Las zonas áridas de México

La aridez es una condición física que depende de la interacción de la radiación solar, temperatura, precipitación, dirección y fuerza del viento y la evapotranspiración, por lo que su comprensión e interpretación son complejos (^{Mosiño, 1983}). En este sentido, las zonas áridas y semiáridas son aquellas áreas donde el promedio de lluvias es menor que las pérdidas por humedad a través de la evaporación y la evapotranspiración (^{FAO, 2004}); y son percibidas como ecosistemas desolados con bajo potencial de producción (^{SUMAMAD, 2014}). En México, la Comisión Nacional de las Zonas Áridas (^{CONAZA, 2016}) define como zonas áridas a las superficies del territorio nacional en donde las precipitaciones son del orden de 250 mm anuales o menos, y como semiáridas donde la precipitación fluctúa entre 250 y 500 mm. Dichas zonas se localizan en el norte y algunas partes del centro de México, abarcando poco más de la mitad del territorio nacional (^{Rzedowsky, 1978}). Sin embargo, bajo el criterio del balance de humedad en el suelo y disponibilidad para las plantas, México cuenta con un déficit de humedad que oscila de moderado a muy severo y representa cerca del 61.2% del territorio Nacional (^{Monterroso y Gómez, 2003}). Para el caso del estado de Baja California Sur (BCS), en el noroeste de México, la influencia del centro semipermanente de alta presión del Pacífico norte (CSAP) y de la corriente oceánica de California mantienen condiciones de aridez sobre el estado, ocasionando bajas precipitaciones. Sin embargo, durante la época de verano-otoño, la región se encuentra sometida a la influencia de actividad ciclónica del Pacífico Tropical, proporcionando masas de aire húmedo las cuales originan lluvias de regular intensidad (^{García y Mosiño, 1968}).

Suelos del noroeste de México

Además de la escasa precipitación que limita el crecimiento de las especies vegetales, los suelos de zonas áridas y semiáridas se caracterizan por tener baja fertilidad para la agricultura, escaso y lento desarrollo, textura arenosa y pedregosidad (^{Camargo y Esperón, 2005}; ^{García-Calderón, 2011}). En BCS, cerca del 72% de los suelos presentan limitantes físicas en profundidad o en superficie, además, 8% tienen restricciones químicas por altos contenidos en sales solubles y sólo 20% no tienen limitante alguna; dominan los suelos de baja fertilidad, con poca capacidad de intercambio catiónico y muy baja capacidad de retención de agua. Como resultado de la escasa precipitación y excesiva evapotranspiración, los suelos permanecen secos durante la mayor parte del año, con nula disponibilidad de agua (^{INEGI, 1995}). De acuerdo con la World Reference Base for Soil Resources (WRB) (^{IUSS, 2007}), los Arenosoles, Calcisoles, Durisoles, Gypsisoles, Leptosoles y Solonchaks, son suelos de referencia para los ecosistemas áridos y semiáridos. Sin embargo, el noroeste de México presenta un marcado contraste entre los procesos formadores de suelo, material parental, clima, vegetación y relieve a nivel regional, propiciando la existencia de grupos de suelo adicionales como Cambisoles, Regosoles, Fluvisoles y Vertisoles (^{Maya et al., 2011}).

Materia orgánica del suelo

La materia orgánica del suelo (MOS) es uno de los recursos naturales más importantes y es la base de la fertilidad del suelo. La MOS incluye todos los compuestos orgánicos del suelo, de los organismos y productos de síntesis microbiana o de resíntesis química resistentes a la descomposición microbiana, contenidos en su mayoría en las sustancias húmicas (^{FAO, 2004}). La fuente esencial de la MOS es el C fijado durante las reacciones de fotosíntesis, las cuales se reintegran al suelo como residuos de plantas y exudados de raíces. El contenido de MOS varía de menos de 1% en suelos arenosos y desérticos a 4% en los primeros 15 cm de suelos agrícolas minerales a más de 50% en suelos orgánicos. El funcionamiento de los suelos está influenciado en gran parte por su contenido de materia orgánica. La capacidad del suelo para almacenar nutrimentos, retener humedad, liberar gases de efecto invernadero, resistir la degradación física, química y biológica y para su productividad dependen de la calidad y cantidad de su materia orgánica.

