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Introducción
La respiración del suelo (Rs) o flujo del CO2, es un importante componente del ciclo del carbono y es considerado el segundo mayor flujo de carbono entre la tierra y la atmósfera (Cantú et al., 2010; Srivastava et al., 2012). La producción de CO2 del suelo es resultado de procesos biológicos (Moitinho et al., 2015), tales como la respiración de raíces y de los organismos edáficos, así como de, la descomposición de la materia orgánica (Millard et al., 2008), y en menor medida, de la oxidación química de los compuestos de carbono (Lloyd y Taylor, 1994). La velocidad a la que el carbono del suelo es emitido en forma de CO2 determina el flujo neto entre el suelo y la atmósfera (Schwendenmann et al., 2007). Pequeños cambios en la respiración del suelo afectan la dinámica global de carbono (Wei et al., 2014).
Los suelos son el mayor reservorio de carbono (1 500 PgC) (Lal, 2008), ya que almacenan 80 % del carbono terrestre global (Nielsen et al., 2011) y pueden actuar como fuente o sumidero del CO2 atmosférico e influir en los procesos del cambio climático global (Goudde et al., 2016). Un componente importante es el almacenado en los suelos, ya que contiene más C que la atmósfera y biósfera (Mishra et al., 2009). La tasa global de flujo de carbón de los ecosistemas a la atmosfera es, aproximadamente, de 75 a 100 PgC año-1, el cual es 10 veces más que la cantidad emitida por combustibles fósiles (Buczko et al., 2015).
Los principales factores que regulan la respiración del suelo son su temperatura y su humedad (Davidson et al., 1998); la precipitación (Hussain et al., 2011) y el tipo de vegetación (Scholze et al., 2003), estos son de interés, debido a su efecto en los incrementos de la respiración del suelo por el incierto escenario de cambio climático global.
Las emisiones de carbono derivadas de los cambios de uso de suelo representan la segunda mayor fuente antrópica de carbono a la atmósfera, y es el componente con mayor incertidumbre en el ciclo global del carbono (Scharlemann et al., 2014), ya que conduce a una pérdida de carbono en los suelos (Smith et al., 2016).
Los suelos ocupan 8.3 % del territorio nacional, se consideran los más productivos del país (Torres et al., 2016). En el noreste de México, sostienen en su superficie actividades productivas agrícolas o pecuarias y sustentan la vegetación nativa de importancia económica regional (Llorente, 2004). Su nombre proviene del latín vertere (dar vuelta), que hace referencia al reciclado interno constante del material de suelo (IUSS, 2007); son arcillosos, que tienden a aglomerarse, fácilmente, al mojarse y se compactan fácilmente (Ghosh et al., 2011).
Los objetivos del presente estudio fueron evaluar las variaciones diurna y estacional del flujo de CO2 en un Vertisol bajo cuatro sistemas de uso de suelo en el noreste de México y su relación con las variables ambientales, con el fin de comparar la emisión de CO2 del suelo en los diferentes sistemas de uso.
Materiales y Métodos
Área de estudio
La investigación se realizó en el municipio Linares, Nuevo León, noreste de México, en el campus de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Autónoma de Nuevo León, la cual se localiza en las coordenadas geográficas 24°47'51.22'' N y 99°32'29.71'' O, a una altitud de 380 m (Figura 1). El clima es subtropical y semiárido con verano cálido, temperatura promedio mensual de 14.7 °C en enero, a 22.3°C en agosto. La precipitación promedio anual es de 805 mm, con una distribución bimodal (González et al., 2010). El tipo de suelo predominante es Vertisol, que se caracteriza por ser profundo, de coloración gris-oscura, clase textural fina arcillo-limoso con alto contenido de montmorillonita que se contraen y, expanden, notablemente en respuesta a los cambios en el contenido de humedad del suelo (Woerner, 1991). En el Cuadro 1, se presentan algunas características físicas y químicas del Vertisol, para la profundidad 0-30 cm en cada uno de los sistemas de uso de suelo.
