“Suelo, recurso clave para la soberanía alimentaria y calidad del ambiente” XX CONGRESO VENEZOLANO DE LA CIENCIA DEL SUELO San Juan de Los Morros, 25 al 29 de noviembre de 2013. Universidad Nacional Experimental de los Llanos Centrales Rómulo Gallegos
EFECTO DEL FUEGO SOBRE EL CARBONO ORGANICO DEL SUELO EN SABANAS ALTAS DE GUAYANA Bilbao*, B1; Zambrano, E1; Millán, A1; Leal, A1, Méndez, C2; Pérez, F3,4; Chani, H3; Machuca, R3†; Salazar, R.1 1Departamento
de Estudios Ambientales, Universidad Simón Bolívar (USB), Caracas, Venezuela de Ecología y Ciencias Ambientales, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC), Caracas, Venezuela 3Estación Científica Parupa, Autoridad Gran Sabana, Corporación Venezolana de Guayana (CVG), Gran Sabana, Edo. Bolívar, Venezuela 4Escuela Técnica y Agropecuaria Kavanayén (ETAK), Kavanayén, Gran Sabana, Edo. Bolívar, Venezuela 2Centro
* Autor de contacto: *
[email protected]; Departamento de Estudios Ambientales, Universidad Simón Bolívar, Apartado 89000, Caracas 1060, Venezuela; +584141190872
RESUMEN Las sabanas constituyen uno de los ecosistemas tropicales con menores contenidos de carbono orgánico (CO) en los suelos. La alta frecuencia del fuego es considerado uno de los factores que determinan la baja acumulación en los suelos de este componente volátil. Se estudió el efecto del fuego sobre la concentración del CO en los suelos de sabanas guayanesas del Parque Nacional Canaima. Se realizaron quemas experimentales en parcelas permanentes, en las que se midieron la temperatura y eficiencia de quema, y se colectaron muestras de suelo a 0-5 cm, para la determinación del %CO. Nuestros resultados indican que el fuego tiene un efecto positivo incrementando el %CO en el suelo, a pesar del carácter volátil de este elemento. Estos cambios de corta duración parecen estar asociados a las bajas temperaturas y eficiencias de las quemas, que favorecen la liberación de los compuestos de CO por la combustión incompleta de la vegetación.
PALABRAS CLAVE Carbono; Fuego; Sabanas
INTRODUCCIÓN Las sabanas se caracterizan por ser uno de los ecosistemas tropicales que presentan los menores contenidos de carbono orgánico en los suelos. La baja productividad de la biomasa vegetal, compuesta principalmente por gramíneas y ciperáceas, y la alta frecuencia del fuego, el cual remueve la cobertura de plantas por combustión, son consideradas los principales factores que determinan la baja acumulación de materia orgánica de los suelos de sabana (Frost y Robertson, 1985; Bilbao, 1995). Sin embargo, la literatura muestra que el fuego resulta un factor controversial con respecto a su efecto en la acumulación del carbono orgánico en el suelo. Así a pesar que el proceso de combustión produce la pérdida de carbono por la volatilización de CO2, una combustión incompleta del material combustible por quemas de baja intensidad y eficiencia podría favorecer los procesos de descomposición y degradación de la biomasa resultando en mayores aportes de materia orgánica (Medina y Silva 1990; Bilbao, 1995; González-Pérez, 2004). De igual manera los efectos indirectos del fuego como son un estímulo de la productividad primaria y los cambios en el microclima y biota del suelo podrían tener un efecto positivo en los procesos de formación y acumulación de carbono orgánico en el suelo (Almendros y col., 1990). El objetivo del presente trabajo ha sido el estudio del efecto del fuego en la concentración del carbono orgánico del suelo en las sabanas altas de Guayana en el Parque Nacional Canaima. Este estudio se enmarca dentro de un experimento del fuego a largo plazo, en parcelas permanentes, iniciado en 1999. Se espera que estos resultados contribuyan a comprender el papel del fuego en la dinámica de la materia orgánica en el suelo. Existen trabajos previos que comparan las condiciones de acumulación de materia orgánica en los
suelos de sabanas quemadas y excluidas del fuego, sin embargo en su mayoría no consideran las variaciones temporales en el corto y mediano plazo y su relación con el comportamiento del fuego (González-Pérez et al., 2004). Diferentes modelos climáticos predicen sequías de mayor intensidad para la región, lo cual induciría condiciones de mayor incidencia de incendios y diferencias en los patrones de productividad primaria a nivel regional por lo que esperamos que con este trabajo se pueda contribuir al conocimiento de la magnitud y permanencia de los cambios de la materia orgánica en el suelo inducidos por estos dos importantes factores (Bilbao y col., 2010).
