1 El suelo como almacén de carbono: criterios para calidad

Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 6(11): 44-55 2015

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1 El suelo como almacén de carbono: criterios para calidad de carbono secuestrado

en suelos

The soil as carbon store: criteria for carbon quality sequestered in soils

1, 2Miguel Ángel Valera Pérez, 1Argelia Ríos Posada, 1Araceli Coyotl Tzompa, 1Gladys Linares

Fleites, 1María Guadalupe Tenorio Arvide y 2María Laura Sampedro Rosas.

1Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Instituto de Ciencias, 2Universidad Autónoma de

Guerrero, Unidad de Ciencias de Desarrollo Regional, Doctorado en Ciencias Ambientales.

Avenida 14 Sur 6301 Fraccionamiento Jardines de San Manuel, C.P. 72470, Puebla, Puebla,

México, Tel: (222)2295500, Ext. 7355, Correo electrónico: [email protected].

RESUMEN. Para conocer el potencial de Secuestro de Carbono en los diferentes suelos se

requiere de evaluar la naturaleza, origen y resiliencia de sus Sustancias Húmicas.

Características cualitativas de las formas en se estabiliza el Carbono en los suelos

denominada Calidad de Carbono Secuestrado. Por ello los objetivos del trabajo fueron

determinar si propiedades como Grado de Humificación, Índice Melánico y Umbral de

Coagulación de los Ácidos Húmicos, pueden ser consideradas como indicadoras de esto.

Así como también comparar los contenidos totales de Carbono Orgánico de los suelos con

las características de sus Ácidos Húmicos y establecer si existen cambios significativos en

los Ácidos Húmicos de los suelos que soportan vegetación forestal, cuando es modificado

el uso de forestal a agrícola. El trabajo se realizó en la zona de suelos volcánicos de la

Región Terrestre Prioritaria para la Conservación “RTP-106 La Malinche”, estado de

Puebla, México, seleccionándose áreas con criterios de uso del suelo y periodos en que se

cambio por deforestación. Se demostró que si existen cambios significativos en los Ácidos

Húmicos de los suelos que soportan vegetación forestal, cuando es modificado el uso a

agrícola y fue posible establecer que Grado de Humificación, Índice Melánico y Umbral de

Coagulación de los Ácidos Húmicos, pueden ser consideradas propiedades indicadoras de

Calidad de Carbono Secuestrado.

Recibido: Enero, 2015.

Aprobado: Abril, 2015


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ABSTRACT. To know the potential of carbon sequestration in the different soils is

necessary to assess the nature, origin, and resilience of their humic substances. The

qualitative characteristic of the form about how the carbon is stabilized in the soil is called

Quality of Sequestered Carbon. Therefore the objectives of the study were to determine if

properties such as: humification degree, melanic index, and coagulation of humic acid can

be considered as indicators of carbon sequestration. As well as compare the total contents

of soil organic carbon with the characteristics of their humic acids and to establish whether

there are significant changes in the humic acids of the soils that support forest vegetation,

when it is modified the use from forestry to agriculture. The study was realized in volcanic

soils area of Priority Terrestrial Area 106: La Malinche, Puebla State, Mexico; the selection

of the areas was done with criteria of land use and periods of change by deforestation. It

was proved that there are significant changes in the humic acids of the soils under forest

vegetation, compared with their change to agricultural use; it was possible to identify

humification degree, index melanic and coagulation of the humic acid; those values can be

considered as indicators of Quality of Sequestered Carbon.

Palabras clave: Degradación Biológica, Sustancias Húmicas.

Key words: Biological Degradation, Humic Substances.

INTRODUCCIÓN

A nivel internacional, el Secuestro de Carbono se ha convertido en una estrategia para

mitigar los efectos del calentamiento de la atmósfera, pero además supone un medio

adicional para frenar los procesos de degradación de los suelos y aumentar su calidad desde

una perspectiva ambientalmente sustentable (Rodeghiero y col., 2010). El Secuestro de

Carbono se define como el proceso por el cual el CO2 de la atmósfera se incorpora en

formas almacenadas fundamentalmente en el suelo y la biomasa, quedando temporalmente

inmovilizado respecto a la circulación biogeoquímica durante largos periodos de tiempo.

