La respiración del suelo en ecosistemas áridos y semiáridos.

Ayer se publicó en el blog de la Red Remedia   https://www.redremedia.org/ el informe

La respiración del suelo en ecosistemas áridos y semiáridos: implicaciones para la conservación y una gestión eficaz y sostenible de los suelos en un clima cambiante .

Informe elaborado la Doctora Maria Almagro Scholar

“La conservación y regeneración del suelo son esenciales tanto para la sostenibilidad de la agricultura como para compensar el rápido aumento de dióxido de carbono en la atmósfera y contribuir así a la mitigación del cambio climático”.

 

Los suelos constituyen el mayor reservorio de carbono orgánico terrestre ya que almacenan más de 1500 gigatoneladas de carbono (un billón de toneladas), es decir, el doble de la cantidad de carbono almacenada en el conjunto de la biomasa vegetal terrestre (650 gigatoneladas) y la atmósfera (750 gigatoneladas). Además suministran una multitud de servicios ecosistémicos de suma importancia para la sociedad, como la producción de alimentos o de fibra, el suministro de agua dulce, la regulación del clima y de los ciclos hidrológicos y de nutrientes, la captura de CO2 atmosférico y el secuestro de carbono. Por lo tanto, su conservación y regeneración son esenciales tanto para la sostenibilidad de la agricultura como para compensar el rápido aumento de dióxido de carbono en la atmósfera y contribuir así a la mitigación del cambio climático. Por otra parte, promover estrategias apropiadas de conservación y de manejo sostenible del suelo contribuirá a aumentar la resiliencia del sistema suelo frente a un clima cambiante.

El suelo es un organismo vivo que al igual que nosotros respira liberando dióxido de carbono a la atmósfera. La respiración del suelo es debida en parte a la actividad de los microorganismos que descomponen la materia orgánica del suelo y la hojarasca que cae sobre el mismo ayudando a reciclar nutrientes, emitiendo CO2, y en parte a la respiración de las raíces, que también liberan CO2 a la atmósfera como subproducto de la fotosíntesis. Después de la fotosíntesis, la respiración del suelo es el flujo de carbono más importante entre los ecosistemas terrestres y la atmósfera y un componente clave en el ciclo global del carbono ya que regula la cantidad de carbono que se almacena en el suelo. Se estima que el 10% del CO2 que hay en la atmósfera circula a través de los suelos cada año.

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Figura 1. Flujos de carbono en ecosistemas terrestres. Adaptada de Trumbore (2006).

La cantidad de CO2 liberado a la atmósfera como consecuencia de la respiración del suelo a nivel global oscila entre 75 y 100 petagramos (miles de millones de toneladas), lo que equivale a 10 veces el CO2 emitido a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles. Dada la enorme magnitud de este flujo, cualquier cambio, por pequeño e insignificante que pueda parecer, tanto en la cantidad de carbono almacenada en los suelos del mundo como en los flujos de carbono liberados por los mismos, podría afectar a la concentración de dióxido de carbono atmosférico, y por tanto contribuir al cambio climático.

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Figura 2. La importancia de la respiración del suelo en el balance global del carbono. Adaptada de Le Queré et al (2016).

Además, la respiración del suelo es muy sensible a las fluctuaciones de la temperatura y la disponibilidad de agua en el suelo, por lo que existe una preocupación generalizada en la comunidad científica respecto a investigar la importancia relativa de estas variables climáticas en la dinámica de la respiración del suelo en los diferentes biomas del mundo para poder predecir así con mayor fiabilidad la respuesta de los ecosistemas terrestres a los cambios previstos por el clima (aumento de temperatura, cambios en los patrones de precipitación y aumento de eventos extremos) que ya se están observando a nivel global. Por todos estos motivos, durante la última década, la comunidad científica se ha dedicado a cuantificar la cantidad de carbono que almacenan los suelos en distintos ecosistemas, así como los flujos de carbono y su relación con las variables ambientales, para mejorar nuestro entendimiento del ciclo del carbono, predecir su respuesta y poder formular medidas necesarias de mitigación y adaptación a los cambios futuros predichos para los diferentes biomas.

Recientemente se han recopilado estimas de la respiración del suelo en distintos ecosistemas del mundo y contamos ya con una base datos con información mundial (Bond-Lamberty & Thomson 2010). Sin embargo, y a pesar de que la importancia de las regiones áridas y semiáridas para el ciclo global del carbono ha sido reconocida desde hace mucho tiempo, estos ecosistemas están infra-representados en este tipo de esfuerzos globales, lo que explica que todavía no se haya identificado el patrón de respuesta de la respiración del suelo a las variables ambientales en estos ecosistemas. Por esta razón nos decidimos a llevar a cabo este estudio de síntesis para mejorar nuestra comprensión acerca de la respuesta de la respiración del suelo frente a la temperatura y disponibilidad de agua en el suelo en un conjunto de ecosistemas áridos y semiáridos, o que al menos presenten un periodo seco, como es el caso de los ecosistemas mediterráneos.

