Forma correcta de citar: Paz, F. y R. Torres (Editores). 2017. Estado Actual del Conocimiento del Ciclo del Carbono y sus Interacciones en México: Síntesis a 2017. Serie Síntesis Nacionales. Programa Mexicano del Carbono en colaboración con el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada y la Universidad Autónoma de Baja California. Texcoco, Estado de México, México. ISBN: 978-607-96490-5-0. 656 p.
Programa Mexicano del Carbono A.C. Calle Chiconautla No. 8 Interior A Colonia Lomas de Cristo, Texcoco, Estado de México, México ____________________________________________________________ www.pmcarbono.org Esta obra fue elaborada por el Programa Mexicano del Carbono (PMC). Se prohíbe la reproducción parcial o total de esta obra, por cualquier medio. ____________________________________________________________ Diseño Gráfico: Oscar J. Velázquez R.
Estado Actual del Conocimiento del Ciclo del Carbono y sus Interacciones en México: Síntesis a 2017 Fernando Paz y Ruth Torres editores
Programa Mexicano del Carbono. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada. Universidad Autónoma de Baja California.
Ensenada, Baja California 2017 ISBN: 978-607-96490-5-0
Capítulo 5:
ECOSISTEMAS TERRESTRES
429
5.1
Ecuaciones alométricas preliminares para la estimación de biomasa subterránea en Pinus patula 431
5.2
Pérdida de carbono Orgánico de Suelo por la Conversión de Vegetación Natural a Pastizales, México
438
5.3
Producción y descomposición de hojarasca en una cronosecuencia de selva mediana subperennifolia en Calakmul, Campeche
444
5.4
Control de calidad en el análisis de carbono del suelo: Experiencia de la REDLABS
450
5.5
Impactos del cambio climático en la Productividad Neta de ecosistemas en la región del monzón Norteamericano
455
5.6
Almacén de carbono en encinos en un gradiente altitudinal en Jalisco, México: Avances preliminares
462
5.7
Contenidos de carbono orgánico del suelo en sistemas agroforestales de cacao en Tabasco, México
467
5.8
Ecuaciones alométricas para estimar contenido de carbono aéreo en Pinus rudis Endl., en Acajete, Veracruz
473
5.9
Remediación de residuos mineros ácidos con dos biochares y cal
478
5.10 Costras biológicas y respiración edáfica en un ecosistema árido del noroeste de México
484
5.11 Respiración de suelo en un cultivo de Carya illinoinensis y Capsicum annuum 491 5.12 Secuestro de carbono en los sistemas forestales de la zona del volcán La Malinche
496
5.13 Estimación de carbono liberado por los residuos de la transformación primaria de la madera
502
5.14 Evaluation of the Urban Net Ecosystem Exchange across Different Landscapes in Phoenix, Arizona
507
5.15 Labranza de conservación y carbono del suelo en rotaciones maíz-sorgo-soya
512
5.16 Emisión de GEI en la ganadería de Aguascalientes y su contribución al inventario nacional
517
5.17 Almacenes de carbono orgánico aéreo en manglares sometidos a perturbaciones naturales
523
5
Ecosistemas Terrestres
PROGRAMA MEXICANO DEL CARBONO
5.2 Pérdida de carbono Orgánico de Suelo por la Conversión de Vegetación Natural a Pastizales, México Aryal-Deb R.1; Pinto-Ruiz René2; Gómez-Castro Heriberto2; Guevara-Hernández Francisco2; VenegasVenegas José A.1; Gómez de Jesús Adrián1 y Ley de Coss Alejandro3 1CONACYT-UNACH,
Facultad de Ciencias Agronómicas, Universidad Autónoma de Chiapas. Carretera Ocozocoautla Villaflores, CP 30470, Villaflores, Chiapas. 2Cuerpo Académico de Agroforestería Pecuaria, Facultad de Ciencias Agronómicas, Universidad Autónoma de Chiapas. Villaflores, CP 30470, Villaflores, Chiapas. 3Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad Autónoma de Chiapas. Entronque carretera Costera y estación Huehuetán Km 1 CP 30660, Huehuetan, Chiapas. Autor para correspondencia: drajar@conacyt.mx
Resumen La conversión de vegetación natural a pastizales, es una de las fuentes importantes de emisión de gases de efecto invernadero. Estas conversiones conllevan el cambio en el almacenamiento de carbono orgánico de suelo (COS). Existen diferentes perspectivas sobre el cambio de COS en el mundo por esa conversión. En México hace falta una síntesis de los estudios realizados en diferentes regiones. En este estudio, se revisó y analizó la literatura publicada sobre la diferencia o cambio en el almacenamiento de COS entre los ecosistemas naturales y pastizales de diferentes edades (tiempo después de la conversión de vegetación natural a pastizales). Se encontraron grandes variaciones en las profundidades que reportan COS. La síntesis demuestra un promedio general de 32.6 ± 3.6% de pérdida de COS, cuando una vegetación natural se convierte a pastizal. Se demostró que el reservorio de COS en pastizales sigue disminuyendo con el tiempo, con un promedio anual de 1.6 ± 0.9% de la cantidad original de COS en la vegetación natural. La relación inversa entre la edad de pastizal y tasa anual de pérdida de COS indica que la pérdida es mayor en edades tempranas después de la conversión. Esto demuestra que los productores de ganado deben buscar estrategias alternativas para disminuir la pérdida de COS o aumentar el almacenamiento de carbono en pastizales desde un principio. Algunos estudios en Neotrópicos reportan que la incorporación de