Introducción

Los niveles atmosféricos de dióxido de carbono (CO₂) van en aumento desde la época preindustrial, de 280 mg kg^-1 hasta un valor promedio de 423.28 mg kg^-1, reportado el 13 de septiembre de 2024 (^{NOAA/ESR, 2024}). El CO₂ es la forma de las emisiones de C más estudiada ya que es importante conocer los almacenes de CO₂ en el suelo (^{Schmidt y Noack, 2000}). El Carbono Negro (CN) en el suelo, es un término que se usa en las ciencias del suelo, el cual ha recibido poca atención y estudio. El CN es una fracción importante de la materia orgánica asociada a los coloides minerales del suelo (^{Kopecký et al., 2021}), es incorporado directamente de los incendios de la vegetación al suelo, y esta enriquecida con componentes aromáticos (lignina) por lo cual el CN es una fracción que se encuentra en los suelos terrestres y acuáticos en todo el mundo (^{Masiello, 2004}) y tiene un papel importante en el ciclo del carbono (^{Liang et al., 2010}) debido a su recalcitrancia (^{Nguyen et al., 2008}). En los suelos forestales, se origina a partir de los incendios. A escala mundial, los bosques templados presentan mayor perturbación por incendios, una de las variables climáticas esenciales en las investigaciones del calentamiento global, debido entre otros factores, a los gases de efecto invernadero (GEI) que generan y los cuales van en aumento debido al calentamiento global (^{Huang et al., 2018}).

Algunas investigaciones del CN están las de ^{Schmidt y Noack, 2000}; ^{Masiello, 2004}; ^{Forbes, Raison y Skjemstad 2006}; Lehmann, 2008; ^{Nguyen et al. 2008}; ^{Shrestha, Traina y Swanston, 2010}; ^{Bird, Wynn, Saiz, Wurster y McBeath, 2015}). ^{Santín et al. (2016)} y ^{Turcios, Jaramillo, do Vale, Fearnside y Barbosa (2016)}, quienes mencionan efectos positivos al agregar CN al suelo; mejora la productividad del ecosistema, promueve el crecimiento y la actividad de los microorganismos que descompone los compuestos de C lábiles; además, mencionan que es inerte o resistente a la descomposición en ambientes terrestres, lo que significa que, tiene un tiempo de residencia largo, del orden de los miles de años y, por esto, es el material derivado de la biomasa más estable del ciclo del carbono.

La primera estimación global de CN producto de la quema de la biomasa fue realizada por ^{Seiler y Crutzen, (1980)} con 500-1700 Tg C año^-1. ^{Kuhlbusch y Crutzen (1996)} estimaron la producción global de CN de diferentes ecosistemas: bosque templado, boreal, pastizales quemados y residuos agrícolas, concluyeron que los residuos de CN de la biomasa quemada son alrededor de 44 a 194 Tg año^-1. Más adelante, ^{Bird et al. (2015)} mencionan que las estimaciones más recientes de producción global de CN van de un rango de 63 y 140 Tg C año. Por otra parte, ^{Santín et al. (2016)} señalan una producción de CN de 116 a 385 Tg C año^-1. ^{Xu, Gao y Cui (2017)} cuantificaron CN en la zona montañosa de Great Xing´an, donde hubo mayor acumulación en la superficie del perfil, y después disminuyó con el incremento de la profundidad. Por lo que aseguran, el potencial de secuestro de carbono en el suelo mejoraría debido a la existencia de CN. ^{Bird et al. (2015)} mencionan que en las regiones de bosque templado el 42% de CN es almacenado en la superficie del suelo. Downie, Van Zwieten, Smernik, Morris y Munroe (2010) hallaron que los suelos de clima templado de Australia y de Terra Preta Brasil son capaces de almacenar C en mayor cantidad y mejorar la productividad. ^{Kane et al. (2010)} cuantificaron CN en los suelos en los bosques boreales de Alaska, donde encontraron que el mayor almacén de CN se encuentra en los suelos con superficie mineral con una cantidad de 0.34±0.9 kg C m^-2. ^{Liang et al. (2010)} mencionan que los suelos ricos en CN son los Antrasoles. ^{Lehmann et al., (2021)} menciona que debido a la importancia ambiental del CO₂ como gas de efecto invernadero, ha llevado a investigar sobre CN como un medio para secuestrar CO₂ atmosférico en los suelos.

