CAPÍTULO 2. LA EVALUACIÓN DEL ALMACENAMIENTO DEL CARBONO EN EL SUELO Y LOS PRINCIPALES CAMBIOS

En los próximos 25 años, para estimar el potencial de captura de carbono en suelos bajo distintos escenarios (Batjes, 1999) será necesario distinguir dos aspectos: cuál es la existencia original de carbono en el suelo y cuáles son los cambios en las existencias de carbono.

Medida de las existencias de carbono en el suelo

La materia orgánica que está sobre la superficie del suelo no es tomada en consideración en la evaluación de las existencias de carbono del suelo. En los suelos cultivados, esto significa que los residuos vegetales son considerados una fase transitoria; sin embargo, los residuos superficiales de los cultivos, los cultivos de cobertura o la cobertura en si misma son partes importantes del agrosistema. Del mismo modo, los residuos de los bosques pueden llegar a 8 o 9 kg/C/m² en los bosques de zona templada (Dupouey et al., 1999) y a 5 o 6 kg/C/m² en un bosque tropical sobre un ferralsol (Andreux y Choné, 1993). Las raíces vivas son consideradas como biomasa de carbono y en las tierras de pastoreo, por ejemplo, pueden contribuir con la mayor parte del carbono del suelo.

El método más comúnmente aplicado es la determinación del carbono orgánico total a diferentes profundidades o globalmente para uno o más horizontes y transformar los datos tomando en consideración la densidad y la pedregosidad del suelo. Las estadísticas se calculan sobre diferentes muestras para determinar las existencias de carbono. Los resultados pueden ser expresados en kg/cm², t/ha o Gt (Pg) totales sobre áreas especificadas y a varios rangos de profundidad.

La escala puede ser el lugar o parcela, la cuenca, la región, un país específico o un continente o la zona agroecológica (FAO/IIASA, 1999). La extensión espacial es construida usando mapas digitales para las distintas unidades de suelos considerados. El número de análisis de perfiles de suelos usados es muy importante y hasta ahora, en general, ha habido una falta de buenos datos referenciados.

Con respecto a las existencias de carbono a escala mundial, hay tres referencias importantes. Sombroek et al., (1993), usaron el Mapa Mundial de Suelos FAO/UNESCO (a escala 1:5 000 000) y cerca de 400 perfiles de suelos, agrupados por unidades de suelo de la FAO, con el rango y los valores medios para el contenido de carbono orgánico y la densidad para cada unidad de suelo. Fue posible estimar las existencias de carbono orgánico según los grupos de suelos de la FAO y las existencias de carbono total en el mundo.

Post et al., (1982) y Eswaran et al., (1993) usaron el U.S. Soil Taxonomy y más perfiles de análisis (cerca de 16 000), la mayoría de los cuales provenían de pedones en los Estados Unidos de América (WSR-SCS). La estimación total de las existencias de carbono orgánico es de 1 550 Pg; se ofrecen más detalles relativos a las existencias de carbono para los diferentes órdenes o subórdenes de suelos o para las distintas profundidades de los perfiles. En conclusión, los autores remarcan en su estimación la importancia de tomar en consideración el uso de la tierra y los cambios en el manejo de la tierra.

CUADRO 2. Contenido medio de carbono orgánico para algunas unidades de suelos FAO-UNESCO y unidades de suelos WRB

(Nota: una correlación 1:1 con las unidades WRB parece ser "riesgosa" para algunas de estas unidades) Fuente: FAO/UNESCO (1974) y unidades de suelos WRB (de Batjes, 1996)

Más recientemente, Batjes (1996) llevó a cabo una revisión de las estimaciones usando la base de datos Wise con 4 353 perfiles (19 222 análisis de carbono), con una representación geográfica más significativa. Este estudio confirmó un total de carbono del suelo de cerca de 1 500 Pg en los horizontes superiores (0-100 cm) pero a su vez reveló la presencia de existencias importantes y estables de carbono a profundidades entre 100 y 200 cm de profundidad, especialmente en suelos tropicales (Cuadro 2). El autor consideró que el sistema general de información de suelos (FAO/UNESCO, 1974) no estaba completamente adaptado como para permitir la estimación de cambios en las propiedades del suelo inducidas por los cambios en el uso de la tierra u otros factores, por ejemplo, el cambio climático.

Los datos presentados en la Cuadro 2 ilustran la gran variación del carbono orgánico en relación a los tipos de suelos. Los valores son de 2 kg/m² para xerosoles o arenosoles o más de 10 kg/m² para podzoles, andosoles o rendzinas. Las cantidades totales de carbono en los suelos de las zonas áridas (xerosoles, yermosoles) son bajos, cerca de 7 kg/m², comparados con los suelos en los trópicos de cerca de 15 a 30 kg/m², pero son distintos dependiendo de la textura y la mineralogía.