árboles en diferentes arreglos silvopastoriles puede aumentar hasta 40% de COS, en sistemas de producción ganadera. Palabras clave: reservorio de carbono; mitigación de emisiones; sistemas de producción ganadera. Abstract The conversion of natural vegetation to pastureland is one of the important sources of greenhouse gas emissions. Such conversion lead to the change in soil organic carbon (SOC) storage. There are different perspectives on SOC changes related to land use conversion in the world. In Mexico, a synthesis of the studies carried out in different regions is needed. In this study, we reviewed and analyzed the published literature on the difference or change in SOC storage between natural ecosystems and pastures of different ages (time after conversion of natural vegetation to pasture). Large variations were found in the reported depths of SOC. The synthesis showed an average loss of 32.6 ± 3.6% of SOC, when a natural vegetation is converted to pasture. The results showed that the SOC in grasslands continues to decline over time, with an average annual loss of 1.6 ± 0.9% of the original amount of SOC. The inverse relationship between pastureland age and annual SOC loss rate indicated that the loss was greater at early ages after conversion. This demonstrates that livestock producers should seek alternative strategies from the beginning to reduce the loss of SOC or increase carbon storage in grasslands. Some studies in 436 438
Capítulo 5. Ecosistemas Terrestres
Estado Actual del Conocimiento del Ciclo del Carbono y sus Interacciones en México
2017
Neotropics report that the incorporation of trees in different silvopastoral arrangements can increase up to 40% of SOC in livestock production systems. Key words: carbon pool; emission mitigations; livestock production systems. Introducción El suelo es el más grande reservorio de carbono en los ecosistemas terrestres y tiene una gran capacidad para almacenar carbono orgánico (Lal, 2004). El almacenamiento y el flujo del carbono en el suelo son parte de las emisiones y remociones de gases de efecto invernadero (GEI) del sector uso del suelo y su manejo puede afectar significativamente la concentración atmosférica de bióxido de carbono (Murty et al., 2002). La cantidad de carbono orgánico almacenado en el suelo de un ecosistema depende del equilibrio dinámico de las entradas y pérdidas (Lal, 2004). La entrada de carbono al suelo de los ecosistemas naturales como los bosques maduros se proviene principalmente por el proceso de caída de la hojarasca, la mortalidad de los árboles, la renovación de la raíces y la descomposición de todos los materiales orgánicos (Aryal et al., 2014). La respiración del suelo y el flujo lateral de carbono son los procesos principales de pérdida de carbono en estos ecosistemas (Vargas, 2012). El tamaño de los reservorios de carbono de los ecosistemas cultivados depende en gran medida de las prácticas de manejo. Se ha reportado que la pérdida de carbono orgánico del suelo (COS) por la conversión de ecosistemas naturales a ecosistemas cultivados alcanza hasta 60-75% en los trópicos (Lal, 2004; Smith et al., 2016). La pérdida de carbono por el cambio en el uso del suelo puede variar con el tipo de ecosistema original y las prácticas de manejo que se les da a los ecosistemas cultivados. La pérdida de COS en los pastizales cultivados o inducidos puede estar asociada a las alteraciones en el flujo de nutrientes derivadas de la variación del cambio en la composición de las especies vegetales, la productividad, la tasa de descomposición de la materia orgánica y mineralización (García-Oliva et al., 1994, Navarrete et al., 2016). El aumento en el almacenamiento de carbono en los ecosistemas cultivados es un importante servicio ambiental que puede ayudar a mitigar el problema de emisiones de gases de efecto invernadero (Ferreiro-Domínguez et al., 2016). Sin embargo, no se ha comprendido ampliamente la magnitud y la dinámica temporal de la pérdida de carbono relacionada con la conversión de las tierras forestales a los pastizales. En este estudio se evaluó el grado de pérdida del COS relacionado con la conversión de los ecosistemas forestales naturales a pastizales para la producción ganadera en México. Materiales y Métodos Búsqueda de literatura y recopilación de información relevante Se realizaron búsquedas de los reportes publicados de investigación científica relacionados con los cambios o diferencias en el almacenamiento de COS por la conversión de bosques u otros ecosistemas naturales a pastizales para la ganadería extensiva en México. Se utilizaron los buscadores como Web of Science, Google Scholar y CONRICYT (Consorcio Nacional de Recursos de Información Científica y Tecnológica) para explorar la literatura publicada en revistas arbitradas. Se utilizaron las combinaciones de palabras claves como: cambios en el almacenamiento de carbono, pastizales, ecosistemas forestales y, México para buscar la literatura. El presente estudio consideró los artículos publicados hasta marzo de 2017. No se incluyeron en el análisis los artículos que reportan el almacenamiento de carbono estimado del método de percepción remota sin muestreo en campo.
