Datos experimentales del fraccionamiento físico del carbono orgánico en suelos mexicanos

Existen pocos trabajos de fraccionamiento físico de los suelos con ultrasonido. Consideraremos tres ejemplos realizados por miembros de presente grupo de investigación, en los que los niveles de energía de ultrasonido que se aplicaron fueron calibrados calorimétricamente según ^{Roscoe, Buurman y Velthorst (2000)} y ^{Oorts et al. (2005)}: (a) Suelos de cultivos agrícolas y sitios pareados de bosques-cultivos, donde se utilizó la técnica de ^{Balesdent et al. (1991)} y el ultrasonido se aplicó a la fracción <250µm (^{Matus et al., 2011}). Estos autores seleccionaron el nivel de energía 910 J ml^-1, aunque en trabajos posteriores consideran la energía de 1365 J ml^-1 como la requerida para dispersión completa del suelo (^{Hidalgo et al., 2012}; ^{Paz et al., 2012}). La concentración de C en cada fracción de tamaño se determinó con un analizador automatizado para carbono total (marca Shimatzu, modelo 5050A). ^{Matus et al. (2011)} se describe la técnica utilizada, así como los sitios donde se aplicó. (b) En un trabajo complementario empleando la misma técnica, ^{Báez et al. (2011)} analizaron cultivos agrícolas con labranza convencional y manejo orgánico. La energía de dispersión optima usada fue también de 1365 J ml^‑1. ^{Báez et al. (2011)} describe la técnica utilizada, así como los sitios donde se aplicó. (c) Suelos con cultivos agrícolas y toposecuencia de degradación forestal. La descripción de los sitios y métodos que se usaron en este grupo de experimentos se describe en ^{Covaleda, Pajares, Gallardo y Etchevers (2006)}) y ^{Covaleda et al. (2011)}. El COS se determinó por combustión seca en un analizador LECO. La aplicación de ultrasonido se realizó para la fracción < 50 μm. Para determinar la cantidad mínima de energía necesaria para dispersar completamente las muestras, se hicieron pruebas con tres tipos de suelos, aplicando cantidades crecientes de energía a las muestras. Tras este proceso se decidió aplicar 244 J ml^-1 a las muestras de Andosoles y Cambisoles y 354 J ml^-1 a las muestras de Acrisoles.

En el Cuadro 1 se presentan las características de los sitios y suelos que se consideraron de los trabajos analizados de ^{Matus et al. (2011)} y ^{Báez et al. (2011)}.

En el Cuadro 2 se muestras los usos del suelo/vegetación y tipos de suelo del trabajo de ^{Covaleda et al. (2011)}.

Adicionalmente a los trabajos previamente reseñados, se analizaron los datos de tres publicaciones en los que se empleó dispersión completa del suelo sensu^{Matus (2021)}: (a) Cronosecuencia de bosque a maíz cultivado (7 y 35 años), profundidad de 0 a 30 cm, de ^{Balesdent et al. (1998)}, que empleó dos niveles de sonicación, uno ligero para las fracciones > 50 μm y otro para dispersión completa de las fracciones ≤ 50 μm. (b) Sitios pareados de praderas y cultivos (> 5 años) para distintos tipos de suelo (Gleysoles) a la profundidad de 2 a 8 cm en Quebec, Canadá (^{Elustondo, Angers, Laverdier y N’Dayegamiye, 1990}), en los que el fraccionamiento utilizado fue el ^{Christensen (1985)}. (c) Secuencia de degradación (> 10 años) de bosque (tipo sabana, vegetación “Cerrado”) en Goias, Brasil (^{Freitas, Blancaneaux, Gavinelli, Larré y Feller, 2000}), profundidad de 0 a 10 cm (Latosoles), donde la técnica de ^{Gavinelli et al. (1995)} fue utilizada para el fraccionamiento.

En los análisis de la sección siguiente se utilizaron los datos muestrales individuales y no valores promedio, ya que esta operación transforma líneas rectas en puntos, en el contexto del modelo COLPOS (^{Paz et al., 2014} y ²⁰¹⁶) utilizadas como referencia.

Modelo COLPOS y balances de masa

El modelo COLPOS fracciona los complejos organominerales y particulados primarios en tres grupos: carbono orgánico particulado (C_p), carbono organomineral (C_m) y carbono orgánico inerte (COI). Para la división entre solo carbono organomineral y la mezcla particulada y organomineral se utiliza el tamaño de partículas de 50 μm.

