¿Cuánto mejoro el stock de materia orgánica al aumentar la

Transcripción

III Simposio Nacional de Agricultura
¿Cuánto mejoro el stock de materia orgánica al
aumentar la producción de residuos de
cultivos? El rol de la biomasa área y
subterránea en el balance de carbono del
suelo en siembra directa
S. Mazzilli1, A. Kemanian2,
G. Piñeiro3, O. Ernst1
CARBONO ORGÁNICO DEL SUELO
El deterioro ambiental generado por
sistemas de producción agrícola ha llevado a aumentar los estudios en la dinámica de carbono orgánico del suelo
(COS). Se ha hecho especial énfasis en
el estudio del COS, ya que es conocida
la asociación directa que existe entre el
stock de COS y la productividad en sistemas agrícolas. El COS está fuertemente asociado a la fertilidad, la estructura física, la infiltración y retención de
agua para los cultivos (Bauer y Black,
1994; Lal, 1997; Reeves, 1997), pero
también es una alternativa para mitigar
el aumento de CO 2 en la atmósfera
(Davidson y Ackerman, 1993; Carbonell-Bojollo et al., 2012; Clay et al., 2012).
Este interés ha dado un impulso renovado a la agricultura en siembra directa, la rotación de sistemas de cultivospasturas perennes (Studdert y Echeverría, 2000; Russelle et al., 2007; Ernst y
Siri-Prieto, 2009), y más recientemente al
desarrollo de sistemas de cultivos multiespecíficos (Malézieux et al., 2008).
El balance de anual de carbono en
un suelo depende: (1) de las entradas
de carbono o sea, la biomasa de carbono (aérea y subterránea) que ingresa
al suelo como residuos de cultivos y la
tasa de humificación de esos residuos
(o la proporción de residuos que finalmente se transforma en COS) y (2) de
las salidas que dependen de la tasa de
descomposición del COS y, en presencia de procesos erosivos, hay que sumarle la tasa de erosión (ke) (Hénin y
Dupuis, 1945).
Los ingresos de C potencial al suelo,
en cultivos anuales, están fijados por la
productividad primaria neta (PPN) de los
cultivos, que al restarle la cosecha, determina la biomasa de residuos aportados por el cultivo al suelo. La PPN anual
de cada cultivo representa, entonces, la
máxima entrada posible de C al suelo, y
depende de la tasa de crecimiento del
cultivo y del tiempo que dura su estación de crecimiento. De esta forma, todas las causas que disminuyan la PPN,
como por ejemplo, la deficiencia de nutrientes, plagas, etc. condicionan indirectamente la formación y acumulación
de COS (Amundson y Baisden, 2000). A
su vez, la magnitud de la biomasa extraída durante la cosecha afectará fuertemente la cantidad de C que efectivamente puede ingresar al suelo.
Otro aspecto importante de la PPN,
es la proporción de ésta que es de ori-
1
Universidad de la República – Facultad de Agronomía. Departamento de Producción Vegetal (EEMAC).
Department of Plant Science. The Pennsylvania State University.
3
IFEVA/CONICET. Facultad de Agronomía. Universidad de Buenos Aires.
2
147
gen aéreo (productividad primaria neta
aérea –PPNA-, que se acumula en tallos, hojas, etc.) o subterráneo (productividad primaria neta subterránea PPNS- que se acumula en raíces, órganos subterráneos o es liberada al suelo
como rizodeposición). La partición de la
PPN en PPNA o PPNS es afectada al
transformar ecosistemas naturales en
agroecosistemas, y también por las características de los cultivos y de manejo
realizados (Janzen et al., 1998; Bolinder et al., 2007). En general, se considera que el coeficiente de humificación
de la biomasa subterránea es mayor que
el de la biomasa aérea (Broadbent y
Nakashima, 1974; Gale y Cambardella,
2000; Puget y Drinkwater, 2001) y por
tanto, sistemas que aumentan la proporción de PPNS podrían tener un balance
de COS más favorable solo debido al
cambio de partición y no a la productividad total.