Carbono en el suelo

En las regiones áridas y semiáridas el almacenamiento de C representa más de un tercio del stock global debido principalmente a la superficie que cubren, así como por el almacenamiento a largo plazo del C orgánico (^{FAO, 2017}). En el suelo, el almacén de C está determinado por dos diferentes componentes: el C orgánico (COS) y el C inorgánico del suelo (CIS). El primero se encuentra en forma de residuos orgánicos poco alterados de microorganismos, animales y vegetales, en forma de humus y en formas muy condensadas de composición próximas al carbono elemental (^{Jackson, 1964}), el cual corresponde al 58% de la de materia orgánica del suelo (MOS) (^{Castillo-Morales et al., 2009}; ^{FAO, 2017}). El CIS por su parte es especialmente abundante en las regiones áridas y semiáridas, con estimaciones de 695-930 Pg C a 1 m de profundidad (^{Batjes, 1996}; ^{Díaz-Hernández et al., 2003}) y comprende diversos minerales predominantes estables, destacando la calcita (CaCO₃), dolomita (MgCO₃), aragonita [CaMg(CO₃)₂] y siderita (FeCO₃), provenientes de la degradación de la roca madre o por procesos pedogenéticos de formación de carbonatos secundarios, que finalmente, conducen a la retención del CO₂ atmosférico (^{Lal, 2009}).

Dentro del ciclo global del C, los suelos son la mayor reserva de carbono orgánico en interacción con la atmósfera con estimaciones globales cercanas a 1500 Pg C en los primeros 100 cm superiores de suelo (^{Batjes, 1996}; ^{FAO, 2002}), está reserva es cuatro veces mayor que el almacén de biomasa viva y muerta y aproximadamente tres veces más que el almacén atmosférico (^{Lal, 2004}). A nivel nacional existen estudios sobre el contenido y distribución del carbono orgánico del suelo (COS) bajo diferentes enfoques y escalas de aproximación, realizados principalmente en zonas templadas y tropicales. Sin embargo, en las zonas áridas y semiáridas de México las estimaciones sobre los contenidos de COS y CIS son aún escasas (Cuadro 1).

Cuadro 1 Estudios sobre el contenido de COS y CIS en México. 

Costras biológicas del suelo

Las costras biológicas de suelo (CBS) se encuentran en la superficie del mismo en la mayoría de los ecosistemas áridos y semiáridos alrededor del mundo y son uno de los componentes bióticos más importantes de estas áreas. Son comunidades que se desarrollan dentro y sobre pocos milímetros de la superficie y están formadas por organismos como cianobacterias, hongos, líquenes, musgos y briofitas, que están íntimamente asociados con las partículas del suelo (^{Belnap y Lange, 2003}). Las CBS están ampliamente distribuidas en diversos ambientes (^{Belnap et al., 2003}), aunque son particularmente dominantes en los ambientes de baja productividad como las zonas áridas y semiáridas, logrando alcanzar hasta un 70% de la cobertura en el suelo (^{Belnap y Lange, 2003}).

Las CBS participan en procesos clave para el funcionamiento del ecosistema entre los que destaca el ciclo del C y nutrimentos (^{Delgado-Baquerizo et al., 2010}; ^{Castillo-Monroy et al., 2011}). Además, la presencia de CBS tiene un notorio impacto en la modificación física del sustrato, incremento del contenido de nutrimentos, retención de agua y mantenimiento de la humedad del suelo, así como la secreción de metabolitos secundarios y formación de complejos órgano-minerales (^{Rivera-Aguilar et al., 2006}; ^{Bowker et al., 2011}) por lo que son consideradas como elementos clave en ambientes áridos y semiáridos (^{Miller et al., 2011}).

Durante las últimas dos décadas se ha producido un aumento sin precedentes en el interés por las CBS, lo que ha promovido importantes avances en el conocimiento de la estructura, composición y biogeografía de estas comunidades. Sin embargo, parte importante de la investigación se ha realizado en los ecosistemas áridos y semiáridos de los Estados Unidos, Australia, Israel, China y en años recientes en España (^{Maestre et al., 2011}).