Los estudios de carbono en el suelo son necesarios para estimar los almacenes y la dinámica de este elemento en ecosistemas templados y para tomar en cuenta el CN del suelo en los inventarios de almacén de carbono global; además, es importante debido a la obtención de proyecciones del cambio climático futuro (^{Mastrolonardo, Francioso y Certini, 2018}), así como para evaluar el impacto que tienen las políticas públicas (plantaciones forestales maderables, labranza de conservación, sistemas de cultivo intercalado con árboles frutales, sistemas silvopastoriles) y en bosques con plan de manejo forestal (^{Galicia et al., 2016}). Conocer la distribución espacial del CN permite en un futuro desarrollar una metodología que dé cuenta del CN en los inventarios de gases de efecto invernadero, así como una mejor comprensión del papel que juega en el balance del ciclo del carbono. También es una herramienta para reconstruir la actividad del fuego de épocas pasadas y mejorar las propiedades físicas, químicas e incremento de infiltración de agua en el suelo en la actualidad. El objetivo de esta investigación fue estimar el Carbono Negro en los suelos de la Reserva de la Biosfera de la Mariposa Monarca (RBMM).

Materiales y Métodos

La Reserva de la Biosfera Mariposa Monarca (RBMM), es una de las áreas naturales protegidas más importantes en México. Fue declarada Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO en 2008. Se localiza en el Eje Volcánico Transversal (EVTM), entre las coordenadas geográficas 19° 20’ 40” y 19° 42’ 20” N y 100° 20’ 20” y 100° 11’ 40” O; es una región topográficamente accidentada y complicada por la diversidad de sus geoformas, el intervalo de altitud va de 2040 a 3640 m de altitud; se ubica en los límites del Estados de México y Michoacán (Figura 1). Tiene una superficie de 56259 ha (^{López-García, Manzo y Alcántara, 2014}; ^{INEGI, 2011}).

Figura 1: Ubicación geográfica de la Reserva de la Biosfera Mariposa Monarca. 

Figure 1: Geographic location of the Monarch Butterfly Biosphere Reserve. 

El material parental, la altitud y lo accidentado del relieve hacen de la región una importante zona para la infiltración de la precipitación y la recarga de los acuíferos. Los principales tipos de suelo son Andosol, Vertisol y Acrisol. La vegetación predominante es de bosques de pino y oyamel; la mayor parte de la superficie presenta clima templado subhúmedo, dominando el clima semifrío en la parte alta de las montañas (^{INEGI, 2011}).

Sin embargo, ^{Pérez-Salicrup et al. (2016)} mencionan que el régimen de fuego en la RBMM es caracterizado por ser de frecuencia baja y la severidad del fuego moderada.

Resultados y Discusiones

El contenido de Carbono Negro (CN) en el suelo fue de 13604.48 g ha^-1, que corresponde a 13.6 kg ha^-1. De los 37 perfiles de suelo muestreados, todos los de uso forestal almacenan CN, lo que no ocurrió en los suelos agrícolas debido a la perturbación por las labores de cultivo.

El mayor almacén de CN está en el perfil No. 7, con 2555.29 g ha^-1, ubicado en el municipio de Angangueo, localizado en el estado de Michoacán. Debido a que la pendiente es abrupta 13.45° (18.10°), tiene efecto sobre las características del perfil del suelo y la profundidad, por ende, mayor acumulación, por esta razón permite ser estable y resistente a la oxidación microbiana y abiótica, esto conlleva que, en la zona existe presencia de incendios forestales con mayor frecuencia que los demás perfiles.

