Estimación del intercambio neto de CO2 en un cultivo de caña de azúcar durante el ciclo de plantilla
Net ecosystem CO2 exchange of a sugar crop on the plant growing cycle
Alejandro Zermeño–González*1, Sandino Villatoro–Moteno1, J. Jesús Cortés–Bracho1, Martin Cadena–Zapata2, Ernesto A. Catalán–Valencia3, M. Ángel García–Delgado4, Juan P. Munguía–López5
1 Departamento de Riego y Drenaje. Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, Buenavista, Saltillo, Coahuila, México.* Autor responsable (azermeno@uaaan.mx).
2 Departamento de Maquinaria Agrícola, Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, Buenavista, Saltillo, Coahuila, México.
]]> 3 Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relaciones Agua Suelo Planta Atmósfera (CENID RASPA). Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias (INIFAP). Canal Sacramento Km 6.5, Gómez Palacio, Durango, México.4 Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Tamaulipas, México.
5 Departamento de Agroplásticos, CIQA, Saltillo, Coahuila, México.
Recibido: septiembre, 2011.
Aprobado: julio, 2012.
Resumen
El cultivo de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) aporta aproximadamente dos terceras partes de la producción mundial de azúcar. Es una planta de metabolismo tipo C4 con capacidad alta de asimilación de CO2. La asimilación de CO2 por el dosel de un cultivo se puede determinar midiendo el intercambio neto de CO2 entre el ecosistema (vegetación y suelo) y la atmósfera (NEE). En este estudio se realizaron mediciones de NEE de un cultivo de caña de azúcar y se compararon contra los valores reportados para otras especies vegetales. Se analizó también la relación del NEE con la tasa de evapotranspiración (ET) y la radiación fotosintéticamente activa (PAR) absorbida por el dosel. La tasa instantánea de NEE del cultivo fue –28.23 µmol CO2 m–2 s–1 (el signo negativo indica que el flujo neto de CO2 es de la atmósfera hacia el dosel del cultivo) y fue aproximadamente igual o mayor a la reportada para varias especies de pastos y bosques. La retención promedio diaria de CO2 corresponde a la diferencia entre el NEE integrado durante el día y la noche, y fue 44.94 kg C ha–1 d–1. éste también fue igual o mayor a los valores reportados para otras especies y cultivos. Hubo una relación parabólica entre el NEE y la tasa de ET donde la tasa máxima de NEE fue 25.92µmol m 2 s–1 a una ET de 5.477 μmol m–2 s–1. La relación entre NEE y PAR absorbida fue similar: la máxima tasa de NEE fue 23.08 μmol m–2 s–1, con una PAR absorbida de 1 127.5 µmol m–2 s–1.
Palabras clave: balance de carbono, balance de energía, Saccharum officinarum L., covarianza eddy.
]]>Abstract
The sugarcane crop (Saccharum officinarum L.) contributes about two thirds of world sugar production. It is a C4 metabolism plant with high capacity for CO2 assimilation. The CO2 assimilation by the canopy of a crop can be determined by measuring the net exchange of CO2 between the ecosystem (vegetation and soil) and the atmosphere (NEE). In this study, we did NEE measurements of a sugarcane crop and compared them with the values reported for other plant species. We also analyzed the relationship of NEE with the rate of evapotranspiration (ET) and the photosynthetically active radiation (PAR) absorbed by the canopy. The crop instantaneous NEE rate was –28.23 µmol CO2 m–2 s–1 (the negative sign indicates that the net flux of CO2 is from the atmosphere into the crop canopy) and was approximately equal to or greater than that reported for several species of grasses and forests. Te daily average CO2 retention is the difference between the NEE integrated during the day and night, which was 44.94 kg C ha–1 d–1. This was also equal to or greater than the values reported for other species and crops. Tere was a parabolic relationship between NEE and the ET rate where the maximum NEE rate was 25.92 µmol m–2 s–1 at an ET of 5.477 µmol m–2 s–1. The relationship between NEE and absorbed PAR was similar: the maximum NEE rate was 23.08 µmol m–2 s–1, with an absorbed PAR of 1127.5 µmol m–2 s–1.
Keywords: carbon balance, energy balance, Saccharum officinarum L., eddy covariance.
INTRODUCCIÓN
La caña de azúcar (Saccharum officinarum L.), planta con metabolismo C4, es ampliamente cultivada para la producción de azúcar y puede ser uno de los principales cultivos para obtener biocombustibles (Lourenco et al., 2007). Su cultivo en México tiene un gran impacto social, económico y ecológico debido al proceso de quema para su cosecha. De este cultivo dependen 450 mil empleos directos, beneficia a 2.2 millones de personas y ocupa una superficie de 727 mil ha (PRONAC, 2007).