IMPORTANCIA DE LA PRODUCCIÓN DE
RASTROJOS
La investigación del efecto de la biomasa aérea en el balance de COS, y en
especial la producción de rastrojos, ha
sido más exhaustiva que la investigación
del efecto de las raíces sobre la dinámica del COS. A pesar de que esta última
se ha investigado por décadas (Broadbent y Nakashima, 1974), los estudios
son limitados lo cual puede ser parcialmente explicado por la dificultad que
genera el estudio de raíces (Rasse et
al., 2005; Kong y Six, 2010) en contraparte a la facilidad de evaluar residuos
aéreos. Hay entonces un desbalance de
información: mientras la biomasa subterránea pareciera tener una importancia crítica en el balance de COS, la información experimental es limitada.
A nivel regional y mundial numerosos
trabajos han asociado la producción de
biomasa aérea con cambios en los stoc-
148
ks de COS. Un ejemplo de esto son los
trabajos realizados en Pendelton-Oregon (USA), donde en sistemas con bajos niveles de erosión, existió una fuerte relación entre los ingresos de residuos y los cambios en los stocks de COS
(Rasmussen y Smiley, 1997). A nivel regional, los trabajos de Studdert y Echeverría (2000), en el sur de Argentina,
muestran la misma tendencia en cuanto
a la relación entre ingresos de C aéreos
y cambios en el stock de COS. A nivel
local, existen numerosas publicaciones
que apuntan en el mismo sentido y demuestran que, así como el sistema de
laboreo, el balance de COS es afectado a través de la cantidad y calidad de
la biomasa producida por unidad de
tiempo y por dejar el suelo expuesto a
la erosión (García-Prechac et al., 2004)
Pero, además del efecto de los rastrojos sobre la dinámica de COS, se han
detectado otra serie de ventajas asociadas a la presencia de residuos sobre la
superficie del suelo. En este sentido, se
desarrolló, a nivel regional, como alternativa para el control de la erosión y la
pérdida de fertilidad del suelo, la permanencia en el tiempo de una capa de
rastrojo sobre la superficie del suelo
(Díaz-Zorita et al., 2002; Ernst et al.,
2002). Esto parte de la idea de que bajo
un sistema de no laboreo, como el que
actualmente domina en el país, los residuos de cosecha de los cultivos dejados sobre la superficie del suelo, normalmente, persisten por más tiempo que
los incorporados (Creus et al., 1998).
Los efectos de los rastrojos sobre el
suelo en sistemas de siembra directa
son conocidos: atenuación de las variaciones de temperatura, protección de la
superficie contra el impacto de la gota
de lluvia y el viento, una mayor oportunidad de infiltración para el agua, disminución de la evaporación y aumento
de la disponibilidad de humedad para
los cultivos (Díaz-Ambrona et al., 2005;
Richmond y Rillo, 2009).
IMPORTANCIA DE LA PRODUCCIÓN DE
RAÍCES Y MÉTODOS DE ESTUDIO
La estimación de la tasa de humificación de los residuos al COS y la distinción entre aportes aéreos y subterráneos es compleja y varios métodos han
sido aplicados para este propósito. Uno
de los métodos consiste en dejar o remover los residuos aéreos en ensayos
de largo plazo, utilizando el tratamiento
de suelo desnudo como referencia para
medir el impacto de tasas diferenciales de
entrada de residuos aéreos (Larson et al.,
1972; Barber, 1979; Plénet et al., 1993;
Kätterer et al., 2011). El problema de este
método, al no tener residuos en superficie, es que la remoción de rastrojo genera condiciones extremas. Otro método
ampliamente utilizado, son las bolsas de
descomposición (Parker et al., 1984; Robinson et al., 1997; Moretto et al., 2001),
aunque un problema asociado es el disturbio que se genera en el suelo al colocar las bolsas a la profundidad deseada.
Por último, otro método utilizado es «marcar» las entradas de carbono orgánico,
basado en la abundancia natural de isótopos de 13C en experimentos de largo plazo (Angers et al., 1995; Bolinder et al.,
1999) o con pulsos de 14C (Kisselle et al.,
2001) o 13C (Kong y Six, 2010).