Dentro de los sitios forestales, el almacén de CN es menor en el perfil No.1, en donde se observaron reforestaciones nuevas; además en el perfil 2, de pinos jóvenes de 6 a 8 años y en los perfiles 3 y 4, con pinos de 15 a 18 años, también se obtuvieron valores bajos. El perfil 4 presenta un incremento, aunque tiene una profundidad de 1.25 cm (menor al perfil 1), dónde el almacén de CN es 1798.87 gramos por hectárea (Cuadro 1).

El almacén de CN es mayor en el perfil de suelo No. 7, con 2555.29 g ha^-1, dónde la pendiente está orientada hacia el sur, además de ser una pendiente de 18.10°, lo cual indica que es pendiente abrupta. Le sigue el perfil No. 11 con 2000.43 g de CN, (se encontraron 7 horizontes en el perfil), además de tener mayor profundidad, esto quiere decir que se encuentra en la zona más baja de la zona de estudio. Todos los perfiles presentan CN; en el caso del perfil No. 14, presenta 856.65 g ha^-1 (casi 1 kg) de CN (Cuadro 1). Con respecto a la topografía, las pendientes van de 10.31 a 20.11° que significa que son pendientes abruptas, los intervalos de altitud van de 3184 a 3280 m de altitud.

En los perfiles con uso de suelo agrícola, no se encontró CN (Cuadro 1), debido a que la destrucción de los agregados por los implementos agrícolas desprotege y expone a la intemperie a la materia orgánica que está ocluida en pequeños agregados (^{Mattus, 1994}), en donde CN puede oxidarse como dióxido de carbono (CO₂) (^{Bedard-Haughn et al., 2006}). El CN para los suelos agrícolas en la literatura se nombra como biocarbón (^{Escalante-Rebolledo et al., 2016}), que tiene mayor capacidad de intercambio de cationes (CIC) por unidad de carbono que la materia orgánica del suelo (^{Sombroek, Nachtergaele y Hebel, 1993}). Por lo tanto, presenta mayor retención de nutrientes K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, portador de microorganismos, los cuales incrementan la población de hongos micorrizicos, por ello se ha incorporado en los trabajos de bioremediación de suelos. Al aplicar biocarbon al suelo se puede aumentar su permeabilidad al agua, reducir la escorrentía y los costos de riego (^{De Gryze, Cullen y Durschinger, 2010}), mejora la aireación del suelo y hace más fácil el laboreo (^{Gathorne-Hardy, Knight y Woods, 2009}).

Los perfiles 21, 25 y 27estan en suelo forestal, principalmente de pino y su almacén de CN va de 348.88 a 385.78 g ha^-1, que son muy bajo; además, los perfiles de suelo 19 y 22 presentan contenidos de almacén de CN de 633.39 a 685. 78 g ha^-1 dentro de sus horizontes y corresponden a almacén medio (Figura 2).

Figura 2: Distribución del Carbono Negro en los suelos de la Reserva de la Biosfera Mariposa Monarca.  

Figure 2: Distribution of Black Carbon in the soils of the Monarch Butterfly Biosphere Reserve. 

De acuerdo con ^{Pérez-Salicrup et al., (2016)} en la RBMM, los incendios han sido una perturbación histórica, principalmente para los bosques de coníferas. Por ejemplo, en los márgenes del río Catingón y San Pedro en Angangeo, Michoacán, se reportó que hubo al menos un incendio catastrófico en 1670, de alta intensidad, muy alta severidad, y que debió extenderse al menos por la cuenca de dichos ríos. Adicionalmente, el mismo estudio reporta al menos dos eventos de incendios regionales que debieron ser de severidad mixta durante el siglo XX: uno en 1942 y otro en 1999. La quema de biomasa produce la acumulación de material vegetal carbonizado en el suelo, el cual ha sido postulado como el origen de las sustancias húmicas. Sin embargo, ^{Hubau et al., (2012)} señalan que en suelos originados a partir de cenizas volcánicas podría explicar el origen de ciertos tipos de ácidos húmicos (AH) altamente aromáticos. Por otra parte, ^{Nguyen et al., (2008)} mencionan que las reservas de CN en el suelo disminuyen rápidamente en los primeros 30 años posteriores a su sedimentación y luego se estabilizan. El cambio en el almacén de CN implica una serie de procesos como: la descomposición, la erosión y el transporte por debajo de la profundidad de observación. La oxidación puede degradar el CN, pero la adsorción de materiales orgánicos e inorgánicos puede aumentar la protección del CN contra la descomposición al reducir la superficie expuesta al aire de las partículas de CN y la degradación oxidativa.