El fraccionamiento físico del suelo en compartimentos, se basa en la hipótesis que la accesibilidad al C por la biomasa microbiana es el factor que controla la cinética de las reacciones y no la recalcitrancia del material (^{Dungait, Hopkins, Gregory y Whitmore, 2012}). Las fracciones C_p y C_m tienen cinéticas diferentes (^{Carter, Angers, Gregorich y Bolinder, 2003}; ^{Skjemstad, Spouncer, Cowie y Swift, 2004}; ^{Lavallee, Soong y Cotrufo, 2019}), por lo que pueden diferenciarse entre sí. Adicionalmente, al igual que algunos modelos de cinéticas lineales de primer orden con tres compartimentos o almacenes, donde uno de ellos es de tipo inerte (^{Verberne, Hassink, de Willigen, Groot y Van Veen, 1990}; ^{Hansen, Jensen, Nielsen y Svendsen, 1991}), el modelo COLPOS usa el almacén COI, el cual tiene tiempos de residencia de cientos a miles de años. Este almacén ha sido utilizado por modelos más complejos como el RothC (^{Coleman y Jenkinson, 1996}) para obtener mejores ajustes a los datos experimentales (^{Jenkinson, 1990}).

La Figura 1a muestra el modelo (tri-lineal) del carbono orgánico total (C_t) en función de 1/T_f, donde T_f es el tamaño de las partículas para la fracción f y, la Figura 1b el carbono organomineral (C_m) contra 1/T_f (bi-lineal). En términos cuantitativos, el modelo COLPOS está def inido por (caso de C_t):

Fracción 0 ≤ 1/T_f ≤ 1/50:

Fracción 1/50 ≤ 1/T_f ≤ 1/T_COI:

Fracción ≤ 1/T_COI:

donde: r y q son las pendientes de las líneas rectas def inidas en la Figura 1, las cuales pueden ser estimadas a partir de C₅₀ y C_t o C_m. En todos los casos 1/T_f tiene descontado el valor 1/2000, que representa el valor máximo del tamaño de las partículas de 2000 μm. C_p (= C_t - C_m) es el carbono orgánico particulado y C₅₀ representa el carbono orgánico de la fracción arcilla más limo (50 μm).

Figura 1: Modelo COLPOS en el espacio: (a) 1/T_f - C_t y (b) 1/T_f - C_m.  

Figure 1: COLPOS model in space: (a) 1/T_f - C_t and (b) 1/T_f - C_m. 

El valor del COI puede determinarse del cuadro de valores de este almacén para los diferentes usos del suelo y vegetación de México mostrado en ^{Paz y Etchevers (2016)}. Def inido el valor del COI, 1/T_COI puede estimarse de (^{Paz et al., 2016}):

Usando el COS con referencia a la masa total de suelo (g C /kg suelo), para dos almacenes a y b cualesquiera, los balances de masa están dados por:

Dado que M_t = 1 (un kilo de suelo, como referencia), con M_a y M_b como fracciones, la relación (5) es equivalente a:

En el caso de considerar al almacén COI, las relaciones permanecen intactas al cambiar C_t por (C_t - COI).

^{Paz et al. (2014)} consideraron la relación (7) usando el formato:

que se simplif ica al usar C _a = C_t - C_b y C _b = C_t - C _a a:

Usando la hipótesis:

La relación (9) puede plantearse como:

La cual es equivalente a los modelos lineales por grupos de fracciones del modelo COLPOS (^{Paz et al., 2014}).

En forma similar al uso de T_f, es posible usar las masas de las fracciones (M_f, en %) y la hipótesis:

Que al igual que 1/T_f, los valores de 1/M_f debe descontarse el valor 1/100, correspondiente a la fracción máxima de la masa (100 %). La relación (12) implica que solo hay que cambiar 1/T_f por 1/M_f en el modelo de la Figura 1 y que hay una relación lineal entre 1/T_f y 1/M_f.

Para considerar en forma explícita las masas de las fracciones físicas del suelo, es necesario utilizar el concepto de enriquecimiento de las fracciones (E_f) (^{Christensen, 1992}):

donde: C_ff es la concentración de la fracción f con relación a la masa de la fracción (g C / kg fracción). El balance de masas queda entonces como:

que, en función de E_f, puede ponerse como:

que es simplemente la relación (7) dividida entre C_t.