A pesar de la complejidad para su
estudio, es conocido que los residuos
subterráneos tienen relativamente
más influencia que los residuos aéreos
en el balance de COS (Broadbent y
Nakashima, 1974) y varios experimentos de largo plazo sustentan esta afirmación (Campbell et al., 1991; Balesdent y Balabane, 1996; Clapp et al.,
2000). La potencial mayor estabilización de los residuos subterráneos ha
sido atribuida a la protección física
dentro de los agregados del C derivado de biomasa subterránea (Gale et
a l . , 2 0 0 0 ; Wa n d e r y Ya n g , 2 0 0 0 ;
Puget y Drinkwater, 2001; Rasse et
al., 2005). No obstante, son escasos
los trabajos que cuantifican la contribución aérea y subterránea de los ingresos de C, particularmente en cultivos de diferente composición química y
bajo condiciones de campo en sistemas
de siembra directa.
RESULTADOS LOCALES SOBRE LA
IMPORTANCIA RELATIVA DE BIOMASA
AÉREA Y SUBTERRÁNEA
Diseño experimental y evaluaciones
realizadas
En el año 2007, se instaló en la Estación Experimental «Dr. M. A. Cassinoni»
(EEMAC) de la Facultad de Agronomía,
Uruguay, un experimento de largo plazo, en el cual se pretende estimar el origen del C nuevo, el que se está formado a partir de los residuos agregados
por los cultivos. El experimento tiene
cuatro tratamientos, en un diseño de
bloques completos al azar, con tres repeticiones: maíz continuo (M/M), soja
continua (S/S) y dos tratamientos de intercambio de rastrojos, en los cuales la
biomasa aérea fue intercambiada entre
las parcelas de soja y maíz luego de la
cosecha, resultando en un tratamiento
con aportes aéreos de maíz y subterráneos de soja (M/S) y un tratamiento complementario con aporte aéreo de soja y
subterráneo de maíz (S/M).
Para cada zafra, se tiene información
de la producción aérea y subterránea
de cada cultivo. Esto implicó estimar biomasa aérea de residuos a cosecha y
biomasa de raíces a floración, dado que
es esperable encontrar el máximo de
producción de raíces en este estadio.
Para la estimación de biomasa de raíces se utilizó el método del barreno que
consiste en tomar muestras de suelo, en
este caso, con un barreno de 5 cm de
diámetro en la fila y la entrefila. Las
muestras fueron lavadas hasta obtener
las raíces sobre tres tamices de malla
149
de 2; 0,5 y 0,05 mm y posteriormente
recuperadas con pinzas. Los datos de
la fila y la entre fila fueron promediados.
En este trabajo se presenta la información de los dos primeros años, por lo
que se tomaron en cuenta: el muestreo
de suelo al momento de la siembra la
primera zafra (noviembre 2007) y antes
de la siembra del tercer ciclo de cultivos (noviembre 2009). Además, sólo se
presentarán datos de los primeros
20 cm de suelo. Las muestras de suelo
fueron fraccionadas de acuerdo al método propuesto por Cambardella y Elliot
(1992). Este método parte del hecho
que el COS es una sustancia heterogénea en composición y ciclado, y, por tanto, separa COS en materia orgánica
particulada (MOP) y materia orgánica asociada a la fracción mineral (MOAM). La
fracción MOP es la fracción más joven y
está mínimamente transformada en relación al residuo que le dio origen y en poca
asociación con los constituyentes minerales del suelo. En contraste, la fracción
MOAM, es la más estable dado su asociación con la fracción mineral del suelo.
Por otra parte, se analizaron sub
muestras de biomasa aérea y subterránea de soja (C3) y maíz (C 4), así como
las muestras de suelo de cada momento de muestreo y fracción para C, N y la
relación 13C/12C. La evaluación de la re-
lación 13C/12C es una forma natural de
marcado isotópico y es potencialmente
útil para identificar el origen del C en el
COS y la tasa de ciclado en muchos sistemas. La herramienta parte de la base
que plantas C3 tienen una señal isotópica de δ13C -26‰, mientras que un planta C4 tiene una señal isotópica de δ13C 12‰. El uso del fraccionamiento físico
del COS y los isótopos estables, en conjunto, brindan una poderosa herramienta para conocer los flujos de C en los
sistemas de producción a nivel de campo. Además, la clave en este experimento
es que la situación inicial era de una mezcla entre plantas C3 y C4, por lo que a la
siembra ambos tipo de plantas permitían
detectar cambios en la señal isotópica.
