Estabilidad de agregados

Se determinaron las proporciones de los diferentes tamaños de agregados por el método de tamizado en seco, con un agitador mecánico. Se colocó 1 kg de suelo seco en un juego de tamices de malla 3, 4, 6, 10, 18, 35, 60, los cuales corresponden a tamaño de agregados de macroagregados grandes (6.36, 4.76 y 3.36 mm), mesoagregados (2 y 1 mm) y microagregados (0.50, 0.25 y < 0.25 mm). Posteriormente se colocaron en el agitador mecánico (Gilson / Modelo: SS-15F) y se agitaron a 210 ciclos min^-1 durante 5 minutos. Se pesó la cantidad de suelo en cada tamiz después de la agitación y se determinó el porcentaje en cada tamaño de agregado.

Para analizar los cambios en la estabilidad estructural del suelo con la profundidad, se calculó el diámetro medio ponderado (DMP) con la Ecuación 1.

donde: DMP es el diámetro medio ponderado (mm) de suelo seco tamizado, d el diámetro medio de cada fracción de diferente tamaño i (mm), w es la proporción del peso total de la muestra que se encuentra en la fracción de tamaño i, y n el número de fracciones.

También se calculó el diámetro geométrico medio (DMG) de acuerdo a ^{Kumari et al. (2011)}, con la Ecuación 2.

dónde: x¯ es el diámetro medio de cada fracción y ωi es el peso del suelo retenido en cada tamiz.

Medición del contenido de C total y medición de respiración (CO₂)

De las muestras de agregados del suelo de cada tamaño se tomaron 5 g y se molieron y tamizaron a malla 100 para homogeneizar la muestra. Posteriormente se midió el porcentaje de C total en un analizador automático de carbono TOC (Shimadzu A5050).

Para la medición de CO₂ de cada tamaño de agregados se utilizó la metodología de ^{Barrales et al. (2014)} con un respirómetro manométrico (OxiTop OC 110). Se tomaron los tamaños de agregados de 6.36, 1 y < 0.25 mm. Se pesaron 30 g de cada tamaño de agregado y se humedecieron a 25% de humedad, en relación al peso seco de la muestra, y se colocaron dentro de botellas de vidrio de 500 mL cerradas con un cabezal, el cual tiene un sensor que registra la pérdida de presión dentro de la botella, y se colocaron en una incubadora para controlar la temperatura a 25 °C durante 10 días, usando muestras por triplicado.

El equipo OxiTop, reporta datos de la disminución de presión dentro de cada frasco. Para el cálculo de consumo de O₂ que se consumió en 10 días, por la actividad microbiana presente en cada fracción de agregados, se utilizó la ecuación general de los gases (Ecuación 3), que considera el peso molecular de O₂ (PMO ₂ ), la constante universal de los gases (R), la temperatura de incubación (T), la pérdida de presión registrada por el sensor (Δp) y los valores de peso de la muestra (mBt) y el volumen libre de muestra (Vfr). La Ecuación 3 fue usada para el cálculo del consumo de oxígeno a partir de la pérdida de presión dentro del frasco de medición:

El cálculo de la cantidad de CO₂ (Ecuación 4) que se emitió por la muestra de suelo, se hace por estequiometria química, usando los pesos equivalentes de O₂ y CO₂ y la cantidad de O₂ calculada con la ecuación general de los gases:

Distribución de agregados

La distribución de agregados por horizontes de los perfiles de suelo de los sitios se presenta en la Figura 2. En los bosques, existió una mayor presencia de macroagregados grandes de 6.36 a 4.76 mm con porcentajes mayores a 10 y macroagregados pequeños de tamaño de 3.36, 2 y 1 mm entre 15 y 20%, y los microagregados más pequeños de 0.5, 0.25 y < 0.25 mm presentaron porcentajes entre 30 y 60. Con la profundidad el porcentaje de microagregados se incrementó (Figura 2).

Figura 2 Distribución de agregados de cada sitio y por profundidad del suelo. Las barras representan valores de desviación estándar.
Figure 2. Distribution of aggregates at each site and by soil depth. Bars represent standard deviation values. 

En el sitio de pastizal, la distribución de agregados es similar en todos los horizontes, la fracción < 0.25 mm fue menor (20-40%) que en los otros sitios estudiados y con mayores porcentajes de macroagregados de mayor tamaño, los cuales resultaron ser más homogéneos, con porcentajes entre 10 y 20%; y, estos porcentajes se mantuvieron con la profundidad.

En el sitio de Ac y Ag, los porcentajes de macroagregados del suelo fueron menores al 5%, lo que se vio reflejado en un incremento de los microagregados del suelo (< 0.25 mm) mayor al 60%. En estos sitios se presentaron los mayores porcentajes de microagregados del suelo y esto se mantuvo con la profundidad (Figura 2).