Los ecosistemas vegetales tienen la capacidad de asimilar el carbono mediante la fotosíntesis e incorporarlo a su estructura por lo cual son importantes reservas de carbono (Benjamín–Ordóñez y Masera, 2001). La fijación de CO2 atmosférico por los ecosistemas vegetales es un componente muy importante en el balance global del carbono en el planeta (Schimel, 1995). Esta retención de CO2 se puede evaluar midiendo el intercambio neto de CO2 entre el sistema suelo–vegetal y la atmósfera (NEE, sus siglas en inglés), definido como el flujo neto por fotosíntesis y respiración de CO2 entre la superficie vegetal y la atmósfera, sin considerar el CO2 almacenado o liberado en la capa de aire bajo las mediciones de CO2 (Martens et al., 2004).
El enfoque de NEE se utiliza para evaluar el potencial de asimilación de CO2 de diferentes especies vegetales y su relación con cambios en las condiciones del clima. Por ejemplo, un agroecosistema de una plantación de eucalipto (Eucalyptus globulus L.) mostró la tasa más alta de retención de carbono (valores mayores de NEE) respecto a un ecosistema formado por arboles de roble (Quercus ilex L. Subsp. rotundifolia y Quercus suber L.) con un sotobosque de pastos C3 y plantas leguminosas, y otro ecosistema con pastizal compuesto por pastos C3 y leguminosas con varias especies C4 invasivas (Pereira, et al., 2007). Dunn et al. (2007) midieron NEE para evaluar el efecto de la variabilidad interanual a largo plazo del intercambio de carbono de un bosque boreal de abetos negros (Picea mariana M.) y mostraron que, en función de las condiciones climáticas, el ecosistema vegetal puede funcionar como fuente o depósito de carbono. Además, Hartings et al. (2005) evaluaron las variaciones diurnas, estacionales y anuales del NEE de arbustos y matorrales de un desierto Sarcocaulescente. Estos estudios muestran que el enfoque del NEE es apropiado para evaluar la asimilación y el secuestro de CO2 de grandes ecosistemas vegetales porque se basa en el método de la covarianza eddy, que permite realizar mediciones continuas de flujos de masa y energía entre el dosel y la atmósfera, sin perturbar las condiciones de la vegetación y el suelo del sitio de muestreo (Baldocchi, 2003).
Los estudios en el cultivo de caña de azúcar se han enfocado principalmente a establecer relaciones hídricas con base en mediciones foliares in situ de fotosíntesis, transpiración y conductancia estomática, y su relación con el contenido de agua en el suelo (Glaz et al., 2004; Sakuratani et al., 2004), y en la respuesta del cultivo al déficit de agua (Inman–Bamber y Smith, 2005). Por su cobertura total de la superficie del suelo y el metabolismo carbonado, la caña de azúcar puede representa una reserva importante de CO2 atmosférico, aunque dicha retención de CO2 es muy transitoria porque se cosecha anualmente y por la quema para su cosecha. EL NEE del cultivo de caña de azúcar podría ser igual o mayor que el observado en bosques de diferentes especies, pastizales y otros cultivos, pero a la fecha no hay mediciones de esta tasa de NEE. Por tanto, el objetivo de este estudio fue determinar el NEE del cultivo de caña de azúcar, su relación con otras especies vegetales y con la tasa de evapotranspiración y absorción de radiación fotosintéticamente activa, usando el método de la covarianza eddy.
]]>MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio se realizó en el rancho Santa Anita, municipio de Xicoténcatl, Tamaulipas, México, (22° 56' N, 99° 00' O, a 67 msnm, con precipitación y temperatura media anual de 700 mm y 24 °C). La siembra de la caña de azúcar se realizó del 2 al 4 de octubre de 2007 con el cultivar CP 722086 en un suelo franco arcilloso. Durante el ciclo de crecimiento del cultivo se aplicaron 10 riegos de una lámina de agua de 15 cm cada uno. La fertilización fue 500 kg ha–1 de 22–11–55 (NPK) al momento de la siembra, y 500 kg ha–1 de 20.5–00–00 (sulfato de amonio) 60 d después de siembra. Dentro de la plantación el experimento se estableció en una sección de 200 m (dirección este–oeste) por 400 m (dirección norte–sur).