Respiración del suelo

El estudio de la respiración del suelo es incipiente en México, donde apenas se cuenta con 28 estudios desde la última década (^{Cueva et al., 2016}), siendo los agroecosistemas y ecosistemas forestales los que revisten mayor interés para la investigación. La respiración del suelo es una medida del CO₂ liberado del suelo, resultado de la descomposición de la MOS por las comunidades microbianas y fauna del suelo, así como por la respiración de las raíces de las plantas y micorrizas asociadas (^{Hanson et al., 2000}; ^{Guerrero-Ortíz et al., 2012}). Dicho proceso es reconocido como el flujo más importante del ciclo global del C y representa cerca del 75% de la respiración total del ecosistema (^{Law et al., 2001}); desempeña un papel fundamental en la regulación de las concentraciones de CO₂ atmosférico y en la dinámica climática a escala global (^{Schimel, 1995}). Además, constituye cerca del 25% de las emisiones globales y es uno de los principales procesos de pérdida de C que equivalen aproximadamente a 10 veces más que las emisiones de CO₂ por combustibles fósiles y por deforestación combinadas (^{Raich y Schlesinger, 1992}; ^{Schimel, 1995}; ^{Conant et al., 2000}; ^{Raich et al., 2002}). Después de la producción primaria bruta (cantidad de carbono total que entra al ecosistema vía fotosíntesis), la respiración del suelo es el segundo flujo más grande de C en los ecosistemas terrestres (^{Yuste et al., 2005}). Sin embargo, a pesar de su importancia global, sólo se cuenta con un limitado entendimiento de la respiración de los suelos y sus respuestas a factores bióticos y abióticos.

La respiración del suelo es un parámetro de suma importancia para determinar la salud del ecosistema y está directamente relacionada con el soporte de raíces, macro y microorganismos, descomposición de la materia orgánica, mineralización e inmovilización de nutrimentos y actividad microbiana. Tasas elevadas de respiración de suelo indican una intensa actividad biológica, por el contrario, tasas lentas son indicativas de actividad biológica suprimida, debida al estrés inducido por un manejo inadecuado, perturbaciones climáticas o limitación de recursos (sustrato, agua, nutrimentos) para la actividad biológica (^{Singh et al., 2010}).

Cambio de uso de suelo

El cambio en la cobertura y uso de suelo se encuentran en el centro de la atención de la investigación ambiental (^{Bocco et al., 2001}), pues proporcionan la base para conocer las tendencias de los procesos de deforestación, degradación, desertificación y pérdida de la biodiversidad de una región determinada (^{Lambin et al., 2001}). Las zonas áridas y semiáridas año con año se ven afectadas por este fenómeno resultado de las actividades humanas como la minería, el desarrollo de vías de comunicación, así como la expansión urbana, agrícola y ganadera perturbando las interacciones biológicas y los servicios ambientales (^{Arriaga, 2009}). En los alrededores de la ciudad de La Paz, en la región árida del noroeste de México, la tendencia de los últimos años ha sido el establecimiento de asentamientos humanos con desmontes sin uso de suelo definido, o para horto-fruticultura y pastizales inducidos; dichos cambios de uso de suelo han generado desmonte acelerado del matorral sarcocaule, que es el principal tipo de vegetación que cubre planicies y lomeríos bajos de la región (^{Álvarez-Morales et al., 2014}).

Por lo expuesto se plantearon los siguientes objetivos: 1) revisar los diferentes componentes, procesos y características que se presentan en los suelos áridos para el almacenamiento de carbono (C) y 2) estimar el flujo y contenido de C en los suelos de la región semiárida de La Paz, BCS, noroeste de México, mediante dos estudios de caso.

Estudio de caso (1): contenidos de carbono orgánico e inorgánico en los suelos de la región de La Paz, BCS, noroeste de México

Debido a la escasa información sobre el ciclo del carbono (C) y su interacción con los suelos de regiones áridas y semiáridas, se estableció un estudio referencial de los contenidos de COS y CIS almacenado en los perfiles de suelo de una región árida, de tal manera que se desarrolló un estudio en la cuenca de La Paz y parte de la cuenca de Los Planes, en el sur de la península de Baja California. El clima de la región es árido y extremadamente cálido la mayor parte del año, con temperatura media anual de 23 °C, con máxima de 45 °C en julio y agosto. La mayor radiación ocurre de abril a agosto (^{Troyo-Diéguez et al., 1990}); la precipitación anual es de 178 mm, con la mayor presencia de lluvias en agosto y septiembre, asociadas a tormentas tropicales. La litología es principalmente granito, granodiorita, riolita y rocas basálticas; los grupos dominantes de suelos son los Leptosoles, Regosoles, Cambisoles y Calcisoles, que son arenosos y con bajo contenido de C orgánico.

