Variación en almacenes de carbono en suelos de una toposecuencia

Variation in soil carbon stocks in a toposequence

Virginia Avilés–Hernández¹*, Alejandro Velázquez–Martínez¹, Gregorio Angeles–Pérez¹, Jorge Etchevers–Barra², Héctor De los Santos–Posadas¹ y Tangaxuhan Llanderal¹

¹ Forestal, Campus Montecillo, Colegio de Postgraduados. Carretera México–Texcoco. Km. 36.5. Montecillo, Estado de México. *Autor responsable: (vavilesh@colpos.mx) ; (alejvela@colpos.mx).

² Edafología, Campus Montecillo, Colegio de Postgraduados. Carretera México–Texcoco. Km. 36.5. Montecillo, Estado de México.

Recibido: Abril, 2008.
Aprobado: Mayo, 2009.

Resumen

La información sobre la variación en reservas de carbono (C) respecto a la topografía del suelo es escasa. Para determinar la variación del C edáfico, se estimaron los almacenes de C en el subsuelo de una toposecuencia (cresta, ladera, valle y planicie), de un bosque de Fagus grandifolia subsp. mexicana. Se establecieron tres parcelas de observación, de 400 m² cada una en cada posición topográfica, y se seleccionaron dos sitios dentro de cada parcela para medir el C almacenado en el subsuelo (suelo y raíces) de 0 a 15, 15 a 30 y 30 a 45 cm. Se encontró una variación en el C almacenado en el suelo; gradual creciente desde la cresta a la planicie, así como valores decrecientes al aumentar la profundidad. La mayor reserva de C total se encontró en la planicie (208 t C ha^–1) y la menor en la cresta (159 t C ha^–1). Asimismo, el mayor almacén de C se encontró en los primeros 15 cm de profundidad, con 85 t C ha^–1 en promedio. Las diferencias encontradas en las reservas de C en las diferentes condiciones topográficas podrían deberse al diferencial en la velocidad de descomposición de la materia orgánica de las especies dominantes en cada condición, indicando que las reservas de C cambian en función de la topografía, y con ello la disponibilidad de recursos en el sistema.

Palabras clave: Fagus grandifolia, bosque mesófilo, captura de carbono, productividad forestal, servicios ambientales.

Abstract

Information on the variation of carbon (C) stocks relative to soil topography is scarce. To determine the soil C variation, C stocks in the subsoil of a toposequence (hilltop, hillside, valley and plains) in a Fagus grandifolia subsp. mexicana forest were estimated. Three 400 m² observation plots were set up in each topographic position, and two sites within each plot were selected to measure the C stored in the subsoil (soil and roots) at depth intervals of 0 to 15, 15 to 30 and 30 to 45 cm. Variation in soil C stores was found in an increasing gradient from hilltop to plains, as well as decreasing values with increasing depth. The largest total C stock was found on the plains (208 t C h^–1) and the lowest on the hilltop (159 t C ha^–1). The differences in C stocks found in different topographic conditions could be due to the differential speed of decomposition of organic matter of the dominant species in each condition, indicating that C stores change in function of the topography together with availability of resources in the system.

INTRODUCCIÓN

En los últimos años se ha puesto especial énfasis en el suelo como reservorio de C a escala global, por la importancia que tiene para evaluar los cambios en las concentraciones de C atmosférico (Schlesinger, 1991; Batjes, 1996; Johnson et al., 2002). El C es un elemento clave en el desarrollo del componente orgánico del suelo y en la estructura y función de los ecosistemas, debido a que no sólo determina los cambios en su almacenamiento si no también controla su productividad (Janish y Harmon, 2002; Law et al., 2003).

El contenido de carbono orgánico (CO) en el suelo llega a superar en dos ó tres veces los depósitos de C de la biomasa aérea (Schlesinger, 1991; Eswaran et al., 1993; Etchevers et al., 2001), mientras que las reservas de C total en el suelo representan 75 % del C almacenado en los ecosistemas terrestres (Post et al., 1990; Acosta et al., 2001; Lal, 2007). La acumulación de C en la materia orgánica humificada del suelo constituye alrededor de 58 % (Etchevers et al., 2001).