Parcelas experimentales
Se ubicaron cuatro sistemas de uso de suelo: 1) Matorral Espinoso Tamaulipeco (MET), que corresponde a la vegetación arbórea nativa, constituida por la dominancia de especies espinosas, donde predominan Celtis pallida Torr., Acacia rigidula Benth., Randia aculeata L., Condalia lycioides (A.Gray) Weberb., C. obovata Hook., Bernardia myricaefolia Benth.& Hook.f., Forestiera angustifolia Torr., Karwinskia humboldtiana (Schult.)Zucc., entre otras (Inegi, 2009); 2) área de pastizal, integrada por un sistema de ganadería intensiva y rotación de potreros con Dichanthium annulatum (Forssk.) Stapf; 3) área agrícola, campo de rotación de cultivos, en las que se siembra Sorghum bicolor (L.) Moench. y Triticum spp., bajo un sistema de labranza cero con criterios de producción sostenible; y 4) plantación de eucaliptos, conformada por Eucalyptus camaldulensis Dehnh. y E. microtheca F.Muell., la cual se estableció en 1983 con fines de investigación, plantada inicialmente bajo un sistema Taungya (Cantú et al., 2010).
Mediciones del flujo del CO2 , temperatura y humedad del suelo
La respiración del suelo se determinó in situ, mediante el uso del método de la cámara dinámica cerrada Parkinson (1981), con un sistema portátil EGM-4. Este sistema está equipado con un gas infrarrojo no dispersivo (IRGA) y una cámara de suelo (SCR-1) para medir el flujo de CO2 (EGM-4 PP Systems, Massachusetts, USA). Las mediciones se realizaron del 13 de marzo del 2015 al 07 de marzo del 2016, semanalmente, dos veces al día (8:00 y 14:00 h, denominadas mañana y tarde). Las lecturas se hicieron para cada sistema, con cuatro repeticiones al azar a una distancia mínima de 5 m entre ellas, esto para los sistemas de pastizal, matorral y plantación; mientras que, para el área agrícola se efectuaron entre filas de plantas, para un total de 32 mediciones por fecha. La cámara se colocó directamente sobre el suelo y el tiempo de las mediciones fue de aproximadamente 120 segundos, en función dependiendo de la tasa de incremento de las concentraciones de CO2 en la cámara.
El flujo de CO2 se estimó en micromoles de dióxido de carbono por metro cuadrado por segundo (µmol CO2 m-2 s-1). La temperatura del suelo se midió en conjunto con la respiración, mediante un sensor (STP-1) instalado a la cámara de respiración del suelo. El contenido de humedad se determinó por gravimetría con el método AS-05 NOM-021 RECNAT-2000 (Semarnat, 2002), a una profundidad de 0-15 cm.
Condiciones ambientales
Se registró, diariamente, la precipitación (mm) y temperatura del aire (°C), para ello se utilizó una estación meteorológica portátil, EMP, Precision Weather Station DAVIS VANTAGE PRO2 PLUS ubicada a 100 m del área de estudio (Figura 2). Durante el periodo experimental se presentó una precipitación total de 695 mm y la temperatura fluctuó entre 6.6 °C (enero 2016) a 36.5 °C (agosto 2015).
Análisis estadísticos
El análisis de varianza se empleó para evaluar el efecto en los flujos de CO2 por uso de suelo (factor U) y hora de muestreo (factor H), asi como su interacción (U*H) para cada fecha y para el total de las observaciones. Los datos de flujo de CO2 fueron sometidos a transformación logarítmica para cumplir con los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianza. Se aplicó una prueba de Tukey, para establecer las diferencias estadísticamente significativas (P≤0.05) de la respiración entre los sistemas de uso de suelo para mañana y tarde. El análisis de correlación Spearman se usó para relacionar la respiración del suelo con las variables ambientales, las cuales no cumplieron los supuestos de normalidad. Todos los análisis estadísticos se llevaron a cabo con el Paquete Estadístico para las Ciencias Sociales (por sus siglas en inglés, SPSS) versión estándar 13.0 para Windows (SPSS Inc., Chicago, IL.)