437 Capítulo 5. Ecosistemas Terrestres
439
PROGRAMA MEXICANO DEL CARBONO
Cambio en carbono orgánico del suelo El almacenamiento de COS se reporta normalmente como la cantidad por unidad de área de tierra (Mg C ha-1), pero algunos artículos reportaron COS como fracción de suelo (porcentaje del peso de la muestra). Se utilizaron los datos de densidad aparente y profundidad del suelo para calcular el almacén de COS (Mg C ha-1) utilizando la Ecuación 1. COS (Mg C ha-1) = DA (P x 10.000) x (COSF / 100) (1) -3 donde, DA es la densidad aparente del suelo (g cm ); P es la profundidad del suelo (m); Y COSF es la fracción de carbono orgánico del suelo (%). Hubo una gran variación en las profundidades de suelo reportadas, lo que hizo difícil comparar la cantidad de pérdida de stock COS en cantidades (Mg C ha-1) de un estudio al otro. Por lo tanto, se comparó la pérdida en el porcentaje del almacenamiento original de COS en las profundidades correspondientes del suelo. La pérdida media anual de COS se calculó utilizando la Ecuación 2. Pérdida media anual = Pérdida total de COS (%) / edad de pastizal (años) (2) La pérdida COS se refiere a la diferencia total en el stock del COS entre el ecosistema natural y el pastizal y se expresa como el porcentaje del stock original de la vegetación natural. La edad de los pastizales se refiere a la edad (años) de los pastizales después de la conversión de los bosques u otros ecosistemas nativos. Análisis de datos Los artículos que reportaron almacenamiento de carbono y su cambio por la conversión de uso de suelo se clasificaron en cinco ecosistemas principales de México: selvas tropicales secas, selvas tropicales húmedas, bosques de tierras altas, manglares y matorrales tropicales. Se utilizó ANOVA de una vía para comparar las diferencias significativas en la pérdida de COS entre los tipos de ecosistemas naturales que se convirtieron a pastizales. Se realizó la prueba de Wilcoxon para analizar si los valores de pérdida de carbono fueran significativamente diferentes de cero. Se realizaron análisis factoriales multivariados para identificar las relaciones entre la pérdida de COS y otras variables independientes como el stock original de COS en los ecosistemas nativos, la edad de los pastizales (años después de la conversión del bosque) y las profundidades del suelo. Resultados y Discusión Se encontró un mayor número de estudios que reportaron cambios en el COS por la conversión de ecosistemas naturales a pastizales en los bosques de las tierras altas (Cuadro 1). La diferencia (pérdida) de COS por la conversión de ecosistemas naturales a pastizales varió de -24.05% a -42.46% del stock original (Cuadro 1). Aunque numéricamente la pérdida fue más alto en los bosques de tierras altas, no se encontraron diferencias significativas en la pérdida de COS (%) entre los ecosistemas naturales. La pérdida media anual de COS varió de -0.97% a -1.89% y no varió significativamente entre los tipos de ecosistemas originales (Cuadro 1). La pérdida de COS por la conversión de manglares a pastizales demostró una alta variación demostrado por el intervalo de confianza (10-61%) indicando la vulnerabilidad de este ecosistema en término de la pérdida de COS.