Las mediciones del flujo de calor sensible (H), calor latente (LE) y CO2 (FCO2) entre el dosel del cultivo y la atmósfera se realizaron del 3 de octubre al 10 de noviembre de 2008, con el cultivo en ciclo plantilla de 12 meses de edad. Los flujos se determinaron con el método de la covarianza eddy (Ham y Heilman, 2003), de acuerdo con las siguientes ecuaciones:
donde ρa y Cp son la densidad y capacidad calorífica del aire, L es el calor de vaporización del agua, y Ta la temperatura del aire. Los productos w'CO2', w'ρwv' y w'T representan la covarianza entre la velocidad vertical del viento (w) y la densidad del bióxido de carbono (ρCO2), densidad del vapor de agua (ρwv) y la temperatura sónica (Ts). La barra horizontal representa el valor medio del producto de las desviaciones en un segmento de tiempo (30 min).
La velocidad vertical del viento y la temperatura sónica se midieron con un anemómetro sónico tridimensional (CSI–CSAT3, Campbell, Scientific, Inc., Logan, Utah, EE.UU.); para ρwv y ρCO2 se usó un analizador infrarrojo de bióxido de carbono y vapor de agua de sendero abierto (open path CO2/H2O analyzer, LI–7500, LI–COR, Lincon, Nebraska, EE. UU.). Ambos sensores se instalaron en una torre (5 m altura; 2 m sobre el dosel de la vegetación), al centro del área de estudio (Figura 1). El anemómetro sónico tridimensional se orientó hacia el norte, para lograr que el viento tuviera por lo menos 200 m de contacto con la superficie vegetal en la dirección norte sur y 100 m en la dirección este–oeste, y oeste–este, respecto a la posición del CSI–CSAT3, ya que los vientos dominantes provenían del norte durante el tiempo del estudio. La velocidad vertical del viento, temperatura sónica, densidad del vapor de agua y del bióxido de carbono se midieron a una frecuencia de 10 Hz, y las covarianzas se calcularon cada 30 min con un datalogger CR1000 (Campbell, Scientific, Inc., Logan, Utah, EE.UU.).
Para evaluar la precisión de las mediciones de los flujos descritos se obtuvo el balance de energía sobre la superficie vegetal (Kim y Verma, 1990) con esta ecuación:
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donde Rn es la radiación neta, Hy LE definidos en (1) y (2), y G es el flujo de calor en la superficie del suelo. La Rn se midió con un radiómetro neto (LITE, Keep and Zonen Inc., Delft, Holanda) colocado en la torre sobre el dosel del cultivo, G se midió con dos transductores de calor (modelo HFT3, Campbell Scientific, Inc., Logan, Utah, EE.UU.) colocados a 0.08 m de la superficie del suelo, uno al punto medio entre dos surcos y el otro a la distancia media entre dos cepas.
Calor sensible H y latente LE se corrigieron por efectos de diferencia de densidad entre las masas de aire ascendentes y descendentes (Webb et al., 1980). Después, H y LE se corrigieron para cerrar el balance de energía, considerando que el método de la covarianza eddy proporciona una buena determinación de la relación Bowen (H/LE). El flujo de CO2 se corrigió con el mismo factor (Ham y Heilman, 2003).
El intercambio neto de CO2 del ecosistema (NEE) se obtuvo con la siguiente ecuación (Martens et al., 2004):
donde FCO2 es el flujo de CO2 medido con el método de la covarianza de eddy (negativo hacia la superficie vegetal), ΔρCO2 es el cambio en la densidad del CO2 medido a la misma altura a la que se midió el flujo en el intervalo de tiempo considerado (Δt=30 min), y Δz es la altura a la que se realizan las mediciones (5 m). La retención neta de CO2 por el ecosistema se calculó con la diferencia entre la integración de los valores negativos (durante el día) y positivos (durante la noche) de NEE.
La radiación fotosintéticamente activa absorbida (PAR_abs) por el dosel se obtuvo con la diferencia entre la radiación PAR incidente y reflejada medida con dos sensores quantum (Apogee Instruments, Logan, Utah, EE.UU.) colocados a 2 m sobre el dosel del cultivo, uno orientado a hacia el cenit y el otro hacia la superficie vegetal. Estos sensores se conectaron al datalogger CR1000 para realizar mediciones a una frecuencia de 1 s y promedios de 30 min.
