Introducción

El carbono (C) del planeta (43 515 ± 10 000 Pg) se encuentra principalmente en las reservas geológicas (identificadas como carbón, gas y aceite [5 000 a 10 000 Pg]), los océanos (87 %, con predominio de C-inorgánico), la atmósfera (2 %, primordialmente como dióxido de carbono [CO₂]) y la tierra (que incluye suelo y biomasa vegetal [11 %]). Se estima que el carbono orgánico del suelo (COS) es tres veces mayor (1 500 Pg) que el concentrado en la vegetación aérea (450 Pg) (^{García-Oliva et al., 2006}; ^{Venter et al., 2021}; ^{Zhuo-Dong et al., 2021}).

Se ha documentado ampliamente que el COS está determinado por la cantidad y distribución vertical de la vegetación, las propiedades intrínsecas del suelo y el clima. No obstante, su variabilidad es influenciada por la interferencia antrópica, realizada comúnmente mediante prácticas de manipulación del suelo (laboreo, fertilización), modificación de la vegetación (desmonte, aclareo, etc.) y presión ganadera, entre otras (^{Jobbagy & Jackson, 2000}; ^{García-Oliva et al., 2006}; ^{Muñoz et al., 2015}; ^{Batjes, 2016}; ^{Venter et al., 2021}; ^{Zhuo-Dong et al., 2021}).

^{Venter et al. (2021)} mencionan que desde el inicio de la ganadería y la agricultura (hace 12 000 años), los cambios de uso de suelo y el sobrepastoreo han provocado una pérdida de 116 Pg de C desde la capa superior del suelo hasta 2 m de profundidad, donde los principales ecosistemas afectados son pastizales, sabanas y tierras de cultivo (22, 22 y 21 Pg, respectivamente). Aun cuando en algunos territorios hay incremento del COS mediante intervenciones adecuadas, como la incorporación de abonos verdes y las restricciones en la remoción de la vegetación (^{Parras-Alcántara et al., 2015}; ^{Mahajan et al., 2021}), el balance neto a la fecha es negativo, ya que se estiman pérdidas globales promedio de 26 % (^{Venter et al., 2021}).

Dada la importancia del COS en las funciones del suelo y su interacción con el sistema planta-atmósfera, actualmente es considerado como un indicador universal de la seguridad y la salud de los suelos (^{McBratney et al., 2014}; ^{Mattina et al., 2018}; ^{Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura [FAO], 2017a}). Por el contrario, la pérdida de COS es un indicador de degradación del suelo (^{Loayza et al., 2020}; ^{Mahajan et al., 2021}), lo cual es concomitante con el comportamiento de la humedad, y la temperatura del suelo y del aire (^{Gómez-Tagle et al., 2003}; ^{López-Santos et al., 2008}). ^{López-Santos et al. (2008)} encontraron que en suelos pobres en materia orgánica (< 3 %) y sin protección de la vegetación es impredecible el comportamiento de la energía en la capa superior del suelo (8 cm de profundidad), el cual se manifiesta en el incremento en el calor sensible.

En la Meta 15.3 de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) (^{FAO, 2017b}), el COS se constituye como un indicador de la biodiversidad y de la resiliencia ante el cambio climático; esto bajo la premisa de promover y lograr la Neutralidad de Degradación de Tierras (NDT), que es uno de los tres indicadores considerados como “Tendencias en las reservas de carbono” (^{Orr et al., 2017}; ^{Laban et al., 2018}). Sin embargo, como ya se ha mencionado, debido a múltiples factores bióticos y abióticos, incluyendo el tipo de suelo, uso de la tierra y condiciones climáticas (^{Galicia et al., 2016}), las reservas de COS no son estáticas, pues están sometidas a ciclos constantes entre diversos sumideros, tanto en el suelo como en la vegetación, el océano y la atmósfera.

