Evaluación del Flujo de CO2 en suelo en Isla Barro Colorado
EVALUATION OF SOIL CO2 EFFLUX IN BARRO COLORADO ISLAND
Lourdes Sugasti B. 1
Reinhardt Pinzón2
Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Panamá,1
Centro de Investigaciones Hidráulicas e Hidrotécnicas, Universidad Tecnológica de Panamá.2
Resumen– Se espera que los flujos de CO2 del suelo de los bosques tropicales a la atmósfera aumenten debido al efecto del calentamiento global. Los estudios de las condiciones ambientales que contribuyen a este importante flujo de carbono son ahora un objetivo muy importante para todos los investigadores del cambio climático. El suelo es un medio muy complejo y puede variar espacialmente en todas las direcciones, es una tarea muy complicada. Con este estudio, buscamos respuestas sobre los factores ambientales que pueden contribuir al comportamiento del flujo de CO2 del suelo, utilizando un método de cámara cerrada para medir el CO2 del suelo en el bosque tropical de la isla de Barro Colorado.
Palabras claves– Flujo de CO2 en suelo, cámara cerrada, Isla Barro Colorado.
Abstract– Soil CO2 fluxes from tropical forests to the atmosphere are expected to increase due to the global warming effect. The studies of the environmental conditions that contribute to this important carbon flux are now a very important target for all climate change researchers. Soil is a very complex medium and can vary spatially in every direction, is a very complicated task. With this study we aim to search for answers about the environmental factors that can contribute to the behavior of soil CO2 efflux, using a closed chamber method to measure soil CO2 on the tropical forest of Barro Colorado Island
Keywords–Soil CO2, efflux, closed chamber, Barro Colorado Island.
1. Introducción
El CO2, es un gas de efecto invernadero, y su aumento en la atmósfera está relacionado a la actividad humana; representa el 60% del total de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. [1].
La mitigación de este gas es esencial para detener el cambio climático en las próximas décadas o siglos. [1]. Los países en desarrollo, son impulsados a contribuir con los esfuerzos de mitigación del cambio climático, a través de la conservación, gestión y expansión de los bosques. [2]
Desafortunadamente, la deforestación es la segunda fuente de emisión antropogénica de CO2 a la atmósfera, después de la combustión de combustibles fósiles. La primera, representa el 6-17 % de las emisiones globales antropogénicas de CO2 a la atmosfera [3,4].
Las reservas de carbono en los bosques tropicales, se encuentran en la biomasa aérea y subterránea. El mecanismo de entrada del CO2 a los bosques tropicales es a través de los procesos fotosintéticos de la biomasa sobre el suelo. Una vez el CO2 ingresa al bosque, empiezan los procesos metabólicos en las plantas del bosque tropical.
La liberación natural de CO2 a la atmósfera en los bosques tropicales, se da a través de los procesos de respiración en las en la biomasa aérea y subterránea. También ocurre respiración heterotrófica por los macro y micro invertebrados presentes en el suelo. Pero, cuando los bosques son talados, el carbono almacenado sobre y bajo el suelo en: hojas, ramas, tallos y raíces, es entonces liberado a través de la combustión, descomposición de materia vegetal y del carbono en el suelo, contribuyendo así a las emisiones de gases de efecto invernadero, esto ocurre especialmente en los trópicos [3,4].
Es importante analizar y hacer un balance de las entradas y salidas de CO2, captura neta de CO2, para determinar si un bosque actúa como sumidero o fuente de carbono. Como se explicaba antes, la ruta principal por la que se da el intercambio de CO2 de los ecosistemas a la atmosfera es a través de los procesos de respiración y esta puede influir en la productividad neta del ecosistema. [5,6]
Cabe señalar que a nivel global la masa total de carbono almacenado en los suelos es de 1576 Pg de los cuales el 32% se encuentra en los trópicos [7], el carbono en suelo se considera entonces de mayor importancia que el carbono almacenado en la biomasa aérea, ya que representa de dos a tres partes del carbono orgánico presente en la atmósfera. [8].
El carbono orgánico en suelo varía de forma temporal y espacial, los datos son escasos y poco representativos [9]. Esto se debe a que el suelo es un medio complicado que consiste de partículas órgano minerales y agregados que contienen microorganismos con diversidad de procesos fisiológicos, además de esto las propiedades del suelo varían de forma espacial y temporal en cualquier dirección [10].