Los contenidos de carbono en el suelo dependen de los principales factores a largo plazo relacionados con la formación del suelo pero pueden ser fuertemente modificados -degradados o mejorados- por los cambios en el uso y el manejo de la tierra.

Muchos de los citados estudios estadísticos sobre las existencias de carbono del suelo y su distribución se basaron esencialmente en mapas de suelos. Recientemente, se han hecho evaluaciones similares en Francia (Arrouays et al., 1999) las cuales toman en consideración los tipos de suelos y la cubierta vegetal. Los análisis de carbono del suelo disponibles fueron datos pedológicos georreferenciados que procedían de datos de la base nacional de datos y de una red sistemática de supervisión del suelo (16 x 16 km) disponible a escala europea pero limitada a suelos forestales. La información de un mapa de suelos y de un mapa de uso de la tierra fue usada para producir estadísticas simples sobre las existencias de carbono bajo diferentes tipos de uso de la tierra (con 13 tipos de uso, de acuerdo con las definiciones Corine Land Cover) y tipos de suelos (con 17 grupos de suelos definidos por la FAO). El número total de combinaciones fue de 138. El mapa de carbono del suelo resultante para Francia permitió hacer una estimación de las existencias de carbono (3,1 Pg a una profundidad de 30 cm) y también para identificar los principales factores que controlan la distribución del carbono: uso de la tierra, tipo de suelo u otras características (climáticas, pedológicas, etc.).

CUADRO 3. Total de existencias de carbono orgánico del suelo (COS) y contenido medio (kg C/m²) en las principales Zonas Agroecológicas (para los 0,3 y 1 m superiores) (de Batjes, 1999)

Otros trabajos han intentado combinaciones similares entre tipo de suelos y vegetación (Howard et al., 1995 en Gran Bretaña; Moraes et al., 1998 en Rondonia, Brasil; Van Noordwijk et al., 1997 en las zonas forestales húmedas).

Los datos del suelo y los datos del uso de la tierra deberían ser usados para determinar las existencias de carbono en el suelo. Mientras que los factores del suelo y los factores climáticos son importantes para explicar el almacenamiento de carbono o los reservorios en largos períodos, los cambios de vegetación o uso de la tierra determinan los cambios en la captura de carbono en períodos más cortos. A menudo, sin embargo, en la mayor parte de los perfiles de suelos disponibles, la historia de uso de la tierra no ha sido documentada.

Batjes (1999) también discutió la distribución del total de las existencias de carbono del suelo según las principales zonas ecológicas. Tales zonas muestran grandes diferencias en el almacenamiento del carbono orgánico (Cuadro 3), sobre todo en relación a la temperatura y a la lluvia. Las existencias de carbono en el suelo hasta un metro de profundidad varían entre 4 kg/m² en las zonas áridas y 21-24 kg/m² en las regiones polares o boreales, con valores intermedios de 8 a 10 kg/m² en las zonas tropicales. La contribución de las regiones tropicales a las existencias globales de carbono en el suelo es de 384-403 Pg C a un metro de profundidad y 616-640 Pg C a dos metros de profundidad (Batjes, 1996), comparada con cerca de 1 500 Pg en todo el mundo (2 736-2 456 Pg a dos metros de profundidad). Las zonas áridas que cubren el 40 por ciento de la superficie global de tierras, almacenan sólo el cinco por ciento (100 Pg) del total. Estas zonas agroecológicas -desarrolladas por FAO- pueden constituir un marco de referencia para evaluar y supervisar el almacenamiento de carbono en los suelos.

Evaluación del cambio en el almacenamiento

Existen numerosos ejemplos históricos bien documentados de cambios en las existencias de carbono del suelo en las zonas templadas, muchos de ellos procedentes de experimentos agronómicos a largo plazo.

El experimento de Versailles (Francia) conocido como Las 42 parcelas fue establecido en 1929, sin ningún cultivo y quitando toda la vegetación natural y con o sin fertilización o enmiendas del suelo. El suelo es típicamente limoso con un contenido inicial de carbono de 1,7 por ciento. En 50 años el contenido de carbono orgánico en el suelo sin enmiendas disminuyó de un 60 por ciento a un 0,7 por ciento; en el suelo con fertilizantes orgánicos (100 t/ha/año) aumentó en 50 por ciento a 2,5 por ciento (Figura 5). En ambos casos, la tasa de cambio es decreciente y el nivel -nuevo estado de equilibrio- es cercano.