Ciertas estimaciones sugieren que el conjunto de suelos del planeta constituyen la principal

reserva de Carbono, acumulando probablemente de 1,500 a 2,000 Pg (Pg = petagramo = 1

billón de toneladas métricas) (Eswaran y col., 1993). A pesar de la importancia del

Secuestro de Carbono en los procesos de cambio global relacionados con el Efecto

Invernadero, su evaluación se encuentra muy limitada debido a que sólo se conocen

parcialmente los mecanismos de formación y transformación de la Materia Orgánica en los

suelos. Esta situación se hace especialmente patente en el caso de las Sustancias Húmicas,


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que consisten en macromoléculas complejas, diferentes a los constituyentes de la biomasa

(García-Calderón, 2001). Estas sustancias representan una fracción mayoritaria de la

reserva de Carbono recalcitrante en suelos y su estructura molecular es muy poco conocida.

Los conceptos clásicos postulan un predominio de estructuras aromáticas en las fracciones

estabilizadas de la Materia Orgánica del Suelo (hipótesis que contemplan a las ligninas y

los metabolitos aromáticos microbianos como principales precursores de las Sustancias

Húmicas) (Frimmel y Christman, 1988). Aparte del interés de conocer el potencial de

Secuestro de Carbono en los diferentes suelos, los modelos biogeoquímicos sobre el ciclo

del Carbono requieren de la evaluación, no sólo de la cantidad total, sino también de la

naturaleza, origen y resiliencia de la Materia Orgánica secuestrada. Características

cualitativas de las formas en que se ha estabilizado el Carbono en los suelos y que

denominaremos como Calidad del Carbono Secuestrado, lo que justifica su estudio

fisicoquímico. Los criterios actuales sobre Secuestro de Carbono para proyectos de

servicios ambientales en México, no consideran el Carbono de los suelos, mucho menos las

características de las Sustancias Húmicas. En este contexto, interesa conocer el contenido

original del Carbono Orgánico y Sustancias Húmicas en el suelo, además de sus posibles

cambios originados por un uso inadecuado del recurso (González-Pérez y col., 2010).

Durante este trabajo se realizó una comparación de los contenidos totales de Carbono

Orgánico de los suelos con las características fisicoquímicas de sus Sustancias Húmicas, en

específico las características de los Ácidos Húmicos relacionadas con su peso molecular

(determinación del Umbral de Coagulación) y la cantidad de grupos funcionales orgánicos

aromáticos conjugados en una misma molécula, denominada Condensación Aromática

(determinación de Índice Melánico y Grado de Humificación). También se determinó la

existencia de cambios significativos en los Ácidos Húmicos de los suelos que soportan

vegetación forestal, cuando es modificado el uso a agrícola. Los resultados del presente

trabajo tendrán utilidad para definir políticas sobre reforestación, pago por servicios

ambientales para los sistemas forestales, acciones en los programas de manejo de áreas

naturales protegidas y servirán como criterios fundamentales para los programas de

adaptación y mitigación del Cambio Climático en los sistemas agrícolas y forestales.

El objetivo del proyecto fue el determinar si el Grado de Humificación, el Índice Melánico

y el Umbral de Coagulación de los Ácidos Húmicos, pueden ser considerados como

propiedades indicadoras de Calidad de Carbono Secuestrado en Suelos. También se

compararon los contenidos totales de Carbono Orgánico de los suelos con las características

de sus Ácidos Húmicos (Grado de Humificación, Índice Melánico y Umbral de

Coagulación) para establecer si existen cambios significativos en los Ácidos Húmicos de

los suelos que soportan vegetación forestal, cuando es modificado el uso de forestal a

agrícola.

METODOLOGÍA


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El trabajo se realizó en la zona de suelos volcánicos de la Región Terrestre Prioritaria para

la Conservación “RTP-106 La Malinche” correspondiente al estado de Puebla. La RTP-106

fue establecida por la CONABIO por tratarse de un área cuyas características físicas y

bióticas favorecen condiciones particularmente importantes desde el punto de vista de la

biodiversidad, en diferentes ámbitos ecológicos (Arriaga y col., 2000). La delimitación de

la zona de estudio, así como de las micro-cuencas que la integran, se hizo con base en la

cartografía del INEGI. Se seleccionaron diferentes áreas considerando los criterios de uso

del suelo y periodos en que se cambió, las áreas cuya deforestación hubiese ocurrido antes

de 1986, aquellas que fueron deforestadas en el periodo 1986-2002 y las conservan

vegetación forestal, éstas fueron identificadas por medio de imágenes de percepción remota