Resultados y Discusión
El intervalo del flujo de CO2 total varió entre 0.06 y 48.7 µmol CO2 m-2 s-1. De acuerdo al análisis de varianza se obtuvieron diferencias (P≤0.05) en la respiración de suelo, temperatura y humedad de suelo para el factor uso de suelo (FU); el factor hora de muestreo (FH) no mostro diferencias en la humedad del suelo, mientras que para la interacción FU*FH, tampoco hubo diferencias significativas en ninguna de las variables estudiadas (Cuadro 2). La Rs es mayor en el matorral (6.17 µmol CO2 m-2 s-1) y diferente a los demás usos de suelo, seguido por el pastizal (4.61 µmol CO2 m-2 s-1) y por último la plantación (3.86 µmol CO2 m-2 s-1) y el área agrícola (3.21 µmol CO2 m-2 s-1) para los muestreos de mañana; los valores aumentaron en las mediciones de la tarde a 4.23, 4.33, 5.93 y 8.40 µmol CO2 m-2 s-1, respectivamente. Se observó un comportamiento para mañana y tarde de matorral>pastizal>plantación>agrícola.
Cuadro 2 Análisis de varianza para la respiración, humedad y temperatura del suelo para el modelo con dos criterios de clasificación (Uso de suelo y hora de muestreo) y el contraste de Levene.
FU(a) = Uso del suelo; FH(b) = Hora de muestreo; (c) = Para contrastar la hipótesis nula de homogeneidad de varianzas.
Valores entre paréntesis muestran el valor p (P≤0.05).
La prueba de Tukey (P≤0.05) evidenció diferencias estadísticamente significativas en la Rs (P≤0.05) para los muestreos de mañana y tarde en los diferentes sistemas de uso de suelo (Figura 3). No se registraron diferencias entre matorral y plantación, en ambos horarios de muestreo; por lo que, si bien el sistema agrícola es el de menor emisión de CO2, no es diferente estadísticamente a las emisiones de la plantación de Eucalipto. Schwendenmann et al. (2007) tampoco citan diferencias en la Rs entre un bosque y pastizal cuyos valores fueron 5.7 y 5.2 µmol CO2 m-2 s-1 respectivamente, y le atribuyen al pastizal la alta producción de biomasa subterránea.
Barras con letra diferentes en una misma hora de muestreo, difieren significativamente a P≤0.05.
Figura 3 Valores medios (n=52) de respiración de suelo (µmol CO2 m-2s-1) para mañana y tarde en los cuatro usos de suelo con barras de error estándar.
Se observó que los valores de la Rs son mayores en las mediciones correspondientes a los meses de abril y mayo, así como de septiembre a octubre; en ellas, el matorral alcanza el máximo con 37 μmol de CO2 m 2 s-1, el 18 de mayo 2015, a diferencia de los meses de julio-agosto y diciembre-febrero, cuando la respiración fue menor a 10 μmol de CO2 m-2 s-1. Estos resultados muestran la variabilidad de la Rs a lo largo de un año (Figuras 4 y 5), lo cual indica, que en un mismo tipo de suelo, distintos usos del mismo reflejan diferencias en emisiones de CO2, y en ella influyen la interacción de la humedad del suelo. Vallejo et al. (2005) señalan que los cambios de uso de suelo y su manejo indican cambios en contenidos de carbono, lo que concuerda con los contenidos de materia orgánica registrados en el presente estudio. Se observa una misma tendencia en el aumento de la materia orgánica y la respiración del suelo en los distintos usos. Vásquez et al. (2013) documentan que bajos contenidos de materia orgánica reflejan una actividad microbiana disminuida, lo que resulta en una menor emisión del CO2. Por su parte, Scharlemann et al. (2014) demuestran pérdidas de carbono orgánico entre 25-50 %, debido a disturbios que alteran las características fisicoquímicas de los suelos, modificando las reservas de carbono (Weissert et al., 2016).