Se elaboró un mapa hipsométrico utilizando mapas topográficos escala 1:50 000 (^{INEGI, 1997}), así como el modelo digital de elevación delimitado para la región de estudio (^{INEGI, 2014}). Se describieron y muestrearon 16 perfiles de suelo con base en la geomorfología representativa dentro del área de estudio. El muestreo se diseñó tomando en cuenta la accesibilidad, así como la homogeneidad visible del terreno en cada caso, buscando sitios sin alteración aparente causada por actividades antrópicas; como criterio predefinido se buscó que los puntos a muestrear cubrieran la mayor parte del área de estudio (Figura 1). Los perfiles y sus descripciones morfológicas se realizaron hasta 100 cm de profundidad o hasta donde se detectase una fase física limitante. La clasificación de cada perfil se basó en la WRB (^{IUSS Working Group, 2015}), así como en la guía para la descripción de suelos (^{FAO, 2006}). Se colectó una muestra de alrededor de 800 g de suelo por horizonte en cada perfil de suelo y se transportó al laboratorio para la determinación de C orgánico, carbonatos (CO₃ ^-2) y bicarbonatos (HCO₃ ^-). Las cantidades totales de COS y CIS se estimaron por horizonte en cada perfil de suelo mediante las ecuaciones propuestas por ^{Batjes (1996)}, donde la densidad aparente (Mg m^-3), la proporción de C orgánico e inorgánico (g kg^-1 C), el espesor del horizonte en m y el contenido estimado de fragmentos de rocas > 2 mm, fueron los parámetros para calcular los contenidos de COS y CIS por unidad de área (Mg ha^-1).

Figura 1: Mapa de las principales formas del relieve y distribución de los perfiles de suelo dentro de la cuenca de La Paz y parte de la cuenca de Los Planes al sur de la península de Baja California, México. 

Estudio de caso (2): costras biológicas del suelo y respiración edáfica del matorral desértico de La Paz, BCS, noroeste de México

Los suelos de regiones áridas y semiáridas del noroeste de México aún no han sido cuantificados en cuanto al aporte de los flujos de CO₂ hacia la atmósfera, particularmente en condiciones de estrés hídrico y altas temperaturas, tampoco por su interacción con las CBS. Para dicho propósito, se insertaron 30 collares de acero inoxidable en el suelo a 7 cm de profundidad distribuidos aleatoriamente en 15 cuadrantes con dimensiones 100 × 100 m (dos collares por cuadrante), en la planicie aluvial dentro de la Estación Biológica del Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste (CIBNOR), ubicado en la porción centro-noroeste del área de estudio (Figura 1). Los collares se instalaron en sitios bajo dos condiciones de uso de suelo (20 en suelo de matorral y 10 en suelo con erosión), tomando en cuenta la presencia o ausencia de CBS, para conformar cuatro condiciones: matorral con costras (MCC), matorral sin costras (MSC), erosión con costras (ECC) y erosión sin costras (ESC). Se realizaron registros mensuales utilizando un equipo (LCpro+, ADC BioScientific Ltd., UK), para un total de 22 mediciones entre octubre de 2014 y octubre de 2016. Las mediciones se llevaron a cabo a partir de las 6:00 am hasta las 11:00 am separando el total de muestras en dos días de medición para evitar las altas temperaturas que pueden alcanzar hasta 50 °C en verano.

Estudio de caso (1): contenidos de COS Y CIS de la región de La Paz, BCS

Los contenidos de COS (0.15 a 44.25 Mg ha^-1) por unidad de área y unidad geomorfológica registrados (Figura 2) en los suelos de la región de estudio fueron superiores a lo reportado por ^{Segura-Castruita et al. (2005)}, quienes reportaron COS de 16.0 Mg ha^-1 para BCS a una profundidad de 0 a 20 cm y un valor de 24 Mg ha^-1 para matorrales xerófilos, de acuerdo con la delimitación de la vegetación primaria dominante. En este sentido, los resultados obtenidos superaron los valores medios del COS a nivel estatal y a nivel de vegetación primaria dominante aportando información relevante sobre los contenidos de COS y CIS (la otra forma de secuestro y almacenamiento de C). Los bajos contenidos de COS son consecuencia de que las condiciones óptimas de humedad y temperatura sólo ocurren en breves periodos, de tal manera que la descomposición y mineralización de los compuestos orgánicos ocurren después de pulsos de precipitación (^{Arriaga y Maya, 2007}). Sin embargo, de acuerdo a los resultados (Figura 2), existe una amplia variación en los contenidos de COS y CIS que puede explicarse por las diferencias en el espesor de los perfiles del suelo, que a su vez difieren en el número de horizontes. Dicha variación se relaciona asimismo con la cantidad de materia orgánica presente en cada sitio, que corresponde a la aportación de hojarasca por parte de la vegetación, al respecto, según ^{Lal (2009)} es notoria la falta de información sobre los contenidos de CIS. En este sentido, se determinaron contenidos importantes (0.045 a 28.19 Mg ha^-1) para el área de estudio.