Desde la escala local, a la global, es complicado cuantificar los almacenes de COS. Por ello, la ^{FAO (2017c)} compiló los métodos estadísticos basados en Sistemas de Información Geográfica (SIG) para generar mapas digitales de COS (MDCOS) de distribución espacial, específicamente para evaluar el COS considerando la incertidumbre. Este esfuerzo fue orientado para apoyar países en desarrollo, como los ubicados en América Latina, debido a que en varios de ellos se detectó escasez o, en casos extremos, ausencia de datos edafológicos (^{Guevara et al., 2018}).

^{Guevara et al. (2018)}, como parte de los esfuerzos de integración del mapa mundial del COS (http://54.229.242.119/GSOCmap/), elaboraron el MDCOS de América Latina con una resolución espacial de 5 x 5 km. Dichos autores emplearon 11 268 estimaciones (n) de 19 países, de los 46 que integran la región. La mayor aportación de datos edafológicos (88.1 %) fueron de Brasil (5 616 n) y México (4 321 n); otros países como Argentina (231 n), Colombia (166 n) y Venezuela (1.45 n) tuvieron una aportación conjunta de menos de 5 %. Para ello, utilizaron el modelo SCORPAN descrito previamente por ^{McBratney et al. (2003)}. ^{Guevara et al. (2018)} mencionan que a partir de dicho modelo combinaron descripciones empíricas cuantitativas y cualitativas para establecer la relación entre los suelos y predictores espacialmente distribuidos: Sc = ꬵ(S,C,O,R,P,A,N) y Sa = f(S,C,O,R,P,A,N); donde Sc corresponde a las clases de suelo y Sa puede ser cualquier atributo o atributos del suelo (como el COS), lo cual estará en función de las características del suelo (S), del clima (C), de los organismos (O), del relieve (R), del material parental (P), del tiempo (A) y del espacio físico (N).

No obstante, en el reporte de ^{Guevara et al. (2018)}, las estimaciones del COS de América Latina y el Caribe aún presentan incertidumbres reflejadas en desviaciones estándar muy por encima de los valores medios (Brasil = 3.23 ± 9.18 kg de COS·m^-2). Para el caso de México, se reporta un almacén de COS promedio de 2.56 ± 1.49 kg·m^-2 (en un rango de 0 a 35.55 kg·m^-2), lo cual representa un promedio nacional de alrededor de 7.68 t·ha^-1 de COS considerando una profundidad de 30 cm. Sin duda, estos resultados son un gran avance, por lo que estudios regionales podrían reforzar el esfuerzo global desde lo local (^{Segura-Castruita et al., 2005}), sobre todo para las regiones áridas y semiáridas donde se han subestimado los sumideros de C (^{Montaño et al., 2016}).

Con base en lo anterior, los objetivos de la presente investigación fueron estimar la magnitud de los almacenes del COS en la subcuenca del río Medio Aguanaval (ScRMA) y analizar la sensibilidad de cuatro métodos de interpolación para minimizar el error del mapeo digital para la ScRMA.

Materiales y métodos

Descripción de la unidad de estudio

Se consideró como unidad de estudio a la ScRMA ubicada en la provincia Mesa del Centro y en las sub-provincias Sierra y Llanuras del Norte, y Sierras y Lomeríos de Aldama y Río Grande, en un rango altitudinal de 1 400 a 2 600 m s. n. m. La ScRMA es parte de la región hidrológica 36, con un área de 8 348 km² y cuya ubicación está al oriente del estado de Durango, noroeste de Zacatecas y sureste de Coahuila (24.632° longitud norte y 103.260° latitud oeste) (^{Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad [CONABIO], 1998}) (Figura 1).

Figura 1 Unidad de estudio: ubicación nacional, regional y subcuenca del río Medio Aguanaval. 