Principales resultados obtenidos
Durante estos primeros años de evaluación, no existieron cambios en los
stocks de COS en los primeros 20 cm
de profundidad de perfil (datos no presentados). Los niveles productivos alcanzados fueron muy altos en relación
a lo esperado para la zona (9400 ± 500
y 3700 ± 200 kg ha-1 de grano en términos medios para maíz y soja respectivamente). Existió una fuerte diferenciación entre el C producido aéreo y el producido subterráneo (Figura 1), tal como
Figura 1. Producción de carbono aéreo (sin granos) y subterráneo en los dos
años iniciales del experimento según cultivo.
150
Figura 2. Diagrama de tratamientos y cambios en la señal isotópica del suelo en los primeros
20 cm y señal isotópica de residuos aéreos y subterráneos de soja.
ya había sido previamente indicado por
otros autores para este tipo de cultivos
anuales (Bolinder et al., 1997). La relación entre producción aérea (sin granos) y subterránea fue de 5:1 para maíz
y 8:1 para soja, lo que indica que la soja,
además de tener menos producción aérea tiene una menor partición de C a
raíces por cada unidad de C producido
aéreo.
Si bien no hubo cambios en los stocks
de COS, ya a los dos años de iniciado el
experimento pudieron detectarse cambios
en la señal isotópica del suelo, en especial en la fracción MOP. Los cambios
en la señal isotópica de 13C siguieron
principalmente la señal isotópica de la
biomasa subterránea en ambas fracciones (Figura 2). Este cambio indica, en
especial para la fracción MOP, una mayor presencia de C originado en la biomasa subterránea.
Centraremos el análisis en la fracción
MOP, ya que fue en esta fracción en la
que se detectaron diferencias estadísticamente significativas. La señal isotópica de esta fracción al inicio del experimento fue de -21‰, lo que la deja en
una posición intermedia entre una planta C 3 y una C 4 y está de acuerdo al tipo
de vegetación que se estaba desarrollando previo al experimento. Como era
de esperar, el δ13C MOP se volvió más
negativo en el tratamiento de S/S (hacia -26‰) y menos negativo en el tratamiento de M/M (hacia -13‰). La señal
δ13C MOP en los tratamientos de intercambio se movieron principalmente hacia la señal isotópica de la biomasa subterránea, a pesar de la cantidad de carbono ingresado como residuo aéreo.
Para la fracción MAOM, se observó la
misma tendencia. La única condición en
donde los tratamientos se movieron ha-
151
cia la señal del residuo aéreo, fue en el
tratamiento M/S en los primeros 10 cm
de suelo (datos no presentados). Esto
está indicando que el agregado de
4,5 Mg C ha-1 de rastrojo de maíz por
año impactó en la señal isotópica sólo
en ese horizonte de suelo.
La tasa de descomposición de la
MOP no cambió significativamente al
cambiar el cultivo que creció sobre el
suelo (soja o maíz), aunque sí se produjo un cambio en la tasa de descomposición entre el horizonte de 0-10 y el
de 10-20. Como los stocks de COS permanecieron constantes, y la tasa de
descomposición tampoco varió entre
cultivos, la cantidad de carbono nuevo
que está ingresando al sistema fue similar en todos los tratamientos. A su vez,
como los ingresos totales de C en maíz
(aéreo + subterráneo) fueron casi el
doble que en soja, la humificación (hMOP)
de los residuos en la fracción MOP tendió a ser menor en maíz en relación a
soja (Cuadro 1).
En acuerdo con los cambios en la
señal isotópica de δ13C, la proporción de
carbono nuevo en la fracción MOP derivada de la biomasa subterránea fue
mayor que la derivada de los residuos
aéreos. La estimación de la contribución
del aporte del carbono subterráneo al
total del carbono nuevo presente varió
desde un 50% a casi el 100% depen-
diendo del valor de tasa de descomposición considerado (kMOP) y la profundidad considerada. Como era de esperar,
la proporción de MOP derivada de la
biomasa aérea aumentó en la medida
que se evaluó en las capas superficiales del perfil del suelo. Esta importancia
relativa de la biomasa subterránea fue
igual de importante para soja y maíz. Los
resultados sugieren que una proporción
muy importante del carbono aportado
por residuos aéreos es respirado y no
estabilizado en el suelo, mientras que
lo opuesto ocurre para la biomasa subterránea (Figura 3).
Dado el corto tiempo desde el inicio
del experimento, no pudieron detectarse aún diferencias en la fracción MOAM.