Figura 2: Contenidos de COS y CIS promedio por perfil de suelo y geomorfología representativa del área de estudio. COS: carbono orgánico del suelo; CIS: carbono inorgánico del suelo. 

Aunque los valores encontrados de CIS no fueron tan altos como el COS, los carbonatos (CO₃ ^2-) y bicarbonatos (HCO₃ ^-) son formas importantes de almacenamiento de C en las regiones áridas y semiáridas. Las llanuras y lomeríos reflejaron las medias de mayor magnitud para COS y CIS, mientras que las sierras reflejaron las medias de menor valor (Figura 2). Para el caso particular de la llanura aluvial, los sitios 9 y 10 (Figura 1), donde se detectan señales de actividades agrícolas y ganaderas, al igual que el sitio 14 ubicado en lomerío en las inmediaciones de la presa de La Buena Mujer, presentaron los mayores contenidos de COS y se caracterizaron por un notorio espesor, alcanzando más de 100 cm de profundidad. En contraste, los suelos de sierras mostraron los menores espesores de suelo y pedregosidad evidente, no alcanzando más de 4 cm de profundidad con muy poco o nulo contenido de COS y CIS.

Aun cuando los datos aportados por ^{Segura-Castruita et al. (2005)} muestran información a nivel nacional, su metodología utilizó la vegetación primaria dominante, usos de suelo e influencia del hombre, mientras que la metodología empleada en nuestro trabajo se basó en diferentes formas del relieve a escala de cuenca para determinar la cantidad de COS y CIS almacenado de forma más precisa, tomando como base los primeros 100 cm de profundidad o hasta encontrar una fase física limitante.

Estudio de caso (2): CBS y respiración edáfica del matorral desértico de La Paz, BCS

La variación estacional y temporal de la respiración edáfica fue causada principalmente por las lluvias extraordinarias al principio del periodo de estudio, las cuales no se presentaron nuevamente en los meses posteriores (Figura 3). Valores positivos de respiración (0.099 a 0.828 µmol s^-1 m^-2) significan un flujo de CO₂ del suelo hacia la atmósfera por parte de las CBS. Por el contrario, valores negativos de respiración (-0.058 a 0.011 µmol m^-2 s^-1) significan una captura de CO₂, por medio de las CBS a través de la fotosíntesis cuya composición está dominada principalmente por cianobacterias del género Microcoleus (^{Maya y López, 2002}), las cuales pueden soportar condiciones extremas de temperatura y humedad lo que les permite ser organismos con amplia distribución en las regiones áridas y semiáridas del mundo. Por otro lado, valores positivos de respiración sólo se observaron después del paso del huracán Odile (septiembre de 2014), cuando la precipitación acumulada debida al paso del citado evento ciclónico fue de 121 mm. En este sentido, los principales factores abióticos que determinan el proceso de la respiración del suelo son la presencia de humedad y temperatura; sin embargo, en la región árida del noroeste de México las lluvias están frecuentemente asociadas a la entrada de huracanes por el Pacífico durante el verano y lluvias ocasionales durante el invierno llamadas localmente ‘equipatas’ (^{Maya y Arriaga, 1996}). De acuerdo a los resultados (Figura 3), la condición matorral con costra (MCC) muestra las mayores tasas de respiración, debido principalmente a que la humedad presente en el suelo, aunado a la temperatura, logran activar los procesos metabólicos de las CBS, así como la sucesión y crecimiento de las comunidades microbianas del suelo liberando CO₂ a la atmósfera. Por el contrario, la condición erosión sin costra (ESC) muestra los valores más bajos de respiración que podrían explicarse debido a la presencia en menor medida de las comunidades microbianas que habitan en el suelo, así como la escasez de raíces por la ausencia de vegetación.

Figura 3: Precipitación mensual en la cuenca de la Paz BCS (superior) y promedio de la tasa de respiración del suelo por condición de uso de suelo y presencia/ausencia de CBS. NCER = tasa de intercambio neto de CO₂; Mx = medición extra en marzo; MCC = matorral con costra; MSC = matorral sin costra; ECC = erosión con costra; ESC = erosión sin costra. * Huracán Odile. Barras verticales son el error estándar. 

Según los resultados obtenidos, la respiración edáfica puede alcanzar valores positivos después de la ocurrencia de fenómenos meteorológicos extremos, ya que durante los meses posteriores a la llegada del huracán Odile, los periodos normales de precipitación no lograron traducirse en un efecto positivo de liberación de CO₂ a la atmósfera.