La ScRMA integra parte de los municipios de Cuencamé, General Simón Bolívar, Santa Clara y San Juan de Guadalupe en Durango; Juan Aldama y Miguel Auza en Zacatecas, y Torreón y Viesca en Coahuila. El clima presente en esta zona es árido, con cinco subtipos: muy árido semicálido (BWhw), árido semicálido (BSohw), semiárido templado (BS1kw), árido templado (BSokw) y semiárido semicálido (BS1hw) (^{García, 1998}). Hay dominancia de matorrales (41 %) y agricultura de temporal, la cual se practica en 20 % del territorio (^{Instituto Nacional de Estadística y Geografía [INEGI], 2016}). La precipitación y la temperatura anual en esta zona es de 125 a 600 mm y de 16 a 22° C, respectivamente (^{Cuervo-Robayo et al., 2014}). El territorio de la ScRMA integra 12 grupos de suelo principal (GSP) y 39 subgrupos, donde destaca el Phaeozem, con textura franco o media, en más del 80 % del área (^{INEGI, 2014a}). Además, se observa la presencia de topoformas como sierras, lomeríos, mesetas, llanuras, valles y bajadas (^{Lugo-Hubp & Aceves-Quezada, 1992}).

Resultados y discusión

Los valores del COS obtenidos para la ScRMA estuvieron en un rango de 9 a 133 t·ha^-1, con un valor medio de 36.31 t·ha^-1 y una desviación estándar de 23.83 t·ha^-1 (Cuadro 1). Dichos valores se obtuvieron a partir de la información de los perfiles de suelo con profundidades de 12 a 30 cm; esto se consideró con base en estudios regionales previos para el mismo rango de profundidad, que es donde se encuentran las concentraciones más altas de COS (^{Burke et al., 1989}).

Las concentraciones del COS fueron variables en la ScRMA; en 84.5 % de su extensión se obtuvieron valores ≤ 50 t·ha^-1, mientras que en 14.5 % de la superficie vario de 51 a 100 t·ha^-1, y en casi 1 % se encontraron concentraciones > 100 t·ha^-1. El primer rango de concentraciones de COS (10 a 50 t·ha^-1) se distribuyó en 49.80 % de la superficie de matorrales ubicados en la porción centro-norte de la subcuenca, específicamente al noreste del municipio de Santa Clara, al oeste de San Juan de Guadalupe, al sur de Viesca, sureste de Torreón y de Simón Bolívar, y en una pequeña porción del norte de Gral. Fco. R. Murguía. El 19.63 % de la misma concentración se presentó en áreas agrícolas de temporal anual encontradas en la parte sureste de la subcuenca, al sur del municipio de Cuencamé, casi en la totalidad de Miguel Auza, el sur de Simón Bolívar y al centro de Juan Aldama. El 11.5 % se encontró en zonas de vegetación secundaria de matorral, en algunas partes de los municipios de Viesca, Torreón, San Juan de Guadalupe y Simón Bolívar. Por último, el 10 % se presentó en la vegetación secundaria de pastizal, en algunas partes de Juan Aldama, al sur de Simon Bolívar, Viesca, Cuencamé y Santa Clara. El 9.66 % restante corresponde a los usos de suelo y vegetación con distribución menor a 1 % cada uno.

El segundo rango de COS (51 a 100 t·ha^-1) se encontró el oeste de la subcuenca, donde las áreas con vegetación secundaria de pastizal poseen dicha concentración en 42.5 % de su superficie, particularmente en la zona centro-este de Cuencamé y centro-oeste de Santa Clara. El 24.9 % se distribuyó en áreas con agricultura de temporal anual, al centro-oeste de Santa Clara, y el 22.9 % se presentó en matorral en la parte nor-noroeste de Santa Clara. Finalmente, el tercer rango (> 100 t·ha^-1) se ubicó al oeste de la ScRMA, en zonas de pastizal y vegetación secundaria de pastizal.

Al comparar los interpoladores del programa ArcGIS 10.1 se encontró que IDW y Kriging presentaron la mejor interpolación en función a los estadísticos básicos de la media y la desviación estándar (Cuadro 2).