MATERIALES Y MÉTODOS Area de estudio Las sabanas escogidas para este estudio fueron las sabanas de Arautaparú en Parupa (5°43'N, 61°35'O; 1.226 m s.n.m.), las cuales se encuentran en las inmediaciones de la Estación Científica Parupa, Autoridad Gran Sabana, Corporación Venezolana de Guayana (CVG), al norte de la Gran Sabana, Parque Nacional Canaima, Venezuela. Esta zona está dominada por grandes extensiones de sabanas inarboladas, co-dominadas por especies de las familias Poaceae y Cyperaceae, y adyacentes a bosques de galería, conformando uno de los paisajes típicos de la región (Huber y col., 2001). Las características edáficas de las sabanas estudiadas son: textura areno francosa, pH ácidos (4-4,5), bajo contenido de carbono orgánico (1,5 - 2%), y de nitrógeno total (0,15%), baja capacidad de intercambio catiónico efectiva (CICe) (1,5 meq 100g-1) y muy altos porcentajes de saturación de aluminio (75-80%). El clima de la zona es cálido (temperatura media anual de 20,6ºC), y húmedo (precipitaciones media anuales de 1780 mm, Bilbao y col., 2010). Muestreo de campo En marzo de 1999 se inicia un experimento a largo plazo en las sabanas de Arautaparú (Parupa), con el objetivo de estudiar las características de la vegetación, el comportamiento del fuego, así como su efecto en la biomasa y características edáficas. El experimento fue emplazado en 21 parcelas permanentes de 0,5 ha distribuidas en un diseño de bloques al azar. Se realizó un monitoreo a largo plazo de la vegetación y el suelo en situaciones excluidas del fuego y bajo los distintos tratamientos de frecuencia e intensidad del fuego. El presente estudio incluye los resultados de los muestreos realizados en parcelas de 50 m x 100 m (0,5 ha) bajo exclusión del fuego y quemadas durante los meses de enero-febrero (quemas tempranas: QTP), marzoabril (quemas intermedias: QIN), y mayo (quemas tardías: QIN) del año 2000. Las temperaturas del aire sobre la superficie del suelo a 0 cm y a 3 cm de profundidad fueron medidas durante el avance de las llamas en los tratamientos antes señalados, con un Termopar tipo K (chromel – alumel thermocouple). Las eficiencias de quema fueron estimadas como el porcentaje del material combustible consumido durante la combustión (estimado como la proporción en porcentaje entre la diferencia de la biomasa del material combustible y los residuos carbonizados, con respecto a la acumulación de material combustible previo a la quema, Bilbao et al., 2009). Se tomaron 9 muestras de suelo con un barreno, en cuadratas de 1 m2 distribuidas al azar (1 muestra por cuadrata), en tres parcelas réplicas de acuerdo a cada condición. Los muestreos de suelo se efectuaron con barrenos a una profundidad de 5 cm debido a que los cambios producidos en el carbono orgánico del suelo por efecto de la quema son superficiales (Bilbao, 1995) y al enraizamiento superficial de la vegetación por la toxicidad del aluminio a mayores profundidades (Dezzeo y col., 1994). Análisis químico de los suelos Una vez trasladadas al laboratorio las muestras fueron secadas al aire y luego tamizadas con una malla de 2 mm. La determinación del carbono orgánico del suelo se realizó por combustión húmeda de acuerdo al método de Walkey & Black, descrito por el manual de métodos para análisis físico-químicos para suelos tropicales de Anderson e Ingram (1989). Análisis estadísticos Se estimó el error estándar y las diferencias medias significativas (DMS o LSD), con nivel de significancia al 0,05, del % de carbono orgánico en el suelo en cada una de las fechas de colecta y tratamientos (parcelas quemadas y excluidas del fuego).