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Introducción
El suelo es un recurso esencial para la sustentabilidad ambiental, pues se relaciona directamente con el ciclo hidrológico y los ciclos biogeoquímicos. Sin embargo, su deterioro va en aumento debido a la presión que se ejerce por el incremento en la producción agrícola y pecuaria para satisfacer la demanda alimentaria (Burbano-Orjuela, 2016).
Uno de los servicios ecosistémicos que el suelo provee es la captura de Carbono, y esto lo convierte en un factor clave para la mitigación del cambio climático (Wagner-Riddle et al., 2007). Burbano (2016) señala que los suelos tienen la capacidad de almacenar hasta 1 500 Pg de C a 1 metro de profundidad. Por otra parte, Batjes (2014) menciona que los contenidos de C y N en el suelo están en función del uso de suelo, y se estima que la disponibilidad de Carbono orgánico del suelo (COS) y Nitrógeno total (Nt) en los primeros 100 cm de suelo varía de 1 462 a 1 548 Pg de C y 133 a 140 Pg de Nt. Sin embargo, a nivel mundial el suelo es sometido a diferentes actividades antropogénicas que están relacionadas con la degradación del suelo y alteran su capacidad como reservorio.
El cambio de uso de suelo afecta el reservorio de COS y la disponibilidad de Nitrógeno; dichos elementos son fundamentales para mantener la calidad y salud de suelo (Cantú y Yáñez, 2018).
Se estima que 80 % del Carbono que la vegetación y los suelos intercambian con la atmósfera corresponde a los bosques (Galicia et al., 2016). El Carbono (C) al incorporarse en el crecimiento de los árboles, estos actúan como sumideros (2.30 Gt C año-1) y desempeñan un papel importante en el balance de Carbono, lo que contribuye a reducir el contenido de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera procedente de las emisiones antropogénicas (Pardos, 2010).
Las reservas de Carbono y Nitrógeno del suelo fluctúan de acuerdo con el tipo de suelo, condiciones climáticas, geográficas, tipos de ecosistemas y usos del suelo (Hume et al., 2018); además, son indicadores de la calidad de la materia orgánica (Luna et al., 2023). Particularmente, el C es un componente clave en los ciclos biogeoquímicos, y el N es el encargado de definir la productividad del ecosistema (Di Gerónimo et al., 2018).
Por otra parte, la relación C:N es un buen indicador de la calidad de la materia orgánica del suelo, y está asociado a la velocidad de la mineralización del Nitrógeno. Gamarra et al. (2018) señalan que relaciones entre 10 y 14 se generan a partir de una rápida mineralización, la cual produce suficiente N para los microorganismos, mientras que relaciones altas (>20) indican una lenta descomposición.
Los lugares más áridos del territorio mexicano son ocupados por matorrales y pastizales, cubren la mayor parte de la planicie del estado de Nuevo León y brindan servicios ecosistémicos a más de la mitad de la población mexicana (Briones et al., 2020). Por otra parte, se considera que los pastizales y hábitats naturales tienen un alto potencial de reservorio de Carbono y Nitrógeno; sin embargo, la mayoría de los estudios están enfocados en analizar las capas superficiales (0-40 cm), lo que propicia incertidumbre acerca del comportamiento del Carbono y el Nitrógeno en estratos más profundos (Ward et al., 2016).
Jurado-Guerra et al. (2021) indican que los pastizales en México ocupan una superficie aproximada de 9 millones de hectáreas, y con un sistema de uso de pastoreo moderado presentan reservorios de COS de 24 a 34 Mg ha-1 en los primeros 30 cm del suelo.
Con base en lo anterior, el objetivo del presente estudio fue determinar el efecto de cambio de uso de suelo sobre los reservorios de COS y Nt, así como su distribución en diferentes estratos de profundidad en un Cambisol.