438 440
Capítulo 5. Ecosistemas Terrestres
2017
Estado Actual del Conocimiento del Ciclo del Carbono y sus Interacciones en México
Cuadro 1. Pérdida (%) de carbono orgánico de suelo (COS) por la conversión de vegetaciones naturales a pastizales en México.
Ecosistemas originales Pérdida (% de COS original) Selva tropical húmeda Selva tropical seca Bosques de tierras altas Manglares Matorrales y praderas naturales Pérdida media anual (% / año) Selva tropical húmeda Selva tropical seca Bosques de tierras altas Manglares Matorrales y praderas naturales
N
Promedio de pérdida
95% IC (-)
95% IC (+)
14 10 18 13 11
-27.27 -24.05 -42.46 -35.22 -27.67
-45.94 -42.75 -51.59 -60.95 -43.77
-8.60 -5.36 -33.32 -9.49 -11.56
14 10 18 13 11
-1.45 -0.97 -1.89 -1.88 -1.66
-2.28 -2.12 -2.35 -3.25 -2.79
-0.62 0.17 -1.42 -0.50 -0.53
Los valores negativos indican la pérdida (%) comparada con la COS de los ecosistemas naturales originales. N=número de observación, IC=intervalo de confianza.
Tanto la pérdida total de COS como la pérdida media anual fueron significativamente diferentes de cero (p<0.001, prueba de Wilcoxon). El promedio general de pérdida de COS por la conversión de vegetación natural a pastizal en México fue 32.6 ± 3.6%, mientras que la pérdida media anual fue de 1.6 ± 0.2% de los almacenes originales (Cuadro 2). Cuadro 2. Prueba de Wilcoxon para observar la diferencia significativa entre la perdida de COS y cero.
Variables Pérdida (diferencia) de COS stock (% de COS original) Pérdida media anual del COS (% / año)
Promedio general ± error estándar
N
T
Z
p
-32.56 ± 3.62
66
130.0
6.159
<0.001
-1.62 ± 0.19
66
153.0
6.008
<0.001
Los valores negativos representan la pérdida de carbono por la conversión de vegetación natural a pastizal.
En un análisis de variables múltiples, se observó que la pérdida de COS (%) se correlacionó positivamente con la edad de los pastizales. Pero, la pérdida media anual se correlacionó inversamente con la edad de los pastizales, lo que indica que la tasa de pérdida fue inicialmente más alta y disminuye con el aumento de la edad de los pastizales (Figura 1). En el primer análisis factorial (Figura 1A), el factor 1 explicó 46% de la varianza total y las variables como los almacenes reservas originales de COS (Mg C ha-1) de los ecosistemas naturales y la profundidad del suelo se correlacionaron fuertemente con este factor. El factor 2 explicó el 30% de la varianza total y las variables como la edad de pastizal y la pérdida de COS se correlacionaron fuertemente con este factor. En el segundo análisis factorial (Figura 1B), el factor 1 y 2 en combinación explicaron el 75% de la varianza total. Al igual que el primer PCA, el stock inicial del COS y la profundidad del suelo mostraron correlaciones más fuertes con el factor 1, mientras que la edad de pastizal y la pérdida media anual de SOC mostraron correlaciones más fuertes con el factor 2 (Figura 1).
439 Capítulo 5. Ecosistemas Terrestres
441
PROGRAMA MEXICANO DEL CARBONO
Figura 1. Análisis de factores de los variables como el stock original de COS stocks de los ecosistemas naturales (Mg C ha-1): A) edad de pastizal (años), profundidad de suelo (cm) y la pérdida de COS (%) por la conversión, B) pérdida media anual de COS SOC (% año-1) después de la conversión.