El CO controla el ciclo de nutrimentos y la productividad del suelo (Van Cleve y Powers, 1995), mientras que la vegetación es el medio por el que se produce el flujo del C entre la atmósfera y el suelo. La parte activa del suelo está representada por la materia orgánica y ésta cambia con la profundidad, la textura del suelo y su composición química (Post et al., 1990).

Diversos estudios han mostrado diferencias en la concentración de nutrimentos en suelo, con un patrón de comportamiento a lo largo de gradientes, de sitios donantes a sitios receptores o de depositación (Liechty et al., 1997; Hirobe et al., 1998; Campo, 2003). Livingston et al. (1988) mencionan que existen variaciones en la concentración de nutrimentos conforme cambia la topografía del suelo en los bosques del Amazonas en Brasil. Por tanto, las reservas de C, al igual que las concentraciones de nutrimentos, pueden presentar variaciones entre diferentes condiciones topográficas.

De probarse lo anterior se tendrían más elementos para entender los patrones de distribución del CO en las capas superficiales y subsuperficiales del suelo en ecosistemas naturales y su modificación por la influencia de la topografía. El objetivo de esta investigación fue evaluar las diferencias en reservas de carbono en el suelo a lo largo de un gradiente topográfico, y la relación que existe con la profundidad del suelo en un bosque de Fagus.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en el ejido La Mojonera, Municipio de Zacualtipán, Hidalgo, México. La altitud varía de 1900 a 2200 m. La temperatura media anual es de 14 °C y la precipitación anual de 2047 mm. El clima es C(fm) templado sub–húmedo con lluvias la mayor parte del año (García, 2004). Ladera de sierra compleja y relieve muy escarpado. Material litológico de origen volcánico y alto contenido de materiales amorfos. Roca ígnea extrusiva, frecuente afloramiento de obsidiana y ceniza volcánica consolidada con vetas de cuarzo. El suelo predominante es Andosol vítrico, según clasificación de la FAO en 1998. Se caracteriza por ser profundo, con buen drenaje, estructura granular media (bien desarrollada), texturas medias, y alto contenido de materia orgánica (FAO–ISRIC–SICS, 1998).

En la parte nororiental de La Mojonera se encuentra el bosque dominado por Fagus grandifolia subsp. mexicana con una superficie de 45 ha. Se asocian en menor grado especies arbóreas como Magnolia schiedeana, Clethra macrophylla y varias especies del género Quercus (Pérez, 1999). Entre las diferentes poblaciones de Fagus que existen en México, ésta es la mejor conservada y de mayor superficie (Hernández et al., 1951; Peters, 1995; Williams et al., 2003).

Selección de sitios

Para la medición de carbono en el suelo se seleccionaron cuatro condiciones de acuerdo al gradiente topográfico: cresta, ladera, valle y planicie, considerando la caracterización fisiográfica propuesta por Ortíz y Cuanalo (1978). El tipo de suelo en las cuatro condiciones de la toposecuencia es Andosol vítrico (FAO–ISRIC–SICS, 1998).

La cresta fue la condición más elevada del área de estudio, con pendiente promedio de 60 %, 1960 m de altura y suelo con profundidad promedio de 0.80 m. La ladera es una unidad terrestre con pendiente de 85 %, entre 1900 y 1930 m y profundidad promedio del suelo de 0.56 m. El valle presentó una pendiente de 35 % en promedio, entre 1820 y 1840 m, con profundidad promedio del suelo de 0.90 m. La planicie presentó pendiente menor de 10 %, altitud de 1860 m y profundidad promedio del suelo de 0.95 m. En cada condición se establecieron tres parcelas de observación con una superficie de 400 m² (20×20 m).

Determinación del C en la parte subterránea

Para medir el C almacenado en el suelo mineral y en las raíces finas, se definieron dos puntos de muestreo al azar en cada parcela, y se obtuvieron muestras de suelo a tres profundidades: 0–15, 15–30 y 30–45 cm.