Materiales y Métodos
Área de estudio
El área de estudio se ubica en el ejido San Rafael, municipio Linares, Nuevo León; coordenadas UTM zona 14: 430500 E y 2737400 N, el cual presenta una precipitación media anual de 989.4 mm, una temperatura media anual de 21.3 °C y una altitud de 441 m (García, 2004). Dicha área pertenece a la Llanura Costera del Golfo Norte conformada por lomeríos suaves y llanuras (INEGI, 1986) (Figura 1).
Usos del suelo
Matorral Espinoso Tamaulipeco: vegetación nativa de la zona, constituido por más de 50 especies arbóreas y arbustivas (1 a 5 m de altura), sin intervención, entre las que predominan Havardia pallens (Benth.) Britton & Rose, Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit, Vachellia farnesiana (L.) Wight & Arn., Yucca filifera Chabaud, Ebenopsis ebano (Berland.) Barneby & J. W. Grimes, Prosopis laevigata (Humb. & Bonpl. ex Willd.) M. C. Johnst., Cordia boissieri A. DC., entre otras (Patiño-Flores et al., 2022).
Pastizal inducido: corresponde a un sistema de pastoreo intensivo con rotación en potreros y una carga de 8 UA ha-1, con periodos de descanso de 8 y 5 semanas en temporada de sequía y lluvias, respectivamente y una antigüedad de 20 años.
Suelo Cambisol
Se seleccionó un suelo Cambisol, cuyo nombre proviene del latín Cambiare, que significa cambiar. Son suelos jóvenes en los que se percibe modificación en las arcillas entre los horizontes, no muestran una distribución específica en ningún tipo de clima determinado, presentan acumulaciones moderadas de hierro, manganeso y arcilla, se caracterizan por una buena estabilidad estructural, alta porosidad y retención de humedad, textura media y un buen drenaje, pH neutro a ligeramente ácido, con buena fertilidad y actividad biológica (INEGI, 2015; IUSS, 2015).
Recolección de muestras
El muestreo se realizó en junio de 2021. Se seleccionaron dos parcelas de 400 m2 para cada uso de suelo (MET y pastizal). Se recolectaron cuatro muestras compuestas (n=4) (submuestras individuales) de 1.5 kg a cinco profundidades (0-5, 5-15, 15-30, 30-60 y 60-100 cm) (Ward et al., 2016; Conafor, 2017; Lefèvre et al., 2017), que sumaron 40 muestras en total (20 por uso de suelo). Simultáneamente, se extrajeron 4 muestras inalteradas para el cálculo de la densidad aparente (Da) en cada profundidad; para ello se introdujo un cilindro metálico (marca Soilmoisture ® , modelo 0200) de 5 × 5 cm, se secó a 105 °C durante 48 horas en una estufa de secado (Shel lab ®, modelo CE5F), y posteriormente se pesaron para determinar su masa en una báscula (Sartorius ®, modelo cp2202S) (Blake y Hartge, 1986). La densidad aparente es la masa por unidad de volumen incluyendo su espacio poroso (Gabriels y Lobo, 2006). En este estudio se utilizó la densidad aparente para calcular la cantidad de Carbono y Nitrógeno almacenados en el suelo Cambisol.
Todas las muestras se analizaron en el Laboratorio de Suelos y Nutrición de Bosques del Departamento Agroforestal de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Autónoma de Nuevo León.
Análisis de las propiedades químicas
El análisis del contenido de Carbono orgánico del suelo se determinó con el método de combustión húmeda según Walkley-Black para la obtención de materia orgánica y se aplicó el factor de corrección de Van Bemmelen (Semarnat, 2002; Ramos-Hernández y Martínez-Sánchez, 2020). Mientras que el Nitrógeno total se obtuvo por el método de digestión Kjeldahl (Bremner y Mulvaney, 1982), mediante el equipo Velp Scientifica ® modelo UDK159. La relación C:N se estimó a partir de los valores del COS y del Nt (Semarnat, 2002).