Los resultados de la pérdida del COS por la conversión de ecosistemas naturales a pastizales en México son consistentes con otros estudios en diferentes partes del mundo. Utilizando el modelo dinámico de la vegetación global (DGVM), Smith et al. (2016) estimaron una pérdida del 40% al 63% del COS por la conversión de los bosques tropicales globales en pastizales. El contenido de COS en pastizales fue 42% menor en comparación con los bosques tropicales húmedos adyacentes en la India (Pandey et al., 2010). Los almacenes de carbono orgánico del suelo (0-30 cm de profundidad) fueron de 20% a 28% más bajas en pastos tropicales altamente pastoreados (2.7 cabezas de ganado por hectárea) en comparación con los bosques primarios en la Amazonia colombiana (Navarrete et al., 2016). El efecto combinado de los incendios repetidos y el pastoreo intensivo de ganado en el monocultivo de pastos reduce drásticamente contenido de carbono orgánico del suelo y, en última instancia, la productividad de la tierra a largo plazo (García-Oliva et al., 1994). Se ha reportado que diferentes arreglos silvopastoriles podrían aumentar el almacenamiento de COS en sistemas de producción de ganados en los trópicos. Los sistemas silvopastoriles bajo los árboles de Guazuma ulmifolia, Tabebuia rosea, Albizia saman y Enterolobium cyclocarpum aumentaron significativamente el contenido de carbono en suelo comparando con los pastizales abiertos en Matalagalpa, Nicaragua (Casals et al., 2014). Los stocks de carbono orgánico del suelo (0-60 cm de profundidad) aumentaron en un 27%, 38% y 43% respectivamente después de 4 años de inclusión de Dalbergia retusa, Diphisa robinioides y Pitchelobium saman en los pastizales tropicales de Brachiaria brizantha en Guanacaste, Costa Rica (Andrade et al., 2008). Conclusiones Una cantidad significativa de carbono orgánico de suelo se pierde cuando una vegetación natural se convierte a pastizal en México. La relación inversa entre la pérdida media anual y la edad de pastizal indica que la pérdida de COS es inicialmente más alto y demuestra la necesidad de intervención temprana para retener o aumentar los almacenes de carbono en los pastizales. El análisis de pérdida de carbono y su dinámica temporal podría ser útil para tomar decisiones de manejo adecuado que recuperen o retienen los reservorios de carbono en el suelo de los sistemas de producción ganadera en México.
440 442
Capítulo 5. Ecosistemas Terrestres
Estado Actual del Conocimiento del Ciclo del Carbono y sus Interacciones en México
2017
Agradecimientos Los autores agradecen a todos los investigadores cuyos datos publicados fueron sintetizados y analizados en este estudio. Literatura citada Andrade, H., J. R. Brook and M. Ibrahim. 2008. Growth, production and carbon sequestration of silvopastoral systems with native timber species in the dry lowlands of Costa Rica. Plant and Soil 308:11-22. Aryal, D., B. H. De Jong, S. Ochoa-Gaona, L. Esparza-Olguin and J. Mendoza-Vega. 2014. Carbon stocks and changes in tropical secondary forests of southern Mexico. Agriculture Ecosystem and Environment 195:220-230. Casals, P., J. Romero, G. M. Rusch and M. Ibrahim. 2014. Soil organic C and nutrient contents under trees with different functional characteristics in seasonally dry tropical silvopastures. Plant and Soil 374:643-659 DOI:10.1007/s11104-013-1884-9. Ferreiro-Domínguez, N., A. Rigueiro-Rodríguez, K. E. Rial-Lovera, R. Romero-Franco and M. R. Mosquera-Losada. 2016. Effect of grazing on carbon sequestration and tree growth that is developed in a silvopastoral system under wild cherry (Prunus avium L.). CATENA 142:11-20 DOI:10.1016/j.catena.2016.02.002. García-Oliva, F., I. Casar, P. Morales and J. M. Maass. 1994. Forest-to-pasture conversion influences on soil organic carbon dynamics in a tropical deciduous forest. Oecologia 99:392-396. Lal, R. 2004. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science 304:1623-1627. Murty, D., M. U. Kirschbaum, R. E. Mcmurtrie and H. Mcgilvray. 2002. Does conversion of forest to agricultural land change soil carbon and nitrogen? A review of the literature. Global Change Biology 8:105-123. Navarrete, D., S, Sitch, L. E. Aragão and L. Pedroni. 2016. Conversion from forests to pastures in the Colombian Amazon leads to contrasting soil carbon dynamics depending on land management practices. Global Change Biology 22:3503-3517. Pandey, C. B., G. B. Singh, S. K. Singh and R. K. Singh. 2010. Soil nitrogen and microbial biomass carbon dynamics in native forests and derived agricultural land uses in a humid tropical climate of India. Plant and Soil 333:453-467 DOI:10.1007/s11104-010-0362-x. Smith, P., J. I. House, M. Bustamante, J. Sobocká, R. Harper, G. Pan, P. C. West, J. M. Clark, T. Adhya and C. Rumpel. 2016. Global change pressures on soils from land use and management. Global Change Biology 22:1008-1028. Vargas, R. 2012. How a hurricane disturbance influences extreme CO2 fluxes and variance in a tropical forest. Environmental Research Letters 7:1-9 DOI:10.1088/1748-9326/7/3/035704.
441 Capítulo 5. Ecosistemas Terrestres
443