El suelo se muestreó de acuerdo con la metodología propuesta por Monreal et al. (2005). Para cada sitio de muestreo se estableció un diseño que permitió determinar con la misma muestra el C almacenado en el suelo, la densidad aparente, la biomasa y el C en raíces por cada intervalo de profundidad. Este sistema es similar a un reloj, con un círculo de 0.5 m de diámetro. Dentro de cada parcela se colocaron dos relojes. En cada uno se muestrearon dos puntos, a las 6 y a las 12 h.

Las muestras de suelo fueron llevadas al laboratorio, donde se secaron al aire libre, y se separaron manualmente las raíces finas visibles, las piedras, las gravas y los residuos vegetales y animales no descompuestos. El suelo mineral se secó a 105 °C hasta peso constante con el propósito de calcular la masa efectiva de suelo en el volumen recolectado.

Para determinar la biomasa de raíces, se secaron éstas a 78 °C por 24 h en una estufa de circulación forzada. Para el análisis de C, se hizo una muestra compuesta por condición. Posteriormente, se molieron en dos tipos de molinos; las raíces mas finas en un General Electric Mod. 5KH39QN5525 y las más gruesas en un THOMAS WILEY MILL Modelo ED–5. Para determinar el C total en raíces se utilizó un analizador automático ShimadzuTOC 5000–A.

Determinación de C en suelo

Para determinar el C orgánico en suelo mineral, se molió y tamizó el suelo en una malla de 2 mm. Una vez homogenizadas, se tomó una submuestra de 5 g, se secó a 105 °C y se molió en un molino tipo SPECK 8000 MIXER/MILL hasta que el material pasó por un tamiz de 100 mesh. La determinación se realizó en un analizador automático de C total (ShimadzuTOC 5000–A).

El cálculo del C almacenado en el suelo requiere de la medición precisa de la densidad aparente del suelo. En el laboratorio el volumen de suelo muestreado se corrigió restando el volumen ocupado por piedras y raíces, calculando en primera instancia sus densidades. Con la densidad de estos materiales se estimó el volumen, el cual se restó a la muestra de suelo para determinar la densidad aparente.

Análisis estadístico

El análisis estadístico de los datos se realizó mediante el uso del paquete SAS V8 (2000). Se realizó un ANO VA para un diseño completamente al azar. Dado que esencialmente se trata del mismo tipo de suelo con características similares en el perfil de las cuatro condiciones topográficas, se supuso una diferencia constante por profundidad de muestreo. Las variables fueron: contenido de C en suelo (t C ha^–1), C en raíces (t C ha^–1), y C total (t C ha^–1), correlacionando cada una con cada condición topográfica. Se realizó una prueba de normalidad de los datos para verificar los supuestos del modelo. Cuando se detectaron diferencias estadísticas (p<0.05) en el análisis de varianza se procedió a la comparación de medias con una prueba de Tukey.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Reservas de C total en la toposecuencia

El porcentaje de C en el suelo no mostró una variación aparente entre una y otra condición topográfica, presentándose valores de 11.8, 8.38, 9.4 y 11.67 % para la cresta, ladera, valle y planicie. Por lo anterior, se puede inferir que la topografía sí influye en el movimiento del agua, las sales solubles, los minerales coloidales y la acumulación de materia orgánica (MO). En este estudio, el suelo presentó alto contenido de MO en los primeros 15 cm de profundidad (24.1 %).

Algunos reportes señalan que la topografía influye en los almacenes de C, N y MO, indicando que los procesos y características del suelo son diferentes con pequeños cambios en la microtopografía y determinan cambios en el piso forestal y en el suelo mineral (Lajtha y Schlesinger, 1988; Liechty et al., 1997). La disponibilidad de nutrimentos cambia con la pendiente (Hirobe et al., 1998; Campo, 2003) al establecerse sitios donadores en la parte alta y sitios receptores en la parte baja. Asimismo, la actividad biológica disminuye conforme aumenta la pendiente en el terreno (Raghubanshi, 1992).