Reservorio de COS y Nt
Para el reservorio de COS (Mg ha-1) y Nt (Mg ha-1), se utilizó el porcentaje de ambos, la densidad aparente (Da, g cm-3) y el estrato de profundidad del suelo (Eps, cm) con la aplicación de las siguientes ecuaciones (González-Molina et al., 2008):
Donde:
COS = Carbono orgánico del suelo
Da = Densidad aparente
Eps = Estrato de profundidad del suelo
Nt = Nitrógeno total
Además, se calculó el reservorio acumulado de ambas variables en todo el perfil (0-100 cm) a partir de la sumatoria de los cinco estratos en cada uso del suelo.
Análisis estadístico
Con los datos reunidos, se realizaron pruebas de normalidad de Kolmogorov-Smirnov y homocedasticidad de Levene (Flores y Flores, 2021). El reservorio acumulado de Nt (Mg ha-1) en el perfil de 0-100 cm no cumplió con el supuesto de normalidad, por ello se emplearon pruebas no paramétricas para comparar entre usos de suelo (U de Mann-Whitney) (Steel y Torrie, 1980). La variable de reservorio acumulado de COS (Mg ha-1) en el perfil de 0-100 cm se analizó con la prueba de t-Student para detectar diferencias entre usos de suelo (Sánchez, 2015).
Asimismo, la variable COS (Mg ha-1) por estratos de profundidad no cumplió con ambos supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas, por lo que se aplicó la prueba de Kruskal-Wallis para detectar diferencias en cada uso de suelo (Sánchez-López et al., 2015); para la variable de Nt (Mg ha-1) por estratos, se utilizó un análisis de varianza y su respectiva prueba de Tukey (Gómez et al., 2019).
En cuanto a la relación C:N se utilizó una prueba de t-Student para comparar entre usos de suelo, así como un análisis de varianza y su respectiva prueba de Tukey para estratos (Berlanga y Rubio, 2012). Todos los análisis se realizaron con el programa SPSS® (Statistical Package for Social Sciences, SPSS), versión estándar 22 para Windows (IBM, 2013).
Resultados
Los valores medios del porcentaje de COS y Nt, así como la densidad aparente para cada uso de suelo (MET y Pastizal) registraron, de manera general, una disminución en los porcentajes de Carbono y Nitrógeno a medida que se incrementaba la profundidad del suelo; los estratos con los valores más altos y bajos se observaron en las profundidades 0-5 cm y 60-100 cm, respectivamente, en MET y Pastizal. La densidad aparente presentó variaciones entre profundidades en cada uso de suelo, en las que se detectó un incremento en el MET y Pastizal a medida que aumenta la profundidad del suelo, con excepción del estrato 60-100 cm en Pastizal, donde se perfila un ligero decremento (Cuadro 1).
Cuadro 1 Valores medios del COS, Nt y densidad aparente para los dos usos de suelo y estratos de profundidad.
| Variable | Uso de suelo | Promedio (cm) | Profundidad | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-5 | 5-15 | 15-30 | 30-60 | 60-100 | |||
| COS (%) | MET* | 5.99 | 5.17 | 1.53 | 0.88 | 0.78 | 2.87 |
| Pastizal** | 5.09 | 2.57 | 1.46 | 1.05 | 0.90 | 2.21 | |
| Nt (%) | MET* | 0.61 | 0.30 | 0.21 | 0.15 | 0.13 | 0.28 |
| Pastizal** | 0.42 | 0.18 | 0.15 | 0.17 | 0.12 | 0.21 | |
| Da (g cm-3) | MET* | 0.87 | 0.97 | 1.07 | 1.12 | 1.15 | 1.04 |
| Pastizal** | 1.13 | 1.14 | 1.16 | 1.17 | 1.06 | 1.13 | |
*MET = Matorral Espinoso Tamaulipeco; **Pastizal inducido de uso pecuario.
Reservorio de COS (Mg ha -1 )
Los hallazgos obtenidos a través de la prueba t-Student (p≤0.05) indicaron que existen diferencias significativas en el reservorio de COS entre los distintos usos del suelo en el perfil analizado de 0 a 100 cm de profundidad.
