Fraccionamiento químico de carbono en Acrisoles con hori­zontes sómbricos del Sur de Brasil

 

M. Velasco-Molina¹, J.A. Almeida², P. Vidal-Torrado³ & F. Macías¹

¹ Dpto. Edafología y Química Agrícola, USC, Santiago de Compostela, 15782, España, E-mail: mv.molina@usc.es & felipe.macias.vazquez@usc.es;

²Dpto. Solos e Recursos Naturais, CAV -UDESC, Lages, 88520-000, SC – Brasil;

³Dpto. Ciência do Solo, ESALQ -USP, Piracicaba, 13418-900, SP -Brasil

 

RESUMEN

Los horizontes sómbricos (subsuperfi­ciales, oscuros y con mayor contenido de C) tienen una génesis escasamente cono­cida, pudiendo funcionar como sumideros de C en condiciones subtropicales. En dos Acrisoles del Estado de Santa Catarina (S-Brasil) se ha comprobado que la máxima acumulación de formas de C ligadas a Fe y Al extraíbles con pirofosfato y oxalato se presenta en horizontes sómbricos, pero que ésta no está relacionada con procesos de podsolización, andosolización, solodi­zación o acumulación de C por condicio­nes de hidromorfía subóxica. La mayor parte de su C se presenta en formas de oxidabilidad intermedia (oxidable con K₂Cr₂O₇, en frío, pero no con KMnO₄ 0,2 M). Los porcentajes de C recalcitrante (no oxidable o díficilmente oxidable) son sig­nificativos (20-45%) pero variables a pe­queñas distancias. Procesos ligados a cambios de uso del suelo con diferente lo­calización del aporte de necromasa y efec­tos de incendios de la vegetación parecen ligados a su formación.

Palabras-clave: Brasil, C recalcitrante, formas de C, horizonte sómbrico, oxidabili­dad de la materia orgánica.

 

Chemical fractionation of carbon on Acrisols with sombric horizon from South Brazil

ABSTRACT

Sombrics horizons (subsurface, dark and with a high content of C) have a genesis poorly understood and can be conceived as a potential sink of C in subtropical envi­ronments. The maximum accumulation of C bound to Fe and Al extracted by pyrophos­phate and oxalate solution was observed in sombric horizons of two Acrisols of Santa Catarina State (S-Brazil), but this is not in­dicative of podzolisation, andosolisation or solodisation processes or accumulation of C due hydromorphy conditions. Most of its C was found at intermediate wet oxidisable fraction (oxidisable with K₂Cr₂O₇, cold, but not by KMnO₄). Recalcitrant C (non­oxidisable and difficult oxidisable) was an important pool (20-45%), but variable into profile. Changes on land use with different input of necromass and vegetations fire ef­fects seem to be involved in its formation.

Key-words: Brazil, C fractions, C recalci­trant, oxidisable organic matter, sombric ho­rizon.

 

INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas, se han incremen­tado los estudios sobre los sistemas edáficos como fuentes y sumideros de carbono con el objetivo de mitigar los efectos del calenta­miento global y minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero resultantes de actividades antrópicas (Batjes, 1999; Lal & Kimble, 2000; Gerzabeck et al., 2006). Es­tos estudios son particularmente interesantes en regiones tropicales y subtropicales, don-de el grado de descomposición de la materia orgánica del suelo (MOS) puede ser 5 veces más elevado que en climas templados (Sán­chez & Logan, 1992; Zech et al., 1997). Uno de los horizontes presentes en suelos tropicales menos conocido y que podría te­ner un importante papel como sumidero de C en estas condiciones es el horizonte sóm­brico. Las primeras descripciones fueron realizadas en el Congo (Sys et al., 1961). La Soil Taxonomy, (USDA, 1999) los define como horizontes subsuperficiales, oscuros, de suelos minerales que se forman en condi­ciones de drenaje libre, conteniendo humus iluvial que no está asociado ni con aluminio ni con dispersión por sodio. Se asocian a condiciones de frío y humedad, en altiplani­cies o montañas de regiones tropicales y subtropicales. Parecen horizontes enterra­dos, pero en contraste con muchos de éstos, los horizontes sómbricos tienden a mantener la forma del relieve superficial (WRB/FAO, 2006).

Aunque los horizontes sómbricos son bien conocidos en áreas elevadas de África Central, poco se sabe de su génesis (Fran-kart, 1983; Smith, 1986; Baert et al., 2000). Faivre (1990) atribuye su origen en la cordi­llera andina a una posible migración y pre­cipitación de compuestos arcillo-húmicos; mientras que Caner et al. (2003) señalan, como explicación a su presencia en la India, a horizontes A enterrados que sufrieron in­tensos procesos de humificación seguidos de cambios en la vegetación. En el sur de Brasil, han sido observados horizontes sóm­bricos en distintos tipos de suelos y bajo di­ferente vegetación (Modenesi et al., 1982; Volkoff et al., 1984, Cararo & Almeida, 1996, Oenning, 2001). Volkoff & Cerri (1987) descartaron la explicación de un pa­leohorizontes A enterrado. En el Estado de Santa Catarina, horizontes oscuros subsu­perficiales son encontrados con relativa fre­cuencia, en general como horizontes de transición AB y/o BA o en la parte superfi­cial de horizontes Bt, pero con la diferencia de que aparecen a bajas altitudes, lo que re­sulta poco usual en los horizontes sómbricos descritos hasta ahora (Almeida et al., 2009, Sobrinho et al., 2009).

El objetivo del presente estudio es cuanti­ficar el contenido de carbono en Acrisoles con horizontes sómbricos del