Indicadores de estabilidad de agregados del suelo

Los datos de DMP y DGM de los sitios se presentan en la Figura 3, En los sitios de uso de suelo forestal los valores más altos de DMP y DGM se encontraron en los primeros 30 cm del perfil y disminuyen con la profundidad (Figura 3). En los sitios de Pz y Ac, en los primeros 50 cm el valor de estos índices disminuyeron por acción de la reducción de la cantidad de C; sin embargo, a profundidades mayores a 70 cm, los valores se vuelven a incrementar; dicha tendencia coincide con la de la DAP que se incrementa a mayor profundidad. El contenido de arcillas en estas profundidades también fue mayor, lo que influyó en la formación de agregados mayores de 2 mm, lo cual hizo que la distribución de agregados en estas profundidades fuera homogénea y los valores de DMP y DMG se incrementaron.

Figura 3 Distribución de C e indicadores de estabilidad (DMP y DGM) con la profundidad en suelos con diferente uso de suelo.
Figure 3. Distribution of C and stability indicators (DMP and DGM) with depth in soils with different land use. 

A medida que se incrementan los valores de DMP y DGM, el grado de estructura del suelo es mayor (^{Le Bissonnais, 1996}; ^{Kumari et al., 2011}; ^{Kumar et al., 2013}). El grado de estructura de los sitios de Pz, BR-1 y BR-2 se clasificaron como muy estables en los primeros 10 cm de profundidad, esto debido a la cantidad de materia orgánica incorporada al suelo. Los sitios de BQr, BAq y Ac, se clasificaron como estables en los primeros 10 cm de profundidad y suelos medianamente estables a mayor profundidad. El sitio Ag con labranza tradicional, presentó un grado de estructuración medianamente estable en los primeros 10 cm, e inestable a mayor profundidad. (Figura 3).

Contenido de carbono

En la Figura 4 se presentan los cambios en los contenidos de C en la profundidad de 0-10 cm. En los sitios forestales se encontraron los mayores reservorios de C, en el caso de bosque de referencia de Abies (BR‑1) y el mismo bosque con incendio forestal (BAq), se observó un incremento del contenido de C de un 40% con respecto al bosque de referencia (Figura 4).

Figura 4 Contenido de C total en agregados de diferentes tamaños en la profundidad de 0-10 cm en suelos con diferente uso de suelo.
Figure 4. Total C content in aggregates of different sizes at 0-10 cm depth in soils with different soil use. 

En los sitios de Pz y Ac, la pérdida de C en el suelo en los primeros 10 cm, con respecto a los bosques fue de 50 y 68%, respectivamente, con el cambio de uso de suelo. En el caso más extremo, el cambio de uso de suelo de forestal a agrícola, se registró una pérdida del 80% de carbono en los primeros 10 cm de profundidad (Figura 4).

La distribución de C en agregados del suelo y su variación con la profundidad, en suelos forestales, se muestra en la Figura 5, donde en los sitios BR-1 y BR-2 se observó que en los primeros 30 cm, el mayor contenido de carbono se localizó en agregados menores de 2 mm y la menor concentración en agregados de 4 y 6 mm. Con la profundidad del suelo, la cantidad de C disminuyó, en todos los tamaños de agregados, el valor más bajo se localizó en la profundidad de 100 cm en donde el mayor valor de C fue menor de 4 g C kg^-1 de suelo. En el sitio BQr se tiene una mayor distribución de C en los distintos tamaños de agregados.

Figura 5 Distribución de C en agregados del suelo con uso forestal a diferentes profundidades de suelo.
Figure 5. Distribution of C in soil aggregates with forest use at different soil depths. 

Los sitios de BQr y BAq, presentaron un mayor contenido de C, ya que en los microagregados de 0.25 y < 0.25 los contenidos de C fueron mayores de 30 g C kg^-1 de suelo; los mayores contenidos de C en estos bosques se deben a que en el bosque de Quercus hay una mayor entrada de materia orgánica por el tipo de bosque, y el efecto del incendio forestal después de un determinado tiempo.

En la Figura 6 se presenta la distribución de C con la profundidad en los sitios de Pz, Ac y Ag. En el sitio de Pz, en los tamaños de agregados de 6, 4, 3, 2 y 1 mm hubo mayor presencia de estos agregados, hasta los 30 cm de profundidad, posterior a esta, disminuyó, posiblemente porque existe un mayor número de raíces en el perfil. En los microagregados (0.50, 0.25 y < 0.25 mm) existió una mayor diferencia en los contenidos de C, hasta la profundidad de 60 cm; a mayor profundidad del suelo el contenido de C disminuyó.