Los valores del NEE totales diurnos y nocturnos se obtuvieron integrando numéricamente los valores instantáneos negativos de NEE (promedios de 30 min) en el día y los positivos en la noche.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
]]> Para evaluar la precisión de las mediciones de H, LE y CO2, se obtuvo el balance de energía (Ecuación 4) sobre la superficie vegetal. El análisis de datos mostró que la suma H+LE fue en promedio 15.5 % menor que la energía disponible (Rn–G) sobre la superficie vegetal (Figura 2). Estudios realizados por Wilson et al. (2002) en 22 sitios de la red de FLUXNET (red de sitios de mediciones de flujos superficiales donde se usa la covarianza eddy) en EE.UU. sobre diferentes tipos de vegetación y condiciones climáticas, indicaron que la suma de los flujos por turbulencia (H+LE) fue en promedio 20 % menor que Rn–G. En el mismo contexto, una revisión de 20 años de investigaciones (Foken, 2008) relacionadas con el problema del cierre del balance de energía sobre las superficies vegetales, mostró que la suma de los flujos por turbulencia es aproximadamente 20 % menor que la energía disponible. De acuerdo con dichos estudios, los resultados del balance de energía obtenidos en la presente investigación están dentro del rango de variaciones aceptables cuando se miden flujos superficiales con el método de la covarianza eddy. Para cerrar el balance de energía Ham y Heilman (2003) consideran que Rn–G es correcta y los flujos por turbulencia son subestimados y, por tanto, se deben corregir considerando que la relación Bowen (H/LE) es bien determinada al usar el método de la covarianza eddy. Al realizar esta corrección se cierra el balance de energía y (H+LE) = (Rn–G) para cada segmento de 30 min (Figura 3).Tasa instantánea y acumulada de NEE
El valor promedio de los valores máximos de NEE diurno por el agroecosistema entre el 9 y 29 de octubre de 2008 fue –28.23 µmol CO2 –2 s–1, mientras que la media de los valores máximos de la tasa instantánea de liberación (respiración nocturna) fue 6.39 µmol CO2 m–2 s–1 (Figura 4). La media de los máximos valores instantáneos de NEE diurnos de la caña de azúcar en este estudio fue mayor a los reportados por Scanlon y Albertson (2004) para un bosque tropical de Brachystegia spiciformis B., en la época de mayor crecimiento (–20 µmol CO2 m–2 s–1). También fue mayor al de una pradera de ballico perenne (Lolium perenne L.) y trébol blanco (Trifolium repens L.) (–17.2 µmol m–2 s–1) (Nieveen et al., 2005) y un bosque húmedo donde las especies dominantes fueron leguminosas mimosóideas (Neptuniaplena L.) y Gavilán (Pentaclethra macroloba W.) (–18 µmol m–2 s–1) (Loescher et al. 2003). Además, la tasa instantánea máxima de NEE de la caña de azúcar en este estudio fue mayor al observado por Jans et al. (2010) en un cultivo de maíz (Zea mays L.) en la etapa reproductiva (–15 µmol m– 2 s–1). La comparación de los resultados de este estudio con otras investigaciones muestra que la caña de azúcar tiene una alta capacidad de asimilación de CO2.
El valor integrado diurno promedio (08:00 a 19:00 h aproximadamente) del 9 al 29 de octubre del 2008 del NEE fue –571.08 mmol CO2 m–2 (Figura 4), mientras que el NEE nocturno promedio integrado fue 196.62 mmol CO2 m– 2. La diferencia entre estos valores representó una captura promedio diaria de 374.46 mmol CO2 m–2, que equivale a 164.76 kg CO2 ha–1 d–1 y correspondió a 44.94 kg C ha–1 d–1. Este dato muestra el potencial de retención de C de la caña de azúcar porque fue mayor al de una plantación de eucalipto (Eucalyptus globulus L.; 23.58 kg C ha–1 d– 1) (Pereira et al., 2007), al de un bosque tropical húmedo formado por especies leguminosas mimosóideas (Neptunia plena L.) y Gavilán (Pentaclethra macroloba W.) (21.69 kg C ha–1 d–1; Loescher et al., 2003) y al de un cultivo de betabel (Beta vulgaris L.) (19.45 kg C ha–1 d–1; Moureaux et al., 2006).
La retención de C de la caña de azúcar en este estudio fue mayor al máximo valor de retención observado en praderas de pastos C4 (Schizachyrium scoparium N.) de clima cálido (84 kg C ha–1 d–1) (Suyker y Verma, 2001) y de clima mediterráneo (Cynodon dactylon L.) (5.21 kg C ha–1 d–1; Igreja–Aires et al., 2008). Al comparar los datos de retención de C promedio diaria del cultivo de caña de azúcar con los de otras especies vegetales, se muestra la capacidad alta de retención de C de este cultivo. Sin embargo, es importante mencionar que la retención de CO2 es muy transitoria por ser un cultivo cosechado anualmente para lo cual se queman las hojas y gran parte del CO2 retenido se regresa a la atmósfera al final del ciclo. Por tanto, se importante sustituir la quema por la aplicación de herbicidas para la defoliación de las plantas o bien aplicar la cosecha en verde y dejar los residuos de cosecha en el terreno para que entren al ciclo de la materia orgánica del suelo.