Fraccionamientos de ^{Matus et al. (2011)}, ^{Báez et al. (2011)} y ^{Covaleda et al. (2011)}

Haciendo uso de los datos de ^{Covaleda et al. (2011)} se determinaron los niveles de energía (tiempos de sonicación) óptimos para la dispersión total del suelo. La Figura 2 muestra el efecto de la energía en el modelo COLPOS, Figura 1b, para el caso organomineral C_m. Cuando se aplican bajos niveles de energía de ultrasonido (tiempos cortos de sonicación), el modelo tiene un comportamiento tipo logarítmico (^{Paz et al., 2016}), y al incrementarse la energía de sonicación cambia a un modelo lineal, variando su pendiente al incrementarse la energía. Así, los parámetros del modelo COLPOS son dependientes del nivel de dispersión de los suelos.

Figura 2 Efecto de la energía de ultrasonido (tiempos de sonicación) aplicada en la dispersión de los suelos en el C_m.  

Figure 2: Effect of applied ultrasound energy (sonication times) on soil dispersion in C_m. 

En el modelo COLPOS, la relación C₅₀/C_t es utilizada para parametrizarlo (^{Paz et al., 2014} y ²⁰¹⁶) plantea una relación universal aplicable a todos los suelos, similar a lo discutido por ^{Matus (2021)}). En el contexto de la saturación de los almacenes del COS, la fracción C₅₀ contra C_t (como subrogado del ingreso de carbono orgánico al suelo) se utiliza para revisar su saturación (relación lineal que tiende a una línea recta horizontal) (^{Hassink, 1997}; ^{Carter et al., 2003}); aunque también se ha analizado solo la fracción arcilla, la cual puede estar saturada y la fracción limo no (^{Matus et al., 2016}). En la Figura 2 se muestra que C₅₀/C_t es dependiente del tiempo de sonicación (energía de ultrasonido), por lo que para analizar su patrón es necesario revisar si los suelos han sido dispersados totalmente (^{Matus, 2021}).

Del análisis de los muestreos (N = 59 suelos, n = 236 muestras de fracciones) de trabajos realizados en México, con el uso del modelo COLPOS (Figura 2b2) para solo el carbono organomineral C_m, se obtienen los resultados que muestra la Figura 3, correspondientes al modelo ajustado (R² > 0.99).

Figura 3: Resultados del ajuste del modelo 1/T_f contra C_m (Figura 2b) a las fracciones individuales obtenidas de los suelos mexicanos.  

Figure 3: Results of the adjustment of the 1/T_f versus C_m model (Figure 2b) to the individual fractions obtained from Mexican soils. 

Ahora bien, si se cambia 1/T_f por 1/M_f en el modelo COLPOS, se obtiene como resultados de este ajuste, lo que se muestra en la Figura 4 CON buenos ajustes (R² > 0.99). Como resultado de estos ajustes, se tiene la relación lineal (1/M_f) = a + b(1/T_f). La Figura 5 muestra los resultados obtenidos de estimar (1/M_f) de (1/T_f), donde los ajustes resultaron buenos (R² > 0.99).

Figura 4: Resultados del ajuste del modelo 1/M_f contra C_m a las muestras individuales del fraccionamiento de los suelos mexicanos.  

Figure 4: Results of the adjustment of the model 1/M_f versus C_m to the individual samples of the fractionation of Mexican soils. 

Figura 5: Resultados del ajuste del modelo lineal 1/T_f contra 1/M_f a las muestras individuales del fraccionamiento de los suelos mexicanos.  

Figure 5: Results of the adjustment of the linear model 1/T_f versus 1/M_f to the individual samples of the fractionation of Mexican soils. 

Si se usa la base de datos de ^{Covaleda et al. (2011)}, la Figura 6 muestra el resultado de ajustar el modelo COLPOS usando 1/T_f y 1/M_f, para usos del suelo con diferentes perturbaciones (degradación de los bosques o cambios de uso del suelo). En el caso de usar (1/T_f) el efecto de la masa de las fracciones no es visible, pudiendo compararse casos de suelos con texturas muy diferentes. Al usar 1/M_f, la masa de las fracciones (p. ej. masa de arcilla más limo y arcilla) def ine patrones diferentes, tal como se observa en la Figura 6, los cuales def inen los paramétros r y q (Figura 1a).

Figura 6: Ajuste del modelo COLPOS ver contra 1/T_f y 1/M_f para una secuencia de perturbación. Fuente: ^{Covaleda et al. (2011)}.  

Figure 6: Adjustment of the COLPOS model versus 1/T_f and 1/M_f for a disturbance sequence. Source: ^{Covaleda et al. (2011)}. 