Figura 5. Evolución de la concentración de carbono en los suelos limosos entre 1928 y 1991 con o sin adición de abonos orgánicos (lugar experimental del INRA, Las 42 parcelas, Versailles, Francia)

El experimento de Rothamsted -trigo Broadbalk- es el experimento agronómico a largo plazo más antiguo. Fue establecido en 1843 con cultivo continuo de trigo y con rotaciones y las parcelas han sido sometidas a diferentes tratamientos. La aplicación de estiércol ha llevado a la duplicación del contenido del carbono orgánico; con solo residuos de los cultivos, el contenido de carbono del suelo permaneció estable. En el mismo conjunto de experimentos (Rothamsted Highfield) la conversión de tierras de pastoreo a tierras arables resultó en una pérdida de 55 por ciento de carbono total en un plazo de 20 años, de 3,5 por ciento a 2 por ciento de carbono (Figura 6); pérdidas similares de carbono se encontraron donde las praderas naturales se convirtieron a tierras agrícolas, en Canadá o los Estados Unidos de América.

Figura 6. Evolución del carbono en el experimento de conversión de tierras de pastoreo a tierra arable en Rothamsted Highfields, Gran Bretaña (de Johnston, 1973)

Otro experimento de larga duración (90 años) es el ensayo estático de fertilización de Bad Lauchstadt (Alemania) donde los resultados demuestran el efecto positivo de la fertilización -especialmente nitrógeno- sobre el contenido de carbono del suelo.

Estos experimentos a largo plazo ofrecen datos con los cuales es posible evaluar el efecto de los cambios en la cobertura y en el uso de la tierra pero también desarrollar o evaluar modelos. Están incluidos en SOMNET, una red de materia orgánica del suelo (Powlson et al., 1998).

En todos estos experimentos, la labranza rutinaria de la tierra fue incluida como una práctica estándar. Sin embargo, un cierto número de experimentos a relativamente largo plazo (cerca de 20 años), en los Estados Unidos de América (Dick et al., 1998), Alemania (Tebruegge y During, 1999) y Rusia (Kolchugina et al., 1995) hicieron posible evaluar los efectos de distintos tipos de labranza y labranza cero sobre el almacenamiento de carbono; estas pueden disminuir el contenido de carbono orgánico entre 10 y 30 por ciento. En los Estados Unidos de América, ha sido establecida una red regional específica en los Central Great Plains sobre este tema (Lyon, 1998).

Experimentos similares también existen en bosques templados (Arrouays y Pelissier, 1994) y tropicales (Neill et al., 1998) que permiten la evaluación de los efectos de la deforestación y de la reforestación en el almacenamiento de carbono en el suelo. La deforestación, por lo general, implica una pérdida casi total de la biomasa y de carbono debajo de la tierra entre 40 y 50 por ciento en el lapso de pocas décadas, la mitad de lo cual ocurre en menos de cinco años (Figura 7). El nuevo estado de equilibrio dependerá del nuevo uso de la tierra (Davidson y Ackerman, 1993; Sombroek et al., 1993). En el caso de la deforestación seguida por pasturas (Neill et al., 1998; Choné et al., 1991), estudios sobre isótopos del carbono muestran el relativamente rápido reemplazo de las existencias del carbono original del suelo forestal por compuestos del carbono derivados de las pasturas. Con la reforestación, el carbono sobre y debajo de la superficie de la tierra se incrementará lentamente, dependiendo de la tasa de crecimiento de los árboles.

Figura 7. Disminución del carbono orgánico del suelo después de la deforestación y el cultivo de maíz (Arrouays y Pellisier, 1994)

Otros experimentos a largo plazo sobre las emisiones y secuestro de carbono han sido llevados a cabo en zonas templadas. Un buen número de estudios comparativos a largo plazo muestra que los sistemas orgánicos y sostenibles mejoran los suelos por medio de la acumulación de materia orgánica y carbono en el suelo, con un incremento paralelo de la actividad microbiana: en Estados Unidos de América (Lockeretz et al., 1989; Wander et al., 1994, 1995; Petersen et al., 2000), Alemania (El Titi, 1999; Tebrügge, 2000), Reino Unido (Smith et al., 1998; Tilman, 1998), países escandinavos (Katerer y Andrén, 1999), Suiza (FiBL, 2000) y Nueva Zelandia (Reganold et al., 1987, 1993).

Figura 8. Cambios simulados del total del carbono del suelo (0-20 cm profundidad) entre 1907 y 1990 para el Corn Belt central de los Estados Unidos de América (de Smith, 1999)

También existen experimentos a largo plazo en otras partes del mundo; una lista parcial anotada se encuentra en el sito Web de la FAO^[2]. A menudo están en relación con centros internacionales de investigación agrícola (Greenland, 1994). Es necesario, sin embargo, establecer una base de datos sobre uso sostenible de la tierra (Swift et al., 1994).