De acuerdo con los resultados de C en suelo en este ecosistema, se puede suponer que las reservas de carbono también están relacionadas con la cobertura y composición química de la vegetación presente en cada condición topográfica. La vegetación dominante en tres condiciones (ladera, valle y planicie) es Fagus, con área basal de 35, 47 y 38 m² ha^–1, mientras que la cresta está dominada por Quercus spp., con área basal de 31 m² ha^–1.

Las diferencias encontradas en las reservas de C en las diferentes condiciones topográficas podrían deberse al diferencial en la velocidad de descomposición de la materia orgánica de las especies dominantes en cada condición. Ésto indica que las reservas de C cambian en función de la topografía, y con ello la disponibilidad de recursos en el sistema.

Distribución vertical del C almacenado en el suelo

En relación al contenido de MO se observan valores promedio de 24.1, 11.4 y 8.5 % para las profundidades de 0–15, 15–30 y 30–45 cm. Con la profundidad disminuye el contenido de MO; así, en los horizontes inferiores el contenido llega a ser tres veces menor que en los primeros 15 cm. En la ladera el contenido de MO en los primeros 15 cm (25.9 %) es cuatro veces mayor a la de profundidades inferiores (6 %).

Lo anterior fue similar al comportamiento del C almacenado, debido a que en la cresta, ladera, el valle y la planicie se registró una reserva de C de 159, 163, 186 y 208 t C ha^–1 (Cuadro 2).

Aun cuando en este estudio no se consideró la actividad microbiana en el proceso de descomposición de la MO, existen reportes de que en las capas superficiales del suelo las condiciones que favorecen la actividad microbiana, como temperatura y humedad, son más propicias (Van Cleve y Powers, 1995).

Hubo diferencias estadísticas significativas (p<0.001) entre las diferentes profundidades de suelo muestreadas en el contenido de C en raíces, el cual fue mayor en la profundidad 0–15 cm. Sin embargo, el C en raíces en las capas 15–30 y 30–45 cm de profundidad no mostró diferencia estadística (Cuadro 3).

Las raíces de la mayoría de especies herbáceas y leñosas se encuentran en horizontes superficiales del suelo (Kimmins, 2004). En este estudio se observó que conforme se incrementa la profundidad, la cantidad de biomasa de las raíces finas disminuye de 4 a 6 veces respecto a la primera capa. Resultados similares fueron encontrados por Acosta et al. (2002), quienes reportaron para un bosque de Liquidambar, 4.7, 1.2 y 0.5 t C ha^–1 en biomasa de raíces para profundidades de suelo de 0–15, 15–30 y de 30–45 cm.

La distribución del C total a diferentes profundidades del suelo en la toposecuencia mostró un comportamiento parecido a una curva en forma de J–invertida, donde la más alta reserva de C se encuentra en los primeros 15 cm disminuyendo con la profundidad (Figura 2). En las cuatro condiciones topográficas el C almacenado en la primera capa del suelo (0–15 cm) fue casi el doble del encontrado a 15–30 cm de profundidad (Cuadro 3). No obstante, la disminución del C almacenado en el suelo conforme aumentó la profundidad fue consistente en las cuatro condiciones.

Los resultados presentados sugieren que el C almacenado en los componentes subterráneos (raíces y suelo) del ecosistema estudiado, son un reservorio importante, principalmente para la fijación de C atmosférico. Además, representan un importante sumidero de C en el bosque de Fagus estudiado.

CONCLUSIONES

Se encontraron diferencias estadísticas en las reservas de C edáfico a lo largo del gradiente topográfico. El mayor contenido de C total (raíces finas y suelo) se observó en la planicie con 208 t C ha^–1 y el menor en la cresta con 159 t C ha^–1. Considerando los 45 cm superficiales de suelo mineral, la mayor reserva de C almacenado se encuentra en la profundidad 0–15 cm. El C en raíces finas, comparado con la reserva en suelo mineral, fue menor a 10 %.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por el Fondo Sectorial CONAFOR–CONACYT a través del proyecto 10825. El Instituto de Recursos Naturales del Colegio de Postgraduados otorgó apoyo adicional.

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