(imagen tomada por el Satélite Landsat, 1986; y Ortofoto en blanco y negro escala 1:20000,

2002). En el diseño de muestreo (Figura 1), se empleó el método de “Cartografía

Geoestadística” (Webster y Oliver, 2007), consistente en la aplicación de técnicas

estadísticas al estudio de la distribución de los suelos o de alguno de sus atributos. El suelo

se observara de forma regular por medio de una malla y se utilizan métodos matemáticos

para interpolar y generalizar a la superficie comprendida entre puntos de observación

continuos (Legros, 2006).

Se estimó del tamaño de la muestra para probar diferencia entre las tres medias de los

bloques considerados, para ello se estableció como primera aproximación que la magnitud

del efecto es moderada (2), fijándosele un valor de 0.20, un nivel de significancia de 0.05

y una potencia de 0.80. La tabla estadística de Jaccard y Becker (1990) establece un tamaño

de muestra de 14 para cada uno de los tres bloques, con = 0.05, (1-) = 0.80 y 2 = 0.20.

Se decidió, sin embargo, fijar un tamaño de muestra de n = 15. Se verifico la accesibilidad

de los sitios previamente seleccionados y georeferenciados y se tomaron las muestras de

suelo a una profundidad de 0 a 15 cm (Manfrinato y col., 2001; Jandl y col., 2001). En el

laboratorio se determinaron las propiedades físicas y químicas de los suelos con base en el

“Soil Survey Laboratory Methods Manual” (Burt, 2004) y en la NOM-021-RECNAT, el de

densidad aparente se efectuó por la metodología propuesta por la NRCS (1999). Finalmente

se procedió a la extracción y fraccionamiento de las Sustancias Húmicas del suelo y la

caracterización de los Ácidos Húmicos obtenidos mediante las determinaciones del Umbral

de Coagulación, Grado de Humificación e Índice Melánico (Kumada, 1987; Ruíz y col.,

1997).


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Figura 1. Cuadrícula trazada para la localización de los puntos de muestreo.

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29

29

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San M

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N

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595 500

595 500

597 000

597 000

598 500

598 500

600 000

600 000

211 350 0 211 350 0

211 500 0 211 500 0

211 650 0 211 650 0

211 800 0 211 800 0

211 950 0 211 950 0

212 100 0 212 100 0

Á rea de m ues treo

Vegetac ión año 2002

Zona de Es tudio

Á rea defores tada,

per iodo 1986-2002

Poblaciones

SIMBO LOG ÍA

Puntos de m uestreo: Á rea

deforestada (1986-2002)#

#

#Puntos de m uestreo: Á rea

deforestada antes de 1986

Puntos de m uestreo: Á rea

con vegetación, año 2002

Escala 1:50 000


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Una vez efectuada la caracterización de las zonas con la obtención de los diferentes datos

cuantitativos, se efectuaron estudios estadísticos exploratorios de los datos en sus aspectos

univariados, bivariados y multivariados. Por último se llevó a cabo el análisis

geoestadístico de los suelos (Krasilnikov y col., 2008).

RESULTADOS

Se obtuvieron muchos resultados de este trabajo, por lo que solo se presentaran los más

relevantes. Respecto a la evaluación de la deforestación en la zona en estudio y con base en

la imagen tomada en 1986 por el Satélite Landsat y la Ortofoto de fecha 2002, se estimó

mediante técnicas cartográficas (ver figura 1), que hubo una reducción de la superficie

boscosa de 5,934 a 5,650 ha entre los años 1986 y 2002, significando una pérdida de

superficie forestal de 284 ha (2.84 Km2), de las cuales poco más de 191 ha se encuentran en

el municipio de Puebla. La reducción anual de bosque fue de 17.75 ha, es decir, la tasa de

deforestación porcentual fue de 0.3 % anual. Esta tasa es 0.5 y 1.7 % menor que el rango de

tasas de deforestación registrado en el último inventario forestal nacional; sin embargo es

comparable con la promedio existente a nivel mundial (0.2%).