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN En este trabajo se detectaron incrementos en el porcentaje de carbono orgánico del suelo por efecto de la quemas en distintos períodos de la estación seca: quemas tempranas (enero – febrero: QTP), quemas intermedias (marzo – abril: QIN), y quemas tardías (mayo: QTD) del año 2000, con respecto a las condiciones pre-quema (PQ) y las condiciones control (CTRL), excluidas del fuego (Figura 1). Estas diferencias resultaron significativas (P < 0.05), en los primeros cinco días después de las quemas, recuperando los valores iniciales de %CO de PQ, entre los 6 y 10 días después del fuego (5D). Si bien varios trabajos consideran que las quemas en general producen una fuerte reducción de la materia orgánica del suelo, estas se producen debido a altas eficiencias de quema y temperaturas por encima de 690 ºC que destruyen toda la capa de hojarasca superficial y el 99% del carbono orgánico del suelo (Cass et al., 1980; Giovannini et al., 1987). Así mismo, los grupos funcionales de los polímeros húmicos que contienen O2 son particularmente lábiles al tratamiento térmico, por lo que la exposición a altas temperaturas de quema, produce una fuerte reducción de este componente de la materia orgánica del suelo (Almendros et al., 1990). Sin embargo, las temperaturas medidas a ras del suelo en este estudio, muy raramente superaron los 200 ºC, reduciéndose drásticamente a los 3 cm a 42-44 oC (Tabla I). Estas temperaturas no son consideradas de efecto deletéreo sobre los componentes húmicos del suelo (Ansley et al., 2006).
Figura 1. Concentración de carbono orgánico (%CO) en el suelo bajo condiciones de exclusión de fuego (CTROL) y de diferentes tratamientos de quema (para detalles revisar el texto): QTP (quemas tempranas), QIN (quemas intermedias) y QTD (quemas tardías), medidas en las distintas fechas de colecta: PQ (condiciones de pre-quema), 5D (entre 1 y 5 días después de la quema), 10D (entre 6 y 10 días después de la quema), 1M (un mes después de la quema), y 1A (un año después de la quema), en las sabanas de Arautaparu (Parupa). Las líneas verticales sobre las barras, valores promedio obtenidos para cada variable en las diferentes fechas de muestreo, indican el error estándar mientras que las que se encuentran fuera de las curvas indican las diferencias mínimas significativas (DMS o LSD) con P < 0.05.
TABLA I. Variables del comportamiento del fuego medidas durante el experimento del fuego en las QTP (quemas tempranas), QIN (quemas intermedias) y QTD (quemas tardías). Letras distintas indican diferencias mínimas significativas (DMS o LSD) con P < 0.05.
VARIABLE
QTP
QIN e.s.
PROMEDIO
a
12.55
154.10
PROMEDIO
QTD e.s.
PROMEDIO
e.s.