Otros fraccionamientos

Para el caso de la cronosecuencia de bosque a cultivo de maíz de ^{Balesdent et al. (1998)}), la Figura 7 muestra los patrones del ajuste del modelo COLPOS para C_t y C_m usando 1/T_f.(Figura 1). En lo general, al ser perturbado el suelo las pendientes r y q (Figura 1) reflejan esta degradación del COS (perdida de C_t y C_m).

Figura 7: Ajuste del modelo COLPOS para C_t (arriba) y C_m (abajo) usando 1/T_f para la cronosecuencia de ^{Balesdent et al. (1998)}.  

Figure 7: Adjustment of the COLPOS model for C_t (top) and C_m (bottom) using 1/T_f for the chronosequence Balesdent et al. 

El modelo COLPOS usando 1/M_f fue ajustado a la cronosecuencia analizada. La Figura 8 muestra los resultados obtenidos para C_m, que muestra pendientes similares al caso de 1/T_f (diferentes unidades, 1/T_f en miles y 1/M_f en cientos).

De las Figuras 7 y 8, cuando los suelos analizados tienen la misma textura o ésta es muy similar, el modelo usando 1/T_f asemeja al def inido en función de 1/M_f.

Figura 8: Ajuste del modelo COLPOS para C_m usando 1/M_f para la cronosecuencia de ^{Balesdent et al. (1998)}.  

Figure 8: Adjustment of the COLPOS model for C_m using 1/M_f for the chronosequence ^{Balesdent et al. (1998)}. 

El uso del enriquecimiento (E) para C_m en función de 1/T_f esta mostrado en la Figura 9, donde las pendientes tienen un patrón inverso al mostrado al usar C_m (Figura 7). Este formato de representación del modelo COLPOS resulta más fácil de interpretar ya que usa fracciones relativas (C_f/C_t) que convergen a un punto común (1.0).

Figura 9: Modelo COLPOS en formato de enriquecimientos para C_m, para la cronosecuencia de ^{Balesdent et al. (1998)}.  

Figure 9: COLPOS model in enrichment format for C_m, for the chronosequence of ^{Balesdent et al. (1998)}. 

Los sitios pareados praderas naturales contra cultivos de ^{Elustondo et al. (1990)} muestran patrones de C_m contra 1/T_f del modelo COLPOS (Figura 1b), pero para el caso de usar 1/M_f, estos patrones dif ieren de los analizados (Figura 10). Algo similar se presenta para el caso de la secuencia de perturbación de bosque tipo sabana a pasto degradado de largo plazo (^{Freitas et al., 2000}), tal como se muestra en la Figura 11.

Figura 10: Patrones del modelo COLPOS para C_m contra 1/T_f y 1/M_f para sitios pareados de praderas naturales y cultivos. Fuente: ^{Elustondo et al. (1990)}.  

Figure 10: COLPOS model patterns for C_m versus 1/T_f and 1/M_f for paired natural grassland and crop sites. Source: ^{Elustondo et al. (1990)}. 

Figura 11: Patrones del modelo COLPOS para C_m contra 1/T_f y 1/M_f para secuencia de perturbación de bosque tipo sabana a pastos degradados. Fuente: ^{Freitas et al. (2000)}.  

Figure 11: COLPOS model patterns for C_m versus 1/T_f and 1/M_f for disturbance sequence from savanna-type forest to degraded pasture. Source: ^{Freitas et al. (2000)}. 

Los patrones observados en las Figuras 10 y ¹¹ son difíciles de interpretar ya que pueden ser simplemente errores experimentales o planteamientos que el modelo COLPOS no es generalizable al caso de 1/M_f.

Patrones entre razones de fracciones físicas del carbono orgánico de los suelos

Para el caso de los suelos mexicanos analizados, las relaciones C₅₀/C_t y C_t/C₅₀ están mostradas en la Figura 12. Las relaciones previas mostradas en ^{Paz et al. (2014} y ²⁰¹⁶) dif ieren de las mostradas en la Figura 12 dado que no se consideraron suelos endurecidos (tepetates) y se agregó el valor de la muestra con C_t máximo, no considerado previamente. Los patrones mostrados en la Figura 12 muestran dispersión, la cual es producto de considerar dos patrones lineales (Figura 1a), donde C_t corresponde a la mezcla carbono orgánico particulado más organomineral y C₅₀ a solo organomineral, por lo que el valor del almacén de carbono orgánico particulado (C_p) influye en la relación. El almacén C_p varía en función del grado de perturbación del suelo (Figura 7), para una misma textura del suelo.