Figura 6 Distribución de C en agregados del suelo con uso agrícola, pastizal y acahual a diferentes profundidades del suelo.
Figure 6. Distribution of C in soil aggregates with agricultural, grassland and acahual use at different soil depths. 

La distribución de agregados de los sitios con un mayor grado de alteración (Ac y Ag) el contenido de C fue menor en comparación con los suelos forestales, implicando que los cambios de usos del suelo reducen el C original. El contenido de C en los macroagregados de 6 y 4 mm fue de 1 g C kg^-1 de suelo. El mayor contenido de C se presentó en microagregados del suelo (0.50, 0.25 y < 0.25 mm). El caso de Ag es un comportamiento típico, debido a la disminución de la MO que entra al suelo y por las labores de cultivo que no permiten la formación de agregados de mayor tamaño. El contenido de C no cambió en los primeros 30 cm de profundidad, posterior a ésta disminuyó hasta los 70 cm, que es el límite del perfil.

Respiración de suelo (CO₂)

En la Figura 7 se muestran los valores de C y CO₂ al final de la incubación de los sitios evaluados, los valores se presentan por cada horizonte y por tamaño de agregado en que se midió la respiración. En los primeros 10 cm del perfil del suelo se encontraron los valores más altos de C y CO₂ para todos los usos del suelo analizados; en los bosques de BR-1 y BQr se detectaron los mayores contenidos de carbono en los agregados.

Figura 7 Contenidos de C y CO₂ (g kg^-1 de suelo) y valores de DMP por tamaño de agregado y sistema estudiado.
Figure 7. C and CO₂ contents (g kg^-1 of soil) and DMP values per aggregate size and system studied. 

En los suelos forestales, en macroagregados de 6.36 mm los valores de C variaron entre 5 y 10 g C kg^‑1 de suelo y el C se incrementó conforme el tamaño de agregado disminuyó, los agregados de 0.5 mm presentaron valores entre 10 y 30 g C kg^-1 de suelo. En los horizontes con mayor profundidad, la respiración fue menor, por lo que los primeros 30 cm de profundidad fue la capa más activa para la dinámica de carbono en el suelo.

La cantidad de CO₂ registrada al final de la incubación fue congruente con la cantidad de C, a mayor contenido de C existe una mayor cantidad de CO₂ emitido. Con el tamaño de agregados se observó que, a mayor tamaño de los agregados, fue menor la cantidad de CO₂ emitida a causa de la descomposición de la materia orgánica. Una mayor respiración en agregados de menor tamaño se puede explicar porque hay una mayor área específica, que mejora la aireación, la retención de humedad del suelo y la actividad microbiana que facilita la mineralización de carbono (^{Martínez et al., 2015}). Los datos indican que con una mejor estabilidad del suelo, existe una cantidad de carbono no disponible para el ataque microbiano y reduce la cantidad de CO₂ que se emite por el proceso de mineralización.

En los suelos con mayor perturbación (Ac, Pz y Ag), la cantidad de CO₂ registrada fue menor en comparación con los sitios forestales. En el sitio de Ac, se observó que el valor de CO₂ se incrementó con menor tamaño de agregados y los valores de DMP y DAP se incrementaron con la profundidad. lo que indica una mayor compactación y bajo contenido de C. En el sitio agrícola (Ag), los agregados de menor tamaño (< 0.25 mm) registraron valores cercanos a 40 g CO₂ kg^-1 de suelo, por lo que en las parcelas agrícolas hay pérdidas significativas de carbono de los suelos. ^{Fuentes et al. (2012)} estudiaron las diferencias en los contenidos de C en agregados con diferentes tipos de labranza, y encontraron que en la labranza tradicional existe una mayor perturbación del suelo, lo que no permite que la agregación del suelo tenga una mayor estabilidad y, por consiguiente, presentan valores más altos en la emisión de CO₂ del suelo.

Distribución de agregados y sus patrones

El grado de desarrollo de la estructura del suelo es condicionado por el factor biológico, de plantas, microorganismos del suelo y cantidad de materia orgánica que entra en el suelo por residuos vegetales y las raíces de las plantas (^{Porta et al., 2003}; ^{Ortiz y Ortiz, 2010}). En los sitios forestales y pastizales, en la profundidad de 0-10 cm, existe una mayor proporción de macroagregados, debido a una mayor entrada de materia orgánica por efecto de la vegetación, lo que se refleja en mayores contenidos de C, que a su vez promueve la formación de macroagregados (^{Voroney, 2007}).

