consideran que puede ser un indicador para estimar el pool de nutrientes disponibles o que corresponde a la fracción activa de la materia orgánica del suelo y que modula la disponibilidad de nutrientes Existen diferentes métodos para su determinación, como el método cloroformo fumigación-incubación (CFI) (Jenkinson & Powlson 1976), el método cloroformo fumigación-extracción (CFE) (Brokes et al. 1985), el método respiración inducida por substratos (SRI) (Anderson & Domsch 1978) y el método del trifosfato de adenosina (ATP) (Webster et al. 1984). Sin embargo, el método de fumigación por cloroformo es el más comúnmente empleado.

• Finalmente, el fraccionamiento, de C en C-AH, C-AF y C-huminas, se realiza a través de una extracción alcalina del suelo. El extracto luego se acidifica para separar el EHT en AH y AF. En cada fracción se determina el contenido de C (Figura 4).

2.1 Evaluación del C lábil del suelo:

Entre los métodos indirectos de determinación de C lábil del suelo, se encuentra la respiración de suelos, densidad de lombrices o determinación de metabolitos o enzimas.

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Dispositivo de captura de CO2 en campo.

• Respiración de suelos: Hace referencia a la oxidación de C como fuente de energía para la producción de biomasa microbiana, la cual produce CO2 y CH4, producto de la respiración de organismos vivos en el suelo. Estos organismos incluyen mesofauna y raíces, así como microorganismos que, al actuar sobre la materia orgánica, producen su oxidación (en presencia de O2) con producción de CO2 en condiciones aerobias o CH4 en condiciones anaeróbicas. En condiciones de saturación de humedad, los microorganismos emplean NO3 como fuente de oxígeno para lograr la descomposición de la materia orgánica, lo que lleva a procesos de desnitrificación y pérdidas de N2 en forma gaseosa. La relación C/N tiene también un papel fundamental de estos procesos, necesitándose relaciones C/N < 20 para que ocurra la mineralización de la materia orgánica.

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La respiración se determina empleando dispositivos (Figura 6) para captura de CO2 que se colocan en campo, o mediante pruebas de laboratorio, donde se emplean trampas de CO2 y se cuantifica la producción del mismo en el tiempo (Figura 6). Puede determinarse también empleando materia orgánica o sustratos específicos sobre el suelo para evaluar la producción de los gases de C y la tasa de desaparición del sustrato carbonado. Las unidades utilizadas para expresar la tasa respiratoria del suelo corresponden a la liberación de C – CO2 en kg/ ha/día y esta producción está fuertemente afectada por factores como la temperatura o la presencia de compuestos tóxicos que afecten directamente el metabolismo microbiano.

Las lombrices de tierra se emplean como indicadores de calidad de suelo, justamente porque la biomasa de lombriz depende directamente de la presencia de pooles de materia orgánica (C) fresca en suelo, humedad y temperaturas medias. No existe acuerdo en un indicador de densidad de lombrices / m2, pues ésta varia con el ambiente, la disponibilidad de materia orgánica y humedad, además de la profundidad de suelo.

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Así se reconocen tres grupos de lombrices de tierra: 1) Epigeas o superficiales: encargadas de la degradación de materia orgánica superficial y que sirven además como indicadores del efecto de arado; 2) Endógenas, ubicadas en el perfil de suelo y cuya función es mezclar la materia orgánica y minerales participando en la agregación del suelo y 3) Anésicas, que se encuentran en las profundidades del suelo ( >1 m) como Lumbricus terrestris y son las encargadas de hacer galerías verticales y participar activamente en el mejoramiento de la infiltración de agua en suelo.

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Cámaras para determinación de respiración de suelos en laboratorio.

Otros métodos asociados a la determinación de C orgánico en suelo incluyen la microscopia de epifluorescencia, FISH, concentración de glomalina (asociada a la presencia y actividad de hongos formadores de micorriza), actividad de la enzima deshidrogenasa, actividad esterasa o el potencial bioquímico de producción de metano.

La materia orgánica en el suelo presenta elevada variabilidad, así como sus distintas fracciones, por lo que las metodologías aplicadas deberían estar basadas en muestreos adecuados, preferentemente en grilla, de tal forma que se puedan generar mapas y realizar un manejo sitio-específico del suelo (Figura 5).

CONSIDERACIONES FINALES

La materia orgánica en suelos está formada por diferentes fracciones, todas ellas diversas en estabilidad a la degradación, y con diferentes funciones, por lo que el porcentaje de materia orgánica (%MO) resulta un indicador global, pero no necesariamente sensible. En especial, para evaluar los efectos sobre la actividad biológica y calidad de suelo, deberían considerarse además otras fracciones de C, así como indicadores más sensibles como respiración de suelo o actividad enzimática.

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