a
13.87
108.60b
14.97
T MAXIMA (OC) A RAS DEL SUELO (O CM)
159.63
T MAXIMA (OC) A 3 CM DE PROFUNDIDAD EN EL SUELO
43.08
a
2.25
42.64
a
2.38
42.87
a
1.59
EFICIENCIA DE QUEMA (%)
31.32
a
4.02
20.73b
5.31
23.09b
7.28
RESIDUOS CARBONIZADOS (g*m-2)
744.93
a
39.80
779.88
a
51.87
917.16b
56.30
González-Pérez y col. (2004) sostienen que el aumento en los niveles de materia orgánica en el suelo después del fuego se debe a la incorporación de fragmentos de carbón más que a un incremento en el humus. Por otro lado, Bilbao (1995) y Almendros y col. (2000) consideran que la incorporación de necromasa o residuos de carbono orgánico en las cenizas es suficiente para compensar las pérdidas de C por combustión del humus o incluso producir una acumulación neta de COS. Nuestros resultados están asociados a bajos valores de eficiencia de quema (Tabla I), indicando quemas de baja intensidad y alta producción de residuos carbonizados, los cuales se incorporan a la materia orgánica del suelo. Los cambios generados en el % COS desaparecieron a los pocos días de haberse efectuado las quemas. Dezzeo y Fölster (1994) reportan en ecosistemas tropicales, altas tasas respiratorias asociadas a una gran actividad microbiana en suelos de áreas quemadas, sugiriendo una alta descomposición del material orgánico residual incorporado. La alta humedad y mayores temperaturas del suelo post-quema, asociada al mayor albedo por la acumulación de cenizas, podría favorecer la rápida descomposición y desaparición de la materia orgánica del suelo después de las quemas. Así mismo, existe un mayor lavado del COS debido a la menor cobertura de la vegetación después del fuego. A pesar del efecto del fuego en la acumulación de COS, es a corto plazo, es evidente el impacto positivo en la dinámica de la materia orgánica y ciclos de nutrientes en estos ecosistemas, en los cuales bajas tasas de descomposición son reportados. Esto también nos lleva a la reflexión de que no siempre debe asociarse efectos negativos al fuego, y que es posible obtener resultados favorables realizando un buen manejo, conociendo las bases ecológicas de su comportamiento y efecto sobre los ecosistemas. Nuestros resultados coinciden en términos generales con los valores de COS obtenidos en condiciones de quema con respecto a las protegidas del fuego por Hernández-Valencia y López-Hernández (2002) y LópezHernández y col. (2008) en las sabanas tropicales de los Llanos de Venezuela.
CONCLUSIÓN El fuego tiene un efecto positivo en cuanto al incremento del %COS en las parcelas de estudio. Este incremento estuvo asociado a bajas temperaturas a ras del suelo y bajas eficiencias de quema que favorecieron la incorporación de necromasa y residuos carbonizados al suelo. Los cambios generados en el % COS fueron de carácter temporal, desapareciendo a los pocos días de haberse efectuado las quemas. Nuestros resultados indican que no siempre debe asociarse efectos negativos al fuego, y realizando un buen manejo, conociendo las bases ecológicas de su comportamiento y efecto sobre los ecosistemas, se puede tener un impacto positivo en la dinámica de la materia orgánica y ciclos de nutrientes en los ecosistemas.
AGRADECIMIENTOS Los autores de este trabajo agradecen el financiamiento recibido del Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología, a través del proyecto G-98001124: “Interacción Atmósfera – Biosfera en la Gran Sabana, Parque Nacional Canaima, Venezuela”. Fundacite-Bolívar y los Decanatos de Investigación y Desarrollo, y de
Estudios Profesionales de la Universidad Simón Bolívar. Agradecemos a la Brigada de Ataque Inicial Carlos Todd, y al Departamento de Manejo Ambiental de CORPOELEC-EDELCA, por su ayuda y diligencia en la realización de las quemas experimentales y por las facilidades provistas para las campañas de campo, y en especial a los bomberos por su voluntad de colaboración incondicional y al Sr. R. Salas por su apoyo irrestricto. Apreciamos la colaboración técnica y logística brindada por la Estación Científica Parupa, Autoridad Gran Sabana (CVG), y especialmente a todo el equipo de trabajo de la Estación: Ing. M. E. Deza, Ing. G. Picón, Ing. M. Márquez, y Sr. J. González. Nos gustaría expresar nuestra gratitud a los estudiantes de B. Bilbao: M. Jaffé, T. Souto, R. Castillo, C. Pestana, M. A. Díaz y D. Esclansans que colaboraron en diferentes aspectos de este trabajo. El procesamiento y análisis de los datos fue posible gracias al apoyo de la beca E03E12226VE del Programa Alban de la Unión Europea.
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