Figura 5 Flujo de CO2 (µmol CO2 m-2 s-1) para muestreo de tarde, durante el periodo de estudio para los cuatro usos de suelo.
Figura 4 Flujo de CO2 (µmol CO2 m-2 s-1) para muestreo de mañana durante el periodo de estudio para los cuatro usos de suelo.
Cantú et al. (2010) evaluaron los flujos en CO2 en 2001 en condiciones similares en cinco sistemas de uso de suelo en Vertisol. La tasa de Rs en la mañana varió de 0.7 a 8.4 µmol CO2 m-2 s-1 y en la tarde con un intervalo entre 0.6 a 14.4 µmol CO2 m-2 s-1. Los resultados anteriores concuerdan en que el área agrícola es la que menor flujo de CO2 presentó (1.9 y 2.5 µmol CO2 m-2 s-1 para mañana y tarde, respectivamente). Aunque, difieren en que el área de pastizal fue la de mayor emisión (3.5 y 5 µmol CO2 m-2 s-1 para mañana y tarde).
En el Cuadro 3 se resumen los resultados del análisis de varianza de dos vías para la Rs, por fecha de muestreo para los factores uso de suelo (FU), hora de muestreo (FH) y la interacción (FU*FH). De los 52 muestreos realizados, se determinaron diferencias significativas (P≤0.05) en la respiración del suelo en 41 fechas para uso de suelo, en 18 fechas se registraron diferencias (P≤0.05) entre Rs de mañana y tarde. Y en la interacción entre FU*FH se presentaron diferencias significativas (P≤0.05) en 13 de 52 muestreos.
Cuadro 3 ANOVA de la respiración del suelo por uso de suelo (U), hora de muestreo (H) y su interacción por fecha de muestreo.
Relaciones entre la Rs y variables ambientales
A partir de la correlación de Spearman (P≤0.05) se analizó la relación de la Rs de la mañana y tarde con las variables ambientales de temperatura del suelo, humedad del suelo, humedad relativa del aire, temperatura máxima y mínima del aire y la precipitación mensual para cada sistema de uso de suelo (Cuadro 4). Se observó que la temperatura del suelo no se correlacionó con la Rs en los sistemas de pastizal y agrícola para los muestreos de mañana, y en el sistema agrícola para las de la tarde. Estas observaciones pueden responder a que la cobertura vegetal modera las condiciones de microclima, manteniendo la humedad del suelo (Gomes et al., 2016). El intervalo de temperatura del suelo osciló entre 12.3 °C (matorral) a 33.1 °C (plantación) para las mediciones de la mañana y de 13.7 °C (matorral) a 35.4 °C (plantación) para las de la tarde (Figura 6). Existe poca variación de temperatura entre los sistemas de uso que indique una tendencia clara sobre la Rs. Estudios demuestran que la temperatura es un factor importante, dado su efecto sobre la biota del suelo (Iglesias et al., 2010).
Cuadro 4 Coeficiente de correlación Spearman, valores de Rho entre la respiración de suelo de los diferentes usos de suelo en muestreos de mañana y tarde en relación a las variables ambientales (n=52).
* = Indican que hay diferencia significativa (P≤0.05) y que existe correlación entre las variables; ** = Indican que hay diferencia significativa (P≤0.01) y que existe correlación entre las variables.
Figura 6 Temperatura del suelo (°C) para muestreo de mañana (a) y tarde (b), durante el periodo de estudio para los cuatro usos de suelo.