El flujo de CO2 es el resultado de dos procesos: la respiración de la biomasa subterránea y de los macro y micro organismos que en el viven, la producción de CO2 y el transporte de gases a través del suelo [5,6]. Este flujo depende de factores ambientales como la temperatura del suelo, humedad del suelo y las propiedades del suelo [6,11].
El flujo de CO2 del suelo es transportado a la superficie tanto por difusión, convección, como por flujo másico en estado gaseoso y líquido. Se considera que la difusión es el más importante en fase gaseosa y es controlada por el gradiente de concentración de CO2. El flujo de masa es controlado por las fluctuaciones de presión en la superficie del suelo [11,12].
En esta investigación nos concentraremos en la biomasa subterránea, los proceso de respiración autotróficos y heterotróficos en conjunto aportan la producción de CO2 en suelo. La contribución de CO2 del suelo en un bosque tropical a la atmosfera se cuantifica a través del flujo de CO2 en suelo, en nuestra investigación las mediciones se lograron realizar en la superficie del suelo.
2. Metodología
El proyecto de investigación se desarrolla en una parcela de 1 ha dentro del área de investigación AVA, (ver Figura 1), en Isla Barro Colorado. Esta isla tiene una extensión de 1500 ha y se eleva a unos 137 m sobre el lago Gatún [13,14]. Se localiza a 9°9 N y 79°51 W.
Figura 1.Mapa topográfico de Isla Barro Colorado. La isla se encuentra en el lago Gatún, en el mapa se observan los senderos y sitios de investigación que hay en la isla. Se muestra la ubicación del sitio de investigación AVA, una parcela de 6 ha que es utilizada para proyectos de investigación de cuantificación de carbono por el Instituto de Investigaciones Tropicales Smithsonian [13].
Los suelos que cubren la isla generalmente tienen una profundidad menor de 50 cm y son ricos en arcilla, los suelos de profundidad mayor a 1 m se encuentran en las cimas planas [14]. Hay dos formaciones de rocas sedimentarias fosilíferas la formación Bohío y la formación Caimito [14].
El clima de la isla es típico de un bosque tropical de tierras bajas, la temperatura promedio es de 27°C, la temporada lluviosa se extiende de mayo a diciembre y durante la temporada seca de mediados de diciembre a abril los vientos alisios prevén tormentas convectivas de esta manera dictando los ritmos estacionales. La precipitación media anual es de 2642 (± 566) mm [14,16].
2.1 Flujo de CO2 en suelo
En abril de 2016, se realizó una campaña de instalación del sistema automatizado de flujo de gas (LI-8100A, LI-COR Biosciences), que mide continuamente flujos de CO2 en suelos a largo plazo. Este sistema instalado, consiste en cámaras cerradas dinámicas automatizadas, un multiplexor y un analizador de gas por infrarrojos de paso cerrado.
Previamente cuatro collares de PVC fueron colocados en los sitios escogidos para las mediciones, enterrados a poca profundidad. Las cámaras se instalan sobre estos collares que tienen un diámetro exterior de 20 cm y están ubicados en los vértices de un cuadrado de 20 × 20 m, centrados radial a una torre micro climática, en donde hay disponibilidad de red eléctrica; las mediciones de flujo de CO2 se toman cada segundo durante 2 minutos después de que la cámara cierra. Se realiza una prepurga de 30 segundos y postpurga de 45 segundos para asegurar que el sistema se limpie entre cada medición [12,16].
Durante una medición, solo una pequeña porción del aire de la cámara se bombea al analizador de gas por infrarojo para determinar la concentración de CO2 [12]. El software del sistema calcula los resultados del flujo de CO2 según la tasa de cambio en la concentración del gas con el tiempo dentro de la cámara y otros parámetros, realiza un ajuste por regresión utiliza según el caso una ecuación exponencial o lineal en base a R2 [12].
Para este estudio se consideran todo los datos registrados a excepción de los datos obtenidos por la cámara 4 ya que sufrió un golpe brusco por caída de una rama.
2.2 Temperatura y humedad del suelo
Los datos de temperatura y humedad del suelo fueron compartidos por un grupo de investigadores del STRI que registraron mediciones en el sitio de estudio AVA cerca de la torre microclimática los datos disponibles comprenden entre enero 2016 a noviembre 2017. A continuación se detalla el procedimiento empleado por este equipo del STRI.
En Enero de 2016, dos termistores de suelo (Modelo 107, Campbell Scientific) de 10.4 cm de longitud fueron instalados permanentemente y los datos registrados con un (CR1000, Campbell Scientific) para intervalos de 5 minutos [16].