Relación entre el NEE, tasa de evapotranspiración y radiación fotosintéticamente activa absorbida por el dosel del cultivo
La relación entre NEE y ET fue parabólica (Figura 5). A valores bajos de ET la tasa de incremento de NEE es alta, mientras que a valores altos de ET (mayor de 5 mm), aumentos adicionales en la tasa de ET no incrementan la tasa de NEE. Esto probablemente se debió a que una mayor apertura de los estomas tuvo un efecto mayor en el flujo de vapor de agua del interior de las hojas hacia la atmosfera, que el flujo de CO2 del aire hacia el interior de las hojas, debido a una mayor resistencia estomática al flujo del CO2 que al flujo del vapor de agua (Jones, 1992; Nobel, 2009). Estos resultados son similares a los de un cultivo de vid (Vitis vinífera L.), donde la tasa de NEE aumentó a valores mayores de conductancia estomática (Medrano et al., 2002). Similarmente, el NEE no aumentó a valores mayores de evapotranspiración en un bosque de arboles de ciprés (Cupressus sempervirens L.), porque debido a una apertura estomática alta la salida de vapor de agua del interior de las hojas hacia la atmósfera fue mucho mayor que la entrada de CO2 del aire hacia el interior de las hojas (Dolman et al., 2004). Con base en la información de la Figura 5, el máximo valor de NEE del dosel del cultivo de caña de azúcar fue 25.92 μmol m–2 s–1 y con una tasa de ET de 5.477 μmol m– 2 s– 1
La relación entre el NEE y la PAR absorbida por el dosel fue parabólica (Figura 6) y a tasas bajas de radiación fotosintéticamente activa absorbida por el dosel del cultivo (PAR_abs), pequeños incrementos en PAR_abs, resultan en incrementos altos en el NEE. Sin embargo a tasas altas de PAR_abs (> 1000 µmol m–2 s–1), incrementos adicionales en PAR_ no aumentaron la tasa del NEE. Esto probablemente se debió a que para este nivel de PAR absorbida y para las condiciones climáticas prevalecientes y el estado de desarrollo del cultivo, se alcanzó la tasa máxima de NEE. Hubo relaciones parabólicas entre el NEE y la PAR para el ecosistema de un pastizal de Stipa krylovii R., Carex duriuscula M., Artemisia frígida W., Cleistogenes squarrosa K. y Salsola collina P. (Li et al., 2005). Xu y Baldocchi (2004). señalan que la tasa de NEE se estabiliza o tiende a decrecer a valores mayores de PAR de 1000 μmol m–2 s–1en un pastizal anual mediterráneo de Brachypodium distachyon L., Hypochearis glabra L. y Trifolium dubirum S. Además, la tasa de NEE de un pastizal de Brachiara brizantha H. durante la estación seca del año mostró una tendencia decreciente a valores mayores de 1500 µmol m–2 s–1 de radiación PAR. (Santos et al., 2004). Con base en la información de la Figura 6, la máxima tasa de asimilación de CO2 del dosel del cultivo de caña de azúcar fue 23.08 µmol m–2 s–1 a una tasa de PAR_ab, de 1 127.5 µmol m–2 s– 1.
]]>CONCLUSIONES
Debido a que la tasa instantánea de intercambio neto de CO2 (NEE) y la retención de C promedio diario del cultivo de caña de azúcar fue igual o mayor a la reportada para diferentes especies de bosques, pastizales y otros cultivos, se confirmó que la caña de azúcar tiene un alto potencial de asimilación de CO2. Pero la retención de CO2 es muy transitoria porque es un cultivo de ciclo de cosecha anual y la quema realizada para su cosecha.
Hubo una relación parabólica directamente proporcional entre el NEE, la tasa de ET y la PAR absorbida por el dosel, donde los mayores aumentos en la tasa de NEE se observaron a tasas menores de ET y de PAR.
Es importante mencionar que estos resultados pueden variar por prácticas de manejo del cultivo, ciclo de crecimiento, etapa fenológica y condiciones climáticas.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Ing. Jesús Govea Sáenz propietario del Rancho Santa Anita, municipio de Xicoténcatl, Tamaulipas, por su apoyo para realizar esta investigación y al CONACYT por el apoyo de beca a uno de los autores.
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