Y os preguntaréis: ¿Y por qué es tan importante entender cómo responde la respiración del suelo a las variables ambientales en estos ecosistemas? Primero, porque las regiones áridas y semiáridas ocupan un 40% de la superficie terrestre. Además, los modelos climáticos globales predicen que estas regiones van a aumentar en superficie y serán más sensibles al cambio climático (Huang y col. 2015). Y por último, los estudios que han abordado la respiración del suelo en estos ecosistemas limitados por el agua han observado que éstos se comportan de manera muy diferente al resto de biomas del mundo. Es decir, que la respuesta exponencial de la respiración del suelo a la temperatura generalmente observada en el resto de biomas del mundo (Figura 3a) no se observa en las regiones áridas y semiáridas. Lo que se observa en estos ecosistemas es una respuesta cuadrática de la respiración del suelo frente a la temperatura, que viene modulada por la disponibilidad de agua en el suelo. Es decir, durante el periodo de crecimiento, relativamente húmedo, la respiración del suelo responde de manera positiva a la temperatura. Sin embargo, esta relación pasa a ser negativa en el periodo seco, tal y como se puede observar en este gráfico en el que se muestra la relación entre la respiración y la temperatura del suelo en tres ecosistemas semiáridos mediterráneos (un olivar ecológico de secano, un matorral mixto con individuos de pino carrasco intercalados, y un campo agrícola abandonado) localizados en el sureste peninsular (Figura 3b; Almagro et al., 2009).

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Figura 3. Respuesta cuadrática (panel izquierda) de la respiración del suelo frente a la temperatura recientemente observada en ecosistemas áridos y semiáridos. En el panel de la derecha se muestra la respuesta exponencial previamente observada en ecosistemas húmedos.

A lo largo de esta década y gracias a numerosos estudios independientes se ha podido confirmar que este patrón, inicialmente observado en el sureste peninsular, ocurre en muchos otros ecosistemas áridos y semiáridos de diferentes partes del planeta. Es decir, que la respiración del suelo responde de manera positiva a la temperatura siempre y cuando el contenido de agua en el suelo no sea inferior a un umbral que cause que dicho ecosistema esté limitado por el agua, como ocurre en verano, cuando la escasez de agua hace que la respiración del suelo responda de manera negativa al incremento de temperatura. En este contexto, nos hemos planteamos dos objetivos:

1) Explorar si la respuesta cuadrática de la respiración del suelo frente a la temperatura es un patrón general e inherente a los ecosistemas áridos y semiáridos.

2) Identificar los umbrales de respuesta de la respiración del suelo a la temperatura y explorar su relación con las variables climáticas locales.

Para abordar estos objetivos realizamos una revisión bibliográfica y nos pusimos en contacto con investigadores e investigadoras de todas las partes del mundo (incluidos algun@s miembros de la Red Remedia) para que participaran en este estudio colaborativo compartiendo sus bases de datos, bien ya publicadas o en proceso de publicación, siempre y cuando cumplieran con una serie de requisitos para que los diferentes estudios fueran comparables y fuera posible identificar los umbrales de una manera consistente y precisa. Resumiendo, estos fueron algunos de los requisitos que establecimos para poder incorporar las múltiples series de datos independientes proporcionadas por cada investigador/a en nuestra base de datos global:

  • Medidas (diarias, semanales, o mensuales) de respiración del suelo realizadas en campo y con cámara cerrada, acompañadas de medidas de temperatura y humedad del suelo durante (al menos) 1 año completo realizadas en ecosistemas áridos y semiáridos, o que al menos presenten un periodo seco a lo largo del año, como los ecosistemas mediterráneos.
  • Proporcionar datos climáticos (valores promedios, máximos, y mínimos, de temperatura y humedad relativa del aire, y de distribución de precipitaciones), así como información del sitio de estudio (tipo de ecosistema, suelo y vegetación, manejo, textura, contenido en carbono orgánico del suelo, etc.)

Hasta la fecha hemos evaluado la respuesta de la respiración del suelo a la temperatura en un total 50 ecosistemas áridos, semiáridos, y mediterráneos,  tanto naturales como manejados, distribuidos globalmente y expuestos a diferentes condiciones de aridez, tal y como se puede observar en el mapa y en las imágenes (Figuras 3 y 4):

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Figura 4. Localización de los sitios de estudio. Mapa elaborado por Javier Martínez-López con datos de UNEP-WCMC (2007).