La humedad del suelo fue monitoreada por tres reflectómetros en el dominio del tiempo (TDR, Campbell Scientific, CS616) insertados verticalmente en el suelo en proximidad del sistema de cámaras automatizadas [16].
Se recogieron muestras de suelo entre 0 y 15 cm para diversas condiciones de humedad del suelo con el propósito de calibrar los TDR con las mediciones gravimétricas. La densidad aparente del suelo fue de 0,75 g/cm3, esto se hizo recolectando suelo a través de un cilindro metálico de 10,6 cm de diámetro y 15 cm de altura. Este valor se usó para transformar mediciones gravimétricas de masa a contenido volumétrica de agua en suelo [16].
2.3 Precipitación
La precipitación es registrada por el STRI en el área conocida como El Claro, en Isla Barro Colorado. El área de medición está rodeada por arboles de más de 20 metros de altura.
La precipitación se registra a través de un pluviómetro con sistema de balancín (Modelo TB3 tipping bucket, Hydrological Services), tomando datos cada 5 minutos.
3. Resultados
3.1 Flujo de CO2 en suelo
Los resultados presentados en la Figura 2 comprenden el periodo abril 2016 hasta el 25 de enero de 2018. Entre los meses de mayo a agosto 2016 no hubo registros para ninguna de las cámaras. Luego se volvió a medir en septiembre 2016. De octubre a noviembre 2016 solo la cámara 1 registro datos.
De enero a mayo 2017 las cámaras 1, 2 y 3 registraron datos y de agosto 2017 al 25 de enero de 2018 las cámaras 1, 2 y 3 registraron datos para flujos de CO2 en suelo.
Para el periodo de medición se registro un flujo máximo de 8.40 µmol/m²s, un mínimo de 1.11 µmol/m²s y una media de 4.36 µmol/m²s. La desviación estándar fue de 1.62 y el coeficiente de variación de 37.1 %.
Figura 2. Flujo de CO2 en suelo abril 2016 a enero 2018. Se presentan los resultados para el periodo de estudio, para las cámaras 1,2 y 3 ubicadas en el sitio AVA. Las unidades de flujo están en µmol/m²s.
Como se observa en la Figura 2 los datos de la cámara 1 presentan registros menores que los medidos por las cámaras 2 y 3 presentando una desviación estándar de 1.62 si se comparan los datos de la cámara 1 con los datos de las cámaras 2 y 3. Entre las cámaras 2 y 3 los datos registrados presentan menos variabilidad para el periodo de estudio con una desviación estándar de 1.42.
Esta variabilidad espacial se debe a la composición y estructura del suelo del bosque y a la distribución de las raíces de los arboles cercanos a las cámaras de medición.
3.2 Temperatura del suelo
Las mediciones para la temperatura del suelo iniciaron el 21 de enero de 2016 hasta el 18 de noviembre de 2017 como se puede apreciar en la Figura 3. La temperatura máxima registrada para el periodo 27.50 °C y la mínima de 22.95 °C, la media para el periodo de registro fue de 25.40 °C, una desviación estándar de 0.69 y un coeficiente de variación de 2.70 %.
Figura 3.Temperatura del Suelo para el periodo 2016-2017.
Los datos inician en abril 2016 hasta noviembre de 2017. La temperatura se registra en ° Celsius.La temperatura del suelo disminuye durante los meses de temporada lluviosa e incrementa durante los meses de temporada seca, como se puede observar en la Figura 3, para esta gráfica solo se utilizó los registros del termistor 1.
3.3 Humedad del suelo
Los análisis de humedad del suelo se realizaron solamente con uno de los TDR, el 3, a profundidad de 100 cm en el suelo y con el ajuste por medio de la ecuación polinomial, se obtuvieron los resultados presentados en la Figura 4.
La humedad del suelo se mide en contenido volumétrico de agua en suelo. El máximo registro de humedad de suelo fue de 0.73 cm³/cm³, el mínimo de 0.25 cm³/cm³ y una media para el periodo de 0.41 cm³/cm³. La desviación estándar fue de 0.09 y el coeficiente de variación fue de 21.30 %.
En la Figura 4 se observa que la humedad del suelo aumenta durante la temporada lluviosa entre los meses de abril a finales de diciembre y disminuye durante la temporada seca entre los meses de enero y finales de abril.
Presenta un comportamiento similar durante los años 2016 y 2017, en las temporadas secas y lluviosas. La humedad fue mayor para el año 2016.
Figura 4. Humedad del suelo periodo 2016-2017. Se muestra el contenido volumétrico de agua en suelo de enero 2016 a noviembre de 2017. Las unidades se muestran en cm³/cm³.