La idea central es que el CN almacenado en los suelos de la RBMM no es uniforme. Además, por ser una zona con topografía accidentada, se incrementa la escorrentía y los suelos están más propensos a la erosión hídrica. Por otra parte, ^{Wagner, Ding y Jaffé (2017)} mencionan que el CN es transferido al sistema acuático en la forma de CN disuelto, por tal motivo también pudiera presentarse en los ríos de esta reserva. Con respecto al efecto del cambio climático, el CN no contribuye al calentamiento global por su característica recalcitrante o por tratarse de un material muy refractario, por lo que es difícil de descomponer por los microorganismos. Al mismo tiempo, su presencia promueve el crecimiento de microorganismos y la descomposición de compuestos de carbono lábil. Además, es parte del ciclo del carbono, algunos autores como ^{Masiello y Druffel (1998)}, ^{Schmidt y Noack (2000)}, ^{Druffel (2004)} y ^{Forbes et al. (2006)}, lo mencionan como el ciclo biogeoquímico del Carbono Negro. Otro aspecto importante es que la cantidad de CN en el suelo es igual a la suma de C contenido en los bosques y de CO₂ en el aire.

Para poder evaluar mejor la influencia del CN en el ciclo del carbono, se necesitan estudios con una mayor comprensión de las tasas de producción y degradación, para los ecosistemas que están expuestos a deforestación e incendios forestales; además, nos ayuda a evaluar el transporte fluvial y eólico del CN la escala fina, así como comprender mejor las tasas de degradación en los sedimentos terrestres y marinos. Esto permitirá desarrollar una metodología que nos permita evaluar los inventarios de gases de efecto invernadero y minimice las incertidumbres y discrepancias en relación con las estimaciones de los flujos de CN entre la atmósfera, la biosfera y los océanos. El resultado será un balance mundial del Carbono Negro más exacto y una comprensión mejorada del papel que tiene cómo sumidero potencial en el ciclo del C.

La cuantificación del CN en los suelos se complica porque la estructura química y tamaño son muy heterogéneos. Aunque la mayoría de la bibliografía consultada refiere estimaciones de CN en la atmósfera (^{Cruz-Nuñez, 2019}) y en los sedimentos marinos (^{Masiello y Druffel, 1998}).

Conclusiones

Los resultados obtenidos de la estimación de CN en la RBMM, en suelos de uso forestal, van de 10 a 2555 g ha^-1, que se encuentran en los diferentes perfiles de suelo. Destacan los contenidos con valores alto (740-1022 g ha^-1) con 8 perfiles de suelos, le siguen valores muy bajos (0-370 g ha^-1) con 8 perfiles y valores muy altos (1022 a 2555 g ha^-1) en 6 perfiles de suelos.

Los valores de CN en los suelos forestales de la RBMM están en el intervalo de valores altos y le siguen valores muy altos de CN, por lo cual aportan cantidades de 740 g ha^-1 a 2555 g ha^-1 de C al suelo. El CN se ha mantenido en el suelo debido a la encapsulación por partículas de suelo a través del tiempo, lo que contribuye a su estabilidad en el largo plazo. El CN ayuda a mantener la fertilidad natural de los suelos, el cual aporta nutrimentos al suelo de áreas de bosque y agrícolas.

Declaración de Ética

No aplicable.

Consentimiento para Publicación

No aplicable.

Disponibilidad de Datos

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado, pero están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Conflicto de Intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en competencia en esta sección.

Financiación

No aplicable.