Figura 12: Relaciones C_t - C₅₀ y C₅₀ - C_t para los suelos mexicanos analizados.  

Figure 12: C_t - C₅₀ and C₅₀ - C_t relationships for the Mexican soils analyzed. 

Con el uso de la consideración de establecer relaciones de razones de las fracciones físicas del COS para cinéticas similares, se analizaron éstas solo para el caso de carbono organomineral (C_m, Figura 1b). En el caso de los datos de ^{Matus et al. (2011)} y ^{Báez et al. (2011)}, la fracción entre 50 y 2000 μm (solo organomineral) utilizada fue de 250 μm y para ^{Covaleda et al. (2011)} fue 200 μm. La Figura 13 muestra las relaciones C_m250 - C₅₀ y C_m200 - C₅₀, además de C_m - C₅₀, donde C_m es el total, para los suelos mexicanos analizados. Se observa, en lo general, que la dispersión de las relaciones es menor que en el caso de la Figura 12.

Figura 13: Relaciones entre C_m - C₅₀, C_m250 - C₅₀ y C_m200 - C₅₀ para los suelos mexicanos analizados.  

Figure 13: Relationships between C_m - C₅₀, C_m250 - C₅₀ and C_m200 - C₅₀ for the Mexican soils analyzed. 

Para tener una perspectiva de las relaciones entre C₅₀ y el C_f de fracciones menores de 50 μm, se analizaron los datos de ^{Six, Conant, Paul y Paustian (2002)}) discutidos por ^{Paz et al. (2016)} para la fracción de C en la fracción 20 μm (C₂₀). La Figura 14 muestra la relación entre C₂₀ y C₅₀ obtenida del análisis, donde la dispersión de la relación mostrada es pequeña, similar a los casos mostrados en la Figura 13.

Figura 14: Relación entre C₂₀ y C₅₀ para los datos analizados en ^{Six et al. (2002)} y revisados en ^{Paz et al. (2016)}.  

Figure 14: Relationship between C₂₀ and C₅₀ for data analyzed in ^{Six et al. (2002)} and reviewed in ^{Paz et al. (2016)}. 

Tal como se muestra en ^{Paz et al. (2014)}, las relaciones entre C₅₀ y la fracción de C de las arcillas muestra alta dispersión, por lo que las relaciones de la fracción arcilla más limo con las fracciones alrededor de 2 μm de las arcillas se espera sea con mayor dispersión al del uso de las fracciones ≥20 μm.

Discusión de los resultados

El modelo COLPOS parametrizado en función de 1/T_f para C_t y C_m tiene buenos ajustes experimentales (R² > 0.99) a los datos medidos en fraccionamientos físicos usando ultrasonido. Usando una relación lineal entre 1/T_f y 1/M_f, el modelo COLPOS puede ser parametrizado en función de 1/M_f, que para el caso de los suelos mexicanos analizados mostró buenos ajustes (R² > 0.99), pero para dos casos publicados en la literatura los patrones encontrados dif ieren de los esperados. Esto puede ser debido a la recuperación de las masas en las determinaciones de laboratorio u otros errores, por lo que se requiere el análisis de más bases de datos con dispersión completa del suelo, ya que el grado de dispersión incide en los patrones del modelo COLPOS y las razones entre las fracciones físicas del COS.

Para el caso donde la textura es igual o cercana, para distintos usos del suelo o prácticas de manejo, el modelo COLPOS para 1/T_f y 1/M_f muestran patrones (pendientes) similares, por lo que puede ser usado para analizar los patrones dinámicos de cambios asociados a perturbaciones, dejando f ijo el efecto de la textura del suelo.

El caso del uso del enriquecimiento de las fracciones (E_f) es similar al caso de 1/T_f y fracciones de C divididas entre C_t o C_m, pero resulta en patrones más fáciles de interpretar (un solo parámetro).

Las relaciones de la Figura 11 dif ieren en algo de las generales def inidas en ^{Paz et al. (2016)} y ^{Matus (2021)}), por lo que el concepto de universalidad debe ser revisado para considerar además de la textura al almacén de C_p.

En lo general, las relaciones de las diferentes fracciones de solo la parte organomineral para estimar C₅₀ muestran poca dispersión y son estables, por lo que es necesario replantear el modelo COLPOS, y otras aproximaciones, al eliminar la parte del carbono orgánico particulado y realizar análisis por tipo de cinética del modelo.