3.4 Precipitación
La precipitación se analizó para el periodo enero 2016 al 2 de enero de 2018. La precipitación acumulada diaria máxima fue de 146.3 mm y la mínima de 0.3 mm, una media de 11.4 mm para el periodo. La desviación estándar fue de 18.1 El análisis global incluyendo temporada seca y lluviosa, no consideramos que puedan explicar las variaciones de flujo de CO2 para el periodo 2016-2017 estudiados.
Figura 5. Precipitación para el periodo enero 2016 al 2 de enero de 2018. En el gráfico se observan los patrones entre las temporadas lluviosas y secas. La gráfica muestra el acumulado diario en mm de lluvia.
Como se puede apreciar en la Figura 5, los meses de las temporadas lluviosas de abril a diciembre, se presentan los picos máximos, el año 2016 fue un año con mayor acumulado diario para precipitación en contraste con el año 2017. Cabe mencionar que para principios de enero 2018 se registraron lluvias con mayor frecuencia en comparación con el año 2017.
4. Discusión y conclusiones
Al evaluar y analizar el comportamiento del flujo de CO2 en suelo para el periodo 2016-2017, incluyendo periodo seco y lluvioso en conjunto con las variables ambientales a través de R2, cuyos resultados se muestran en la Tabla 1, encontramos correlaciones positivas para las variables ambientales y el flujo de CO2, para el periodo completo 2016-2017, siendo la humedad la de mayor correlación con los cambios en los flujos de CO2, sin embargo los valores de R2 no son mayores de 0.5.
El transporte del flujo de CO2 en suelo depende también de características físicas del suelo como lo son: la porosidad, estructura del suelo, macro poros, etc. Estos dependen también de las condiciones ambientales, es un vínculo estrecho y complejo entre los factores bióticos y abióticos del suelo y las fluctuaciones de flujo de CO2 en suelo.
Haciendo una comparación, se separaron la temporada seca de la temporada lluviosa y se analizaron para el periodo 2017, ya que los registros están completos. Obtuvimos los resultados que se muestran también en la Tabla I. Las correlaciones resultaron positivas para las dos temporadas 2017, siendo la temperatura durante la temporada seca el factor ambiental que muestra mayor relación con los cambios en los flujos de CO2 y la humedad del suelo el factor ambiental de mayor relación durante la temporada lluviosa 2017.
Mediante un análisis estadístico de prueba T de Student, Tabla II, para analizar si existía algún cambio en el patrón de flujo de CO2, para el promedio registrado por las 3 cámaras durante el año 2017, pudimos concluir que no se puede rechazar la hipótesis nula, no se puede negar o afirma que exista un cambio en el patrón de flujo de CO2 entre las temporadas seca y lluviosas para el periodo de estudio del año 2017.
Tabla 1.Coeficiente R² para flujo de co₂, temperatura del suelo humedad del suelo y precipitación.
Al estudiar el promedio de las cámaras no se encuentra una diferencia en el patrón de flujo de CO2, al observar la Figura 2, se puede visualizar un patrón de disminución por cámara a medida que avanza la temporada lluviosa. Pero en conjunto al promediar los resultados de las cámaras este patrón no se reflejó en la prueba estadística.
Tabla 2. Prueba T de student para muestras independientes, dos colas, varianzas desiguales
Las tasas de pérdida de C están controladas por la progresión estacional del suelo en cuanto a temperatura y humedad del suelo, y puede disminuir en algunos suelos pero no en otros con los futuros aumentos en el CO2 atmosférico [17].
La temperatura y la precipitación, para el periodo de estudio 2016-2017 realizado en Barro Colorado, parecen no influir de manera directa con la pérdida de C a través del flujo de CO2 en suelo, pero al analizar solamente el año 2017, encontramos otros resultados. Es necesario un estudio a largo plazo para poder analizar de mejor manera la variabilidad estacional y espacial del flujo de CO2 en suelo.
Los resultados obtenidos hasta el momento no son concluyentes en cuanto a los patrones de aumento o disminución del flujo de CO2 en suelo durante las temporadas secas y lluviosas. Se necesitan analizar otras variables físicas del suelo y el rol de estas en la dinámica del flujo de CO2 en suelo, analizar eventos puntuales de cambio en el patrón de lluvias y temperatura.
Los resultados en un estudio realizado [18] muestran que la respiración del suelo en los bosques maduros y bosques secundarios maduros es mayor que para los bosques secundarios jóvenes [18].