El MET registró una reserva promedio de 164.99 Mg ha-1 de COS, mientras que el Pastizal presentó una reserva promedio de 146.07 Mg ha-1, lo que representa una diferencia de 18.93 Mg ha-1 entre ambos usos, tal como se aprecia en la Figura 2.
Figura 2 Reservorio de Carbono acumulado en el perfil 0-100 cm para dos usos de suelo: Matorral Espinoso Tamaulipeco (MET) y Pastizal inducido de uso pecuario.
La prueba de Kruskal-Wallis reveló diferencias significativas entre los distintos estratos de profundidad para cada uno de los usos del suelo. Además, se identificó que el reservorio de COS varió entre 24.22 y 49.72 Mg ha-1 en distintos estratos de profundidad para el MET; en el Pastizal esta variable fluctuó entre 22.26 y 41.07 Mg ha-1 (Cuadro 2).
Cuadro 2 Reservorios promedio de COS (Mg ha-1) en los diferentes estratos de profundidad en dos usos de suelo.
| Usos del suelo | Profundidad (cm) | Chi cuadrado | Valor de p | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-5 | 5-15 | 15-30 | 30-60 | 60-100 | |||
| MET* | 25.89 | 49.72 | 24.22 | 29.26 | 35.91 | 12.75 | 0.013*** |
| Pastizal** | 22.36 | 24.31 | 23.21 | 35.12 | 41.07 | 14.47 | 0.006*** |
*MET = Matorral Espinoso Tamaulipeco; **Pastizal inducido de uso pecuario. ***Denotan diferencias significativas entre profundidad (Kruskal-Wallis p≤0.05)
Reservorio de Nt (Mg ha -1 )
La prueba de U Mann-Whitney (p≤0.05) arrojó resultados que indican diferencias significativas en el reservorio acumulado de Nt entre los distintos usos del suelo. En el MET se registró una reserva promedio de 19.83 Mg ha-1, mientras que el Pastizal tuvo una reserva promedio de 17.81 Mg ha-1, lo que representa una diferencia de 2.02 Mg ha-1 entre ambos usos (Figura 3).
Figura 3 Reservorio de Nitrógeno acumulado en el perfil 0-100 cm en dos usos de suelo: Matorral Espinoso Tamaulipeco y Pastizal inducido de uso pecuario.
El análisis de varianza para el reservorio de Nt indicó que existen diferencias entre los estratos de profundidad en ambos usos de suelo. La prueba de Tukey reveló que los primeros tres estratos del perfil, donde se ubican las reservas más bajas de Nitrógeno, no acusan diferencias significativas entre ellos en ambos usos del suelo. Además, el reservorio de Nt en el MET varió entre 2.64 y 5.92 Mg ha-1 en los distintos estratos de profundidad, y para el Pastizal fue de 2.03 a 5.76 Mg ha-1 (Cuadro 3).
Cuadro 3 Reservorios promedio de Nt (Mg ha-1) en diferentes estratos de profundidad por uso de suelo.
| Usos del suelo | Profundidad (cm) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0-5 | 5-15 | 15-30 | 30-60 | 60-100 | |
| MET* | 2.64b | 2.92b | 3.41b | 4.93a | 5.92a |
| Pastizal** | 2.36b | 2.03b | 2.55b | 5.76a | 5.11a |
*MET = Matorral Espinoso Tamaulipeco; **Pastizal inducido de uso pecuario. Medias con letras distintas son estadísticamente diferentes (Tukey p≤0.05).
Relación C:N
La proporción C:N no evidenció diferencias significativas entre los usos de suelo. Los promedios de la relación C:N para el MET fue de 9.28 y para el Pastizal de 10.73. Sin embargo, se detectaron diferencias en los análisis de varianza entre los distintos estratos de profundidad para cada uso de suelo. La prueba de Tukey indicó que la relación C:N es igual estadísticamente en los últimos tres estratos tanto en el MET, como en el Pastizal. De acuerdo con la Figura 4, las relaciones C:N más altas y bajas se presentaron en los mismos estratos de profundidad (5-15 y 30-60 cm) en ambos usos de suelo: en el MET fue de 17.2 y 5.9, y en el Pastizal de 16.3 y 7.0, respectivamente.