Pero los resultados obtenidos no hacen
más que destacar el aporte diferencial
que hacen la biomasa subterránea en
la dinámica del COS y está en línea con
una serie de trabajos internacionales
que han llegado a estimaciones similares por distintos métodos (Puget y
Drinkwater, 2001; Kong y Six, 2010). Esta
diferenciación en el aporte de residuos
aéreos y subterráneos no son tenidos en
cuenta por la mayoría de los modelos de
simulación disponibles en la actualidad
(Parton et al., 1988; Coleman y Jenkinson, 1996; Kemanian y Stöckle, 2010).
En resumen, la información presentada, aunque preliminar, sugiere que la
Cuadro 1. Tasa de descomposición (k MOP) y humificación de ingresos de carbono (h MOP) en la
fracción MOP para los primeros 20 cm de suelo.
Profundidad
Cultivo
kMOP
hMOP
y
0-10
10-20
0-20
Maíz
Soja
Maíz
Soja
Maíz
Soja
0,054
0,067
0,029
0,028
0,033
0,045
-1
0,014
0,042
NA *
NA *
0,012
0,033
Proporción de nuevo C
MOP
0,097
0,123
0,057
0,030
0,063
0,083
·NA: no aplicable, dado que para la estimación de la tasa de humificación de 10-20cm se requiere estimar la
fracción de la biomasa aérea que se humifica a esa profundidad. No existieron diferencias estadísticamente
significativas entre cultivos para ninguna variable.
152
(y-1)
Figura 3. Porcentaje estimado de carbono nuevo presente en la fracción
MOP derivada de la biomasa subterránea y en función de un
rango de posibles valores de k para dos horizontes del suelo
de diferente espesor.
biomasa aérea es rápidamente respirada y sólo una pequeña porción es humificada y, por tanto, transformada en
COS, y esto se vuelve más evidente en
la medida que se considere mayor profundidad en el perfil del suelo. Los resultados indicarían que, por ejemplo, la
disminución de los ingresos aéreos de
C debido a la remoción de residuos,
como fardos o para producción de bioenergía, podría ser potencialmente compensada a partir de un incremento en
la producción de biomasa subterránea.
A su vez, si bien no es información que
surja directamente de los datos, el gran
impacto de la biomasa subterránea puede ser una de las principales razones
de por qué los sistemas de producción
de cultivos-pasturas en la región siempre tienden a mantener mayores stocks
de COS (Ernst y Siri-Prieto, 2009), dado
que las pasturas perennes asignan mayor proporción de C a raíces que los
cultivos anuales (Gentile et al., 2003;
Bolinder et al., 2007).
CONSIDERACIONES FINALES
Los resultados son contundentes en
cuanto que la biomasa subterránea tiene una influencia directa mayor en el
balance de COS que los residuos aéreos en sistema de siembra directa como
los que actualmente se llevan a cabo en
la región. Esto abre una serie de oportunidades para implementar sistemas
que maximicen no solo la producción
total de biomasa sino la producción de
raíces. La primera forma relativamente
directa de producir más raíces sin modificar mayormente el sistema actual de
agricultura es lograr mayores producciones en cada uno de los cultivos que integran la rotación, dado que existen relaciones entre la biomasa aérea y subterránea producida que son especiedependiente y por tanto más producción
total va a estar asociado a más raíces.
La segunda forma es la elección de cultivos. En este trabajo mostramos que
soja y maíz difieren en la relación entre
biomasa aérea y subterránea. En este
sentido debe considerarse la produc-
153
ción que logra cada cultivo y la producción
anualizada que depende también de la secuencia de cultivos en el año. La tercera
forma seria la selección de especies (y posiblemente cultivares) de cultivos de cobertura, puros o en mezclas. Una cuarta forma
sería la implementación de sistemas de cultivos que roten con especies perennes con
o sin pastoreo, es decir adecuar los sistemas de cultivos directos a una rotación cultivo-pastura.
Por último, esta investigación destaca
que además de los residuos aéreos en mantener cobertura aérea de residuos para prevenir erosión y mantener COS, las raíces
juegan un rol importante que usualmente no
es discutido pero que puede ser fundamental en el mantenimiento de COS y en general en mantener la sostenibilidad de los sistemas de producción agrícola.
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¿Cuánto mejoro el stock de materia orgánica al aumentar la

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