Una de las estrategias de mitigación del cambio climático es la expansión y conservación de los bosques, de esta manera se logrará reducir el CO2 antropogenico en la atmosfera al existir mayor cantidad de materia vegetal para capturarlo y fijarlo en los ecosistemas de bosques especialmente en los trópicos.
El análisis de las dinámicas de los flujos de CO2 son importantes y vincular los factores ambientales que influyen es fundamental. En nuestro estudio las variaciones en la temperatura del suelo muestran relación positiva con las variaciones en el flujo de CO2 en suelo para el periodo seco 2017 en BCI.
En una investigación realizada en laboratorio, la temperatura óptima que se ha observado para la descomposición microbiana en la capa superior del suelo es 30°C, cuando la temperatura es mayor a esta se reduce la respiración microbiana [19], por lo que la temperatura juega un rol importante en la dinámica de la respiración del suelo.
Se podría explicar entonces que al aumentar la temperatura del suelo disminuiría la producción de CO2 en el suelo y por lo tanto disminuiría la concentración de CO2 y así el flujo de CO2 a la superficie del suelo disminuiría. No siempre un aumento en la temperatura está relacionado con una disminución de flujo de CO2 en el suelo. Los estudios para bosques tropicales son ambiguos en sus conclusiones.
Estudios señalan que un clima más cálido afectará tanto a la producción primaria bruta como a la respiración del ecosistema de los bosques tropicales, lo que resultará en un comportamiento en donde se reducirán los sumideros de carbono. Estudios de aclimatación fisiológica de la fotosíntesis, el suelo y la respiración foliar son fundamentales para determinar la probabilidad de mitigar este potencial y de estudiar la liberación de carbono a la atmósfera con el continuo factor del calentamiento global [20,21].
Cada bosque en particular depende de un delicado balance de un sin número de condiciones bióticas y abióticas que afectan a la biomasa subterránea, los microorganismos, las características físicas del suelo y que estos en conjunto influyen en el aumento y disminución de la concentración de CO2 en el suelo y por lo tanto influyen en la variación de los flujos de CO2 en la superficie del suelo.
Los incrementos de la humedad del suelo no siempre conllevan a un aumento de producción y de concentración de CO2 en suelo [22]. Como hemos podido observar en la prueba R2 para la humedad y flujo de CO2 en suelo, la variación del flujo de CO2 en suelo tiene mayor correlación positiva durante la temporada lluviosa 2017 y durante el periodo 2016-2017. Desde el punto de vista del periodo de estudio 2016-2017, se puede concluir que la humedad juega un papel de mayor importancia en las variaciones del flujo de CO2.
Al analizar los datos durante los meses más avanzados de la temporada lluviosa disminuye el flujo de CO2 considerablemente, sin embargo durante las primeras lluvias de transición de la temporada seca a lluviosa, aumentan los flujos de CO2 en suelo.
La disminución de la precipitación aumenta el flujo de CO2 en suelo, Una de las razones por las que la disminución de la precipitación podría influir en el flujo de CO2 en suelo está relacionada con la respuesta del flujo de CO2 a la humedad [23].
Otro estudio también sugiere que un aumento en la temperatura y en la precipitación aumentaran los flujos de CO2 del suelo en el futuro [24].
5.Conclusiones
Para el periodo de estudio 2016 - 2 de enero de 2018, en donde se estudió el flujo de CO2 a través de cuatro cámaras cerradas de medición de flujo de CO2, los patrones de flujo durante temporada seca y lluviosa 2017 no se pudieron distinguir o concluir con un patrón de aumento o disminución debido a factores ambientales.
La precipitación, la humedad del suelo y la temperatura del suelo, mostraron correlaciones positivas con las variaciones estacionales del flujo de CO2. Siendo la temperatura para la temporada seca 2017 el factor con mayor correlación y la humedad del suelo durante la temporada lluviosa el factor con mayor correlación a las variaciones del flujo de CO2 suelo. Durante el periodo 2016-2017, se puede concluir que la humedad juega un papel de mayor importancia en las variaciones del flujo de CO2.
La media de flujo de CO2 para el periodo fue de 4.36 µmol/m²s. Los flujos cuantificados fueron sorprendentemente bajos a lo que se esperaba para este tipo de bosque tropical.
6. Agradecimientos
Agradecemos al personal del CIHH de la Universidad Tecnológica de Panamá por la ayuda brindada, al Dr. M. Detto por los datos compartidos y a la Secretaria Nacional de Ciencias y Tecnología por el apoyo económico al proyecto INF10-025.
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