En los sitios de Ac y Pz, a mayores profundidades (> 70 cm) se observó que hay agregados de diferentes tamaños en proporciones similares, lo cual es debido posiblemente a que en estos horizontes tienen valores más altos en la densidad aparente, donde existe una mayor compactación, además de que el contenido de arcilla a mayores profundidades del suelo puede actuar como otro factor de agregación del suelo (^{Christensen, 2001}). Una mejor distribución de agregado se puede atribuir a que en este perfil existió un mayor número de raíces a lo largo del mismo, lo que se reflejó en mayores contenidos de C a mayores profundidades en comparación con los sitios forestales, donde los contenidos de C fueron menores a profundidades mayores de 30 cm.

Algunos estudios indican que, en suelos con pastizal, las entradas de materia orgánica en capas profundas se deben al mayor número de raíces (^{Carvalho et al., 2012}). ^{Torres et al. (2013)} mencionan que la estructura de los sistemas radicales influyen en la estabilidad del suelo. En el sitio con agricultura tradicional, se observó que predominan los microagregados (< 0.25 mm), los cuales representan el 50%, no existen los agregados de mayor tamaño debido a la labranza y menores entradas de materia orgánica, lo cual no permite que se formen agregados de mayor tamaño y con mejor estabilidad.

El DMP resultó en un mejor índice de estabilidad de los agregados. ^{Baldock y Kay (1987)} plantean que el DMP está sesgado hacia valores de los agregados grandes (resulta en un mejor índice para esta situación) y el DGM sesgado hacia los menores. Considerando la distribución de agregados mostrada en la Figura 2 (sesgo hacia agregados grandes), el uso del DMP es mejor que DGM.

Relación entre el contenido de C y respiración de CO₂

La respiración del suelo en los diferentes usos fue acorde a los contenidos de C, se observó en la profundidad de 0-10 cm, la mayor dinámica de C en el suelo y ésta disminuyó con la profundidad; esto coincide con otros estudios, en donde evalúan los cambios de los contenidos de C en diferentes tipos de labranza, un menor laboreo del suelo y el incremento de los residuos vegetales de la cosecha, incrementan la estabilidad y carbono del suelo a través del tiempo (^{Kumari et al., 2011}; ^{Fuentes et al., 2012}), y en diferentes usos de suelo (^{Keidel et al., 2018}; ^{Reeves et al., 2019}).

La diferencia en los contenidos de C en los bosques de BR-1 y BAq, bosques con misma especie arbórea, se debe a la cantidad de residuos orgánicos que se incorporan al suelo, después de un evento de incendio, ^{Hobley et al. (2017)} mencionan que existe una pérdida de C después de un incendio forestal, pero existe un incremento de C con el tiempo por una elevada producción primaria de la vegetación y por mayores entradas de materia orgánica al suelo (^{Dai et al., 2005}).

En los bosques sin perturbación (BR-1 y BR-2), las cantidades de CO₂ fue menor en comparación con los bosques con incendio (mayor en la profundidad de 0-10 cm). En el bosque con incendio (BAq), la respiración de CO₂ aumentó con la profundidad, en comparación con los otros sitios forestales; sin embargo, esto se debe a la translocación del carbono a mayores profundidades por la acción del incendio forestal. ^{Hobley et al. (2017)}, encontraron un incremento de los contenidos de C hasta 1 m de profundidad por el movimiento del carbón a través del perfil por la acción de la infiltración de agua a través del suelo.

En el uso de suelo de Pz, se observó que el contenido de C y CO₂ a mayor profundidad se mantuvo; se puede asumir que no existen emisiones de CO₂ en este tipo de uso de suelo. La cantidad de C presente a mayor profundidad, se debe al mayor número de raíces por parte del pastizal, lo que influye en la captura de carbono, ^{Puget y Drinkwater (2001)} mencionan que la captura del carbono por efecto de las raíces se debe a MO recalcitrante de las mismas, lo que disminuye su descomposición, además de que las raíces interaccionan con los agregados del suelo, brindándole una protección física al carbono en el suelo.

Para el efecto del tamaño de los agregados del suelo con la emisión de CO₂, se observó que, a mayor tamaño de agregados, la respiración fue menor, en contraste con los agregados de menor tamaño, donde la cantidad de CO₂ se incrementó: esto se debe a los contenidos de C que hay en cada tamaño de agregados. Estos datos son acordes con ^{Reeves et al. (2019)} donde encontraron esta misma tendencia, en donde los agregados de mayor tamaño tienen una menor respiración de CO₂, y esto lo explican debido a que dimensiones de agregados de menor tamaño tienen una mayor disponibilidad y accesibilidad del C para su mineralización.