En la variable humedad del suelo se estimó una correlación alta y positiva para todos los sistemas en las mediciones de mañana y tarde. El contenido de humedad del suelo presentó en promedio para los muestreos de mañana porcentajes de 18.9, 21.1, 21.5 y 23.7 % para plantación, pastizal, matorral y agrícola, respectivamente; mientras que para la tarde los valores medios fueron de 18.7, 20.9, 21.6 y 22.6 % para plantación, matorral, pastizal y agrícola, respectivamente (Figura 7). Al respecto, Millard et al. (2008) registran que en sitios con contenidos de humedad de 5-12 %, se limita la tasa global de respiración; mientras que Rosík et al. (2013) consignan que el umbral de humedad de suelo, cuando el CO2 empieza a disociarse de los cambios de temperatura, oscila entre 12 y 19 %. Asimismo, Cantú et al. (2010) señalan que es importante investigar el flujo de CO2 para Vertisol con contenidos gravimétricos menores del 15 %, debido a las grietas que presenta la estructura de los Vertisoles, lo que causa errores en la medición. Sobre el particular, se observó como la Rs disminuye, notablemente, a valores menores de 5 µmol CO2 m-2 s-1, si el contenido de humedad es menor a 15 %. Srivastava et al. (2012) ponen en evidencia que los factores que mayor influencia tienen en las emisiones de CO2 son la humedad y temperatura del suelo.
Figura 7 Contenido de agua del suelo (°C) para muestreo de mañana (a) y tarde (b), durante el periodo de estudio para los cuatro usos de suelo.
En este estudio, se observó que la humedad del suelo es la variable que tiene más correlación con los flujos de CO2 tanto para los muestreos de mañana como de tarde, ya que a mayor contenido de humedad hay un aumento en la respiración del suelo, como una respuesta de la actividad microbiana del suelo (Davidson et al., 2006). Asimismo, los cambios de cobertura en los diferentes sistemas de uso regulan la temperatura y humedad del suelo, cambios en la vegetación tienen un impacto en el intercambio de CO2 (Scholze et al., 2003). En especial, en regiones secas, donde la humedad es el factor más limitante para la actividad de los organismos desérticos (Bowling et al., 2011). Riveros-Iregui et al. (2007) citan que el contenido de humedad es el factor que controla la respiración de suelo, dado que inhibe la difusión del CO2.
En cuanto a la precipitación, se correlacionó con datos de lluvia al momento de las mediciones; por lo que solo se obtuvo correlación con la Rs de la mañana en pastizal; sin embargo, este factor es de importancia, dada la variación en las precipitaciones que se pronostican por las proyecciones del cambio climático (IPCC, 2007). Diversos estudios han demostrado que la dinámica de la precipitación y la disponibilidad de agua en los suelos afectará el balance global del carbono (Hussain et al., 2011). Campos (2014) señala que el calentamiento global podría tener un efecto negativo sobre la disponibilidad de agua del suelo, lo que resulta en la disminución de la respiración del suelo. Esa tendencia de aumento de la Rs, con el incremento de la precipitación responde a que la cantidad de agua que ingresa al espacio poroso del suelo, elimina el CO2 edáfico (Moitinho et al., 2015), tal como se observa en la Figura 8, donde se muestra una tendencia de aumento de la respiración después de eventos de lluvias, para mañana y tarde, de los cuales se deben a un fenómeno conocido como efecto Birch (Johnson et al., 2013).
Conclusiones
El Vertisol analizado bajo cuatro sistemas de uso de suelo presenta diferencias en la respiración del suelo. El matorral es el sistema que presenta una mayor emisión de CO2, seguido por el pastizal, los cuales son los usos de suelo más comunes en el noreste de México. El área agrícola y la plantación de Eucalyptus son los sistemas con menor emisión de CO2. Se registra una alta correlación positiva entre la Rs y la humedad del suelo en todos los sistemas de uso, mientras que la temperatura del suelo no se relaciona con la Rs en los sistemas agrícola y pastizal. Asimismo, la respiración del suelo varía, considerablemente, a escalas diarias y estacionales, la mayor corresponde a la tarde, durante el otoño y primavera, cuando se presenta la mayor cantidad de precipitación. Los flujos de CO2 siguen el orden de matorral>pastizal>plantación>agrícola. Las regiones semiáridas son sensibles a la variabilidad de la precipitación; así, un incremento en la emisión de CO2 en suelos Vertisoles como respuesta a cambios ambientales, podría tener implicaciones en el balance global del carbono.