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Figura 5. Variedad de ecosistemas naturales y manejados incluidos en el estudio: desde bosques y matorrales naturales a reforestaciones, cultivos, pastizales y sistemas agroforestales, como dehesas.

Para clasificar los diferentes ecosistemas en función del tipo de respuesta de la respiración del suelo a la temperatura (que puede ser lineal, exponencial, cuadrática, o sencillamente no haber respuesta) e identificar el punto de inflexión (o umbral) en el que la respuesta de la respiración del suelo a la temperatura pasa de ser positiva a negativa utilizamos un software basado en análisis de regresión segmentados. Después de analizar cada uno de los ecosistemas de manera independiente seleccionamos aquellos en los que se observó una respuesta cuadrática de la respiración del suelo frente a la temperatura e identificamos el umbral para cada caso. En total, se observó una respuesta cuadrática de la respiración del suelo a la temperatura en 44 de los 50 casos de estudio. A continuación, relacionamos las tasas anuales de respiración con los stocks de carbono orgánico, así como los umbrales identificados en cada ecosistema con las variables climáticas locales consideradas en el estudio.

Observamos que en general los suelos de las masas boscosas y de matorral bien desarrollados, además de presentar mayores stocks de carbono en el suelo, respiran menos por unidad de carbono orgánico almacenado en el suelo que las plantaciones y las zonas agrícolas.

Cuando exploramos la relación entre las tasas anuales de respiración del suelo y las variables ambientales no observamos ninguna correlación con la temperatura media anual, pero sí con la precipitación media anual, que explicó un 48% de la variabilidad observada en la tasa anual de respiración del suelo entre los 50 sitios considerados en el estudio.

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Figura 6. Relación entre la tasa anual de respiración del suelo y la temperatura (panel izquierda) y la precipitación (panel derecha) media anual.

Cuando consideramos los 44 sitios que mostraron una respuesta cuadrática de la respiración del suelo a la temperatura y relacionamos los valores umbrales de temperatura del suelo para la respiración con la temperatura media anual, los resultados muestran valores umbrales de temperatura del suelo más altos en los ecosistemas más cálidos, sugiriendo una capacidad de adaptación importante de los suelos a las condiciones abióticas específicas del sitio.

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Figura 7. Relación entre el umbral de temperatura del suelo para la respiración del suelo y la temperatura media anual de cada sitio.

Aunque estos son tan solo algunos resultados preliminares y aún tenemos que analizar con mayor profundidad nuestra base de datos si podemos adelantar algunas conclusiones de nuestro estudio así como proponer algunas recomendaciones para una conservación y gestión eficaz de nuestros suelos en un clima cambiante:

  • Conservar aquellos suelos cuya tasa de respiración en relación con la cantidad de carbono almacenado en el suelo sea menor, como ocurre en muchos ecosistemas naturales maduros.
  • Adoptar prácticas de manejo sostenible en sistemas agrícolas, tales como mantener una cobertura vegetal o sembrar abono verde en las líneas entre árboles de cultivos leñosos, que contribuyan a secuestrar carbono en el suelo sin aumentar las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero (GEIs), y al mismo tiempo ayuden a estos sistemas a ser más resilientes frente a las fluctuaciones de temperatura y humedad previstas por el cambio climático.

Optimizar el manejo de las masas forestales, ajustando la densidad de arbolado, los aclareos, extendiendo el periodo de rotación y aumentando la diversidad específica y estructural favoreciendo la formación de masas mixtas, para mantener y/o aumentar los reservorios de carbono en el suelo sin aumentar las emisiones de GEIs.

Referencias

Almagro, M., López, J., Querejeta, J. I., & Martínez-Mena, M. (2009). Temperature dependence of soil CO2 efflux is strongly modulated by seasonal patterns of moisture availability in a Mediterranean ecosystem. Soil Biology and Biochemistry, 41(3), 594-605.

Bond-Lamberty, B., & Thomson, A. (2010). A global database of soil respiration data. Biogeosciences, 7(6), 1915-1926.

Huang, J., Yu, H., Guan, X., Wang, G., & Guo, R. (2016). Accelerated dryland expansion under climate change. Nature Climate Change, 6(2), 166.

Le Quéré, C., Andrew, R. M., Canadell, J. G., Sitch, S., Korsbakken, J. I., Peters, G. P., … & Keeling, R. F. (2016). Global carbon budget 2016. Earth System Science Data (Online), 8(2).

Trumbore, S. (2006). Carbon respired by terrestrial ecosystems–recent progress and challenges. Global Change Biology, 12(2), 141-153.

Autora: María Almagro (BC3)

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