En la comparación de las potencias de los interpoladores IDW y Kriging, se determinó que Kriging ordinario exponencial (KO) representó mejor los valores del COS de la ScRMA con base en los estadísticos obtenidos (Cuadro 3).

^{Villatoro et al. (2008)} compararon los interpoladores IDW y Kriging, por ser los más utilizados en estudios de análisis de variación espacial, en un área de 2 467 m² y georreferenciaron 61 puntos a una distancia de 3.5 m entre sí; las muestras de suelo las obtuvieron a una profundidad de 0 a 15 cm en cada punto. Dichos autores utilizaron el programa GS+ para Windows para el análisis de variogramas, la interpolación y la validación cruzada. Las interpolaciones las realizaron con valores de pH, Ca, CIC y fósforo (P) del suelo, y determinaron que, aunque ambos interpoladores tuvieron un desempeño similar, Kriging fue superior al predecir de mejor manera la variación de pH, Ca y CIC, mientras que el IDW fue mejor con el P.

La interpolación se representó en nueve clases con el fin de visualizar mejor la distribución del COS (Figura 2). Se observó que valores superiores a 50 t·ha^-1 se distribuyen de la zona centro hacia el oeste, perteneciente, en mayor superficie, al estado de Durango, donde se encuentran los tipos de suelo litosol, xerosol y chernozem. En esta zona predomina la vegetación de matorral desértico micrófilo y rosétofilo, pastizal natural y vegetación secundaria de pastizal natural, con una precipitación de 400 a 600 mm.

Figura 2 Carbono orgánico del suelo (COS) en la subcuenca del río Medio Aguanaval obtenido mediante el interpolador Kriging. 

La menor concentración del COS se distribuye en la zona sur del estado de Coahuila y parte noreste de Zacatecas. ^{Vela-Correa et al. (2012)} revisaron las concentraciones reportadas del COS con el fin de tener una referencia general y poder clasificarlas, en altos y bajos, de acuerdo con sus valores. Estos autores concluyeron que no existe una referencia donde se establezca alguna jerarquización general del COS, por lo cual consideraron los límites de los intervalos en función de los valores máximos y mínimos de concentración de C obtenidos en los análisis de suelo.

^{Segura-Castruita et al. (2005)} determinaron el contenido de COS en el horizonte superficial (0 a 20 cm) de 4 583 muestras de suelo y generaron un mapa ráster mediante interpolación. Dichos autores encontraron valores desde 0.2 hasta 493 t·ha^-1, los cuales dividieron en cinco clases. Los valores correspondientes al área de la subcuenca fluctuaron de 25 a 50 t·ha^-1, lo cual concuerda con los resultados de este estudio, con media de 36 t·ha^-1. De manera similar, los resultados coinciden con un estudio de la ^{FAO (2017a)}, en donde elaboraron un mapa de carbono orgánico mundial con resolución de un kilómetro mediante muestras obtenidas en una profundidad de 0 a 30 cm. En dicho estudio, la ScRMA presentó valores de COS de 25 a 40 t·ha^-1, y en el presente trabajo se obtuvo una media de 24.4 t·ha^-1 en el análisis de los sitios de verificación de la ScRMA (Cuadro 4).

Es relevante considerar que el número de sitios muestreados para la verificación fue bajo (nueve sitios), aunque éstos fueron representativos de los diferentes tipos y usos de suelo, comparado con los 40 sitios analizados de los perfiles edafológicos del INEGI, donde la media obtenida fue de 36 t·ha^-1. A pesar de ello, los resultados obtenidos con el muestreo de suelo en la ScRMA no difirieron de los reportados tanto por la ^{FAO (2017a)} como por ^{Segura-Castruita et al. (2005)}. Respecto de la precisión de las estimaciones realizadas, se calculó el estadístico ECM (error cuadrático medio) para los datos del COS de los perfiles analizados y de los sitios de verificación (23.83 y 16.41 t·ha^-1, respectivamente), y el coeficiente de variación para los mismos datos (65.64 y 67.27 %, respectivamente) (Cuadro 5).