Al analizar los resultados obtenidos sobre las propiedades físicas y químicas de los suelos

se encontró que la resiliencia (capacidad de amortiguamiento) de los suelos estudiados en la

región es buena. Esto se manifiesta en el hecho de que no hubo un cambio significativo en

las propiedades de densidad aparente y porcentaje de Carbono Orgánico contenido en los

suelos deforestados después de 1986 en comparación con los suelos con vegetación

forestal. Sin embargo cuando se sobrepasa la capacidad de carga del sistema, no es posible

seguir amortiguando los cambios y empiezan a ocurrir modificaciones de las propiedades

del suelo. Esto es lo que sucedió en los que fueron deforestados antes de 1986 (figura 2).

Estadísticamente, los suelos deforestados entre 1986 y 2002 y los suelos con vegetación

forestal, no son significativamente diferentes.


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a) Medias de la densidad aparente (g/cm3)

de los suelos, para los diferentes bloques

experimentales.

b) Medias del porcentaje de Carbono

Orgánico contenido en los suelos, para

los diferentes bloques experimentales.

8MAL = áreas deforestadas entre 1986 y 2002

0MAL = áreas que conservan vegetación forestal

MAL = áreas deforestadas antes de 1986




Figura 2. Gráficos descriptivos para los diferentes bloques experimentales

El humus contenido en el suelo es aparentemente estable y parece no haber sufrido una

mineralización y por consiguiente no hay una pérdida importante de Carbono Orgánico

fácilmente oxidable con el proceso de deforestación. Sin embargo se pudo comprobar que

el cambio en el uso del suelo en la región ocurrido antes de 1986 ha ocasionado una

emisión significativa de CO2 a la atmósfera, entendiéndose que se sobrepasó la capacidad

de carga y los suelos sufrieron Degradación Biológica. Los contenidos de Carbono

Orgánico encontrados para los suelos con vegetación forestal y los deforestados entre 1986

y 2002, vario entre 59.53 ton/ha y 66.11 ton/ha, sin embargo en los deforestados antes de

1986 fue de a 39.06 ton/ha, lo que significa que por concepto de Degradación Biológica, la

emisión de CO2 a la atmósfera en los suelos deforestados antes de 1986 fue de 23.76 ton/ha.

Sí se considera que estos suelos abarcan 11,390 ha en la zona de estudio, las emisiones se

calculan en 270,661 toneladas de CO2 (ó 270 Gg). Finalmente, las emisiones de CO2 en los

suelos deforestados antes de 1986 son comparables con el 0.3 % del total de CO2 emitido

en el rubro “Uso de suelo, Cambio de uso de suelo y Silvicultura” reportado en la Tercera

Comunicación Nacional ante la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el

Cambio Climático con datos del año 2002 (Comunicado de prensa Núm. 193/06 México,

D. F., a 17 de noviembre de 2006).

Los resultados del análisis geoestadístico de los suelos por medio del Krigeage ordinario

con respecto a la distribución espacial del porcentaje de Carbono Orgánico de los suelos de

la región estudiada se presenta en la figura 3, donde las medias locales no son


51

necesariamente próximas de la media de la población, usándose apenas los puntos vecinos

para la estimación. Siendo el Krigeage ordinario el método más ampliamente utilizado en

los problemas ambientales (Krasilnikov y col., 2008), se encontró que la distribución

espacial de los contenidos de Carbono Orgánico de los suelos en la región estudiada

corresponden con el patrón de distribución de la vegetación natural y uso del suelo.

Figura 3. Distribución espacial del % de Carbono Orgánico de los suelos de la región estudiada.

Estas propiedades se analizaron en muestras de suelo tomadas de localizaciones no

regulares, que son representativas de la zona de estudio. Estas observaciones pudieron ser

tratadas como datos geoestadísticos ya que son mediciones tomadas en localizaciones fijas

y en escala continua. (Linares y col., 2009).

Para cumplir con los objetivos del trabajo sobre la propuesta de considerar algunas

propiedades de los Ácidos Húmicos de los suelos como indicadoras de la Calidad del

Carbono Secuestrado. Los resultados obtenidos son claros al demostrar que si hay cambios

significativos en los Ácidos Húmicos de los suelos que soportan vegetación forestal,


52

cuando es modificado el uso de forestal a agrícola (ver figura 4) y más aun, que los

contenidos totales de Carbono Orgánico de los suelos no son suficientes para caracterizar

los procesos que están ocurriendo.

a) Medias del Umbral de Coagulación de los

Ácidos Húmicos medido a las 4 horas para los

diferentes bloques experimentales.