Discusión
Los reservorios de Carbono y Nitrógeno son afectados por el cambio de uso de suelo debido a las diferentes prácticas implementadas, así como a los cambios en los ciclos biogeoquímicos (Cocotle et al., 2022). En este sentido, Franco et al. (2015) afirman que el cambio de uso de suelo de la vegetación nativa a pastizales conlleva una disminución de 37 % en el COS y 43 % en Nt. Sin embargo, los resultados de esta investigación indican que la reducción de estas variables fue de 23 y 26 %, respectivamente. Piñeiro (2009) señala que el pastoreo interrumpe el ciclo de nutrientes debido al consumo de la biomasa área, lo que resulta en disminuciones de C y N en el suelo. Si bien existen diferencias entre usos de suelo, no son tan notorias; pues la acumulación de heces y orina del ganado son una fuente secundaria de depósito de C y N (Ortiz, 2021). De acuerdo con Ward et al. (2016), el pastoreo intensivo tiene un efecto directo sobre los contenidos de COS, y señalan que este disminuye conforme aumenta la profundidad; las mayores concentraciones se verifican en los primeros 7.5 cm, lo cual concuerda con esta investigación en la que, la mayor concentración de COS se registró en la profundidad de 0-5 cm.
Muñoz-Rojas et al. (2015) señalan que el cambio de uso de suelo puede generar pérdidas de COS hasta de 84 %. En particular, la conversión de Matorral a Pastizal produce una pérdida de 50 %, principalmente en los primeros 30 cm (Montaño et al., 2016). Resultados con tendencia similar (31 %) se obtuvieron en el presente estudio. Sin embargo, Campo et al. (2016) documentan que dicha conversión puede incrementar el reservorio de COS en los pastizales en función del manejo; situación que se observó en este estudio para los dos últimos estratos, donde el Pastizal acumuló 14.4 % más Carbono que el MET. Por ello, Conant et al. (2001) mencionan que la inclusión de prácticas de manejo como la fertilización, tipo de pastoreo, adición de vegetación nativa, introducción de leguminosas y gramíneas, macro y microorganismos descomponedores e irrigación incrementan dicho reservorio. Lo anterior puede atribuirse a que el Matorral presenta una mayor capacidad para acumular Carbono en la capa superior del suelo, por la mayor densidad de vegetación. Sin embargo, el Pastizal tiene una mayor capacidad para almacenar Carbono debido a la estructura y constante renovación de sus raíces, que llegan a capas más profundas del suelo.
La profundidad del suelo desempeña una función muy importante en los porcentajes de Nt, ya que la mayor cantidad de microorganismos responsables de la fijación de Nitrógeno y descomposición de la materia orgánica tienen su máxima actividad en la capa superficial y a más profundidad, el contenido de Nt disminuye (Madrigal et al., 2019). Como se observó en cada uso del suelo en este estudio, la profundidad 0-5 cm tuvo los porcentajes más altos de Nt; mientras que la de 60-100 cm, los menores porcentajes. Asimismo, la cobertura de la vegetación tiene una fuerte influencia en los porcentajes de Nt altos, principalmente en los primeros centímetros (Díaz et al., 2021).
Dichos resultados coinciden con los observados en la presente investigación, al calcular mayor porcentaje de Nt en el MET y menor en el Pastizal. Estos datos sugieren que el cambio de uso del suelo de Matorral a Pastizal tuvo un efecto diferente en el contenido de nitrógeno en todo el perfil del suelo. En los estratos analizados, el porcentaje de Nitrógeno fue superior en el Matorral, a excepción del estrato 30-60 cm.
La densidad aparente tiene un efecto directo sobre los porcentajes de COS y Nt, puesto que puede limitar la penetración de raíces a zonas más profundas (de Moraes et al., 2020); por ello, se reducen las fuentes de materia orgánica. Lo anterior coincide con la tendencia del porcentaje de Carbono y Nitrógeno en ambos usos de suelo en el presente estudio, en el que la densidad aparente se incrementa conforme aumenta la profundidad del suelo.
La relación C:N en el perfil de 1 m en ambos usos del suelo (MET y Pastizal) dio como resultado valores promedio de 9.3 y 10.73, respectivamente. De acuerdo con Porta et al. (2014), Gamarra et al. (2018) y Cantú y Luna (2022), relaciones de C:N entre 10 y 14 evidencian la óptima mineralización de la materia orgánica. Al respecto, los valores calculados se ubican por encima de las condiciones óptimas (10-14) para la adecuada actividad de los microorganismos del suelo. Yáñez et al. (2017) registraron tasas de respiración del suelo diferentes entre el MET y Pastizal en un Vertisol; la respiración del suelo es un indicador de la actividad de los microorganismos. El uso de suelo con mayor emisión de CO2 fue el MET (6.17 µmol CO2 m-2 s-1), en comparación al Pastizal (4.61 µmol CO2 m-2 s-1), que son los usos de suelo más comunes en el noreste de México.
En el MET se observó una mayor capacidad para almacenar el Nitrógeno, lo que puede atribuirse a la caída de hojarasca de los árboles y a la presencia de leguminosas en asociación simbiótica con microorganismos que fijan Nitrógeno al suelo, además las raíces pivotantes de los árboles atraviesan capas más profundas y contribuyen al ciclo de nutrientes (Díaz et al., 2021).
Si los suelos a nivel nacional almacenan 56.1 Mg ha-1 y en Nuevo León 36.9 Mg ha-1 en un estrato de profundidad de 0-20 cm, la capacidad promedio del reservorio de Carbono en el Cambisol entre ambos usos de suelo (70 Mg ha-1) puede ser valorada como alta (Segura-Castruita et al., 2005).
En general, el Cambisol ofrece una buena capacidad de reservorio de COS y Nt, ya que si se calcula un promedio en ambos usos de suelo, se obtiene un total de 155.53 y 18.82 Mg ha-1 en 1 m de profundidad, respectivamente. Con base en lo anterior, el estrato de 30-100 cm del Cambisol acumuló 39.5 % del total de COS en el MET y 52.2 % en el Pastizal. Asimismo, para el caso del reservorio de Nt, la importancia del estrato 30-100 cm es aún mayor, ya que acumuló 54.8 % en el MET y 61 % en el Pastizal, con ello se comprueba la importancia que tiene investigar todo el perfil del suelo en estudios de reservorios de Carbono y Nt, y no solo concentrarse en el estrato 0-30 cm, donde se cree que se encuentra la mayor parte del COS y Nt.
Conclusiones
El cambio de uso del suelo por la conversión del Matorral Espinoso Tamaulipeco a Pastizal afecta significativamente los reservorios de Carbono y Nitrógeno en el Cambisol, lo que provoca una disminución de 11.47 y 10.17 %, respectivamente.
El Cambisol presenta una buena capacidad de reservorio de COS y Nt en el perfil de 1 m de profundidad. Las reservas de Nt (Mg ha-1) se incrementan a medida que aumenta la profundidad, y se concentran, principalmente, en los últimos dos estratos de profundidad. El estrato de 30-100 cm es igual de importante, o más, que el estrato de 0-30 cm con respecto a la capacidad de almacenar COS y Nt.
La relación C:N se mantuvo en un intervalo óptimo de mineralización entre los usos de suelo y estratos de profundidad y no se afectó por el cambio de uso del suelo. Lo antes descrito indica que el MET y el Pastizal tienen una influencia importante en la dinámica del Carbono y el Nitrógeno del Cambisol, por lo que es importante considerar esto en la planificación y el manejo sustentable del suelo.