La mayor concentración del COS se encuentra en zonas de pastizal natural, de agricultura de riego anual y temporal anual, y de matorral desértico micrófilo perteneciente a la parte central, que corresponde al estado de Durango (1 600 a 2 200 m s. n. m.).

^{Mondal et al. (2017)} estimaron la distribución del COS en categorías variadas de pendiente, suelo y uso del suelo, y observaron que la concentración del COS es mayor en áreas bajas y en suelos arcillosos de tierras con vocación agrícola. Además, estos autores reportaron que la reserva del COS disminuye con mayor pendiente, y que en las categorías de suelo, la arcilla posee el mayor contenido de carbono.

La información disponible del COS se refiere principalmente a regiones templadas y tropicales (^{Segura-Castruita et al., 2005}), debido a que las regiones áridas y semiáridas han sido poco estudiadas. ^{Montaño et al. (2016)} y ^{Yescas-Coronado et al. (2018)} mencionan que la heterogeneidad espacio-temporal de estas regiones se ve influenciada por las condiciones ambientales, el tipo de comunidad vegetal y el uso del suelo, que en su conjunto afectan los almacenes y flujos del carbono.

Diversos autores indican que el clima, a través de la temperatura y la precipitación, juega un papel preponderante en la acumulación del COS (^{Grigal & Ohmann, 1992}; ^{Batjes, 1999}; ^{Yigini & Panagos, 2016}; ^{Batjes, 2016}; ^{FAO, 2017c}; ^{FAO, 2019}). Además, se ha determinado que los suelos de selvas húmedas, manglares y bosques mesófilos de montaña aportan más de 100 Mg·ha^-1 de CO, mientras que los pastizales, matorrales xerófilos y matorrales espinosos aportan menos de 30 Mg·ha^-1 de CO. Por otra parte, al relacionar los principales usos del suelo con el contenido de COS, se estableció que los suelos destinados a la ganadería intensiva tienen el contenido de COS más elevado (> 80.0 Mg·ha^-1), seguido de los suelos forestales (> 75.0 Mg·ha^-1), mientras que los suelos con agricultura de riego presentan la menor cantidad de este compuesto (40.8 Mg·ha^-1) (^{Segura-Castruita et al., 2005}).

Considerando lo anterior, concentraciones bajas de COS (10 a 30 t·ha^-1) en la ScRMA se distribuyen principalmente en la parte noreste de la zona, donde la vegetación dominante es el matorral (micrófilo y rosétofilo) y vegetación secundaria de matorral. El rango de precipitación de dicha zona va de 125 a 400 mm, y el tipo de clima es muy árido y semicálido. Las concentraciones de COS se pueden atribuir a la baja aportación de materia orgánica al suelo por parte de la vegetación y a la aridez del área, la cual promueve la pérdida de COS.

Conclusiones

La ScRMA dominada por condiciones semiáridas mostró un valor medio estimado de 36.31 t·ha^-1 de COS. En cuanto a la distribución, los municipios con mayor concentración de COS fueron Cuencamé y Santa Clara, mientras que los registros más bajos se presentaron en Torreón. Esta variación interespacial depende de las variables climáticas, edáficas y el tipo de manejo al que ha estado sujeta el área, donde el mayor contenido de COS se genera en sitios con mayor precipitación y profundidad de suelo.

La principal limitación en esta investigación fue el vacío de información de la densidad aparente, la cual afectó la precisión de las estimaciones de reservas de COS. Por ello, y con base en el desarrollo del trabajo, se estimó que a una densidad de 0.6 % de muestreo, la incertidumbre disminuyó de 23.83 a 16.41 t·ha^-1 (ECM) en este ecosistema heterogéneo.