Los valores de 0.100; 0.125; 0.150 y 0.175 son

los mili-equivalentes químicos de CaCl2 que

provocan la coagulación de los Ácidos Húmicos

a las 4 horas.

b) Medias del Grado de Humificación

(relación E4/E6) para los diferentes

bloques.

Los valores de la relación E4/E6 se

obtuvieron por la determinación de la

absorbancia de la solución de Ácidos

Húmicos a concentración de 0.136 gL-1

de carbono, a las longitudes de onda de

465nm y a 665nm (465/665).







Figura 4. Gráfico descriptivo de los diferentes bloques experimentales

En los suelos de la zona que conservan su vegetación forestal, debido a la cubierta de litter

y a la alta humedad que se mantiene bajo las hojas, el ambiente que se forma no permite la

presencia de muchas bacterias que podrían mineralizar la materia orgánica, dominando la

presencia de hongos, ya que persiste una condición reductora de acuerdo con el valor del

potencial redox. La Calidad de Carbono Secuestrado es de Ácidos Húmicos de tipo P con

máximos contenidos totales (Kumada, 1987). Cuando se deforesta, cambia el potencial

redox a oxidante, cambian también las poblaciones de microorganismos del suelo. Al

aumentar la actividad biológica aumenta la concentración de Ácidos Húmicos tipo A y B,

disminuye la reserva de carbón aunque su disminución estadísticamente no es significativa

(Kumada, 1987). Pero una vez que se ha consumido por parte de los microorganismos el

sustrato orgánico de origen forestal original, se retorna a una condición de Ácidos Húmicos


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tipo P. Esto se puede apreciar en la figura 3 (análisis estadístico de dos propiedades

indicadores de Calidad, Grado de Humificación y Umbral de Coagulación), donde los

suelos de las áreas cuya deforestación ocurrió antes de 1986 (MAL) y los de las áreas que

conservan vegetación forestal (0MAL) presentan Ácidos Húmicos de tipo P. En la zona

deforestada entre 1986 y 2002 (8MAL), sin embargo, existen Ácidos Húmicos con un

mayor peso molecular y condensación aromática, así como una alta Melanización. Al

momento de deforestar, las bacterias comienzan a mineralizar la materia orgánica, por lo

que se cuenta con un suelo fértil, pero como lo a demostrado reiteradamente la experiencia

de los agricultores, con el tiempo esto se termina y el suelo se transforma en muy poco

fértil, en términos técnicos significa que se venció la Capacidad de Carga del suelo para

actuar como un amortiguador en contra de su degradación. En este trabajo y con el uso de

los indicadores de Calidad de Carbono Secuestrado en los suelos, determinamos que su

capacidad de carga se vence en un periodo de 16 años.

CONCLUSIONES

En la zona de suelos volcánicos de la Región Terrestre Prioritaria para la Conservación

“RTP-106 La Malinche” correspondiente al estado de Puebla, entre 1986 y 2002 se ha

perdido una superficie forestal de 284 ha (2.84 Km2).

Se calculó que las emisiones de CO2 a la atmósfera ocurridas durante este periodo son de

270,661 toneladas de (ó 270 Gg).

La resiliencia de los suelos estudiados se puede considerar como buena, ya que su

capacidad de carga para amortiguar la degradación biológica generada por el cambio de uso

venció en un periodo de 16 años.

La distribución espacial de los contenidos de Carbono Orgánico de los suelos en la región

estudiada corresponde con el patrón de distribución de la vegetación natural y uso del

suelo.

Se demostró que si existen cambios significativos en los Ácidos Húmicos de los suelos que

soportan vegetación forestal, cuando es modificado el uso de forestal a agrícola.

Fue posible establecer que el Grado de Humificación, el Índice Melánico y el Umbral de

Coagulación de los Ácidos Húmicos, pueden ser consideradas como propiedades

indicadoras de Calidad de Carbono Secuestrado en Suelos.


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1 El suelo como almacén de carbono: criterios para calidad