La reciente evaluación de las existencias de carbono en los Estados Unidos de América y especialmente las contribuciones de los cambios de uso de la tierra [Lal et al., 1998a; Young, (FAO/IFAD, 1999); Houghton et al., 1999] han dado lugar a polémicas sobre los sumideros no tan grandes de ese país (Field y Fung, 1999). En este caso, los Estados Unidos de América fueron divididos en siete regiones geográficas, cada una de ellas comprendiendo de dos a cinco ecosistemas naturales, sin incluir tierras de cultivo ni pasturas. En estas evaluaciones no fue tomado en consideración el tipo de suelo. El estudio estimó los cambios en las existencias de carbono del suelo en relación a cambios históricos del uso de la tierra desde 1700 a 1990. La cantidad total de carbono liberada por los suelos de los Estdos Unidos de América hasta hoy es estimada por Lal entre 3 y 5 Pg.

Usando modelos se proyectó una acumulación de 2 Pg con labranza reducida. Los cambios simulados del carbono total del suelo a una profundidad de 0-20 cm se presentan en la Figura 8 (Smith, 1999). Dependiendo del grado de desarrollo de la práctica de la labranza reducida, la tasa de incremento del carbono en el suelo podía ser mayor. En los países del norte (Canadá, ex-Unión Soviética) se observan similares evoluciones y resulta el mismo tipo de simulación en el caso del uso de labranza cero (Gaston et al., 1993).

Estimaciones similares de los flujos anuales de almacenamiento de carbono en los suelos fueron hechas en Francia por Balesdent y Arrouays (1999). Los cálculos se basaron en registros históricos de áreas de uso de la tierra con atribuciones de las medias de reservorios de carbono en equilibrio para cada tipo de uso de suelo. Los valores para los diferentes reservorios de carbono total varían de 20 t/ha para tierras en descanso y viñedos a 50 t/ha para pasturas y 60 t/ha para bosques. Para evaluar el efecto del uso de la tierra sobre los distintos reservorios de carbono, se utilizó un modelo simple de dinámica del carbono en el suelo el que fue asociado con algunas constantes de tasas de descomposición de materia orgánica. Usando este método fue posible demostrar que los suelos de Francia habían acumulado más de 4 t/ha de carbono en el último siglo, con altas variaciones históricas. Un mapa reciente del carbono se presenta en el Anexo 1 (Arrouays et al., 2000). Estos enfoques, basados en el uso de la tierra y sus flujos, son complementarios a aquellos basados en los reservorios de carbono.

Hay varios modelos de cambios de uso de la tierra y de dinámica del carbono que permiten una generalización espacial o simulación de la evolución del carbono del suelo en situaciones de cambios de uso de la tierra. En los Estados Unidos de América, se usan comúnmente dos modelos: Century y DNDC, que pueden reunir procesos de desnitrificación y descomposición. Normalmente están ligados a un Sistema de Información Geográfica (SIG). Ambos modelos requieren datos climáticos -temperatura y precipitación- de los lugares, los que están agrupados de acuerdo a amplias características del clima, características del suelo -sobre todo textura- y a información sobre manejo de la tierra -rotación de cultivos y rendimientos, labranza, riego, fertilización. En lo que se refiere a la materia orgánica del suelo en estos modelos, se distinguen dos formas de residuos: metabólicos y estructurales- y tres compartimientos: activo, lento, pasivo- con diferentes tiempos de residencia. Estos modelos se aplican solo a un tipo de suelo y bajo un único escenario de rotación de cultivos y labranza, dentro de un clima dado. Los productos de estos modelos son predicciones de almacenamiento de carbono en el suelo, rendimiento de los cultivos y emisiones de diferentes gases.

Arrouays y Pelissier, (1994) desarrollaron en Francia un modelo con el objetivo principal de predecir el efecto del uso de la tierra en la dinámica del carbono. Este modelo conocido como Morgane, toma en consideración diferentes compartimientos de la materia orgánica; será probado en varias regiones tropicales (Indias Occidentales o Brasil). Un número especial de Geoderma (1993, 81) fue dedicado a la comparación de nueve modelos diferentes de simulación usando datos de experimentos a largo plazo en regiones templadas, de los cuales Smith et al., (1997) hicieron una aplicación para ecosistemas tropicales. Estos modelos también pueden ser usados para simular los efectos del cambio climático (Paustian et al., 1998b).

El proyecto FAO-FIDA sobre captura de carbono aplica un modelo llamado RothC-26-3 (Jenkinson y Rayner, 1977) diseñado durante los experimentos de Rothamsted para el recambio de la materia orgánica en regiones templadas, pero extendido ahora a las regiones tropicales (Ponce Hernández, 1999). El modelo RothC, ligado con un SIG, ha sido ya usado a nivel nacional en Hungría (Falloon et al., 1998). También es considerado como uno de los modelos probables para evaluar el potencial de secuestro de carbono en el suelo en África occidental, usando un Sistema de Información de Recursos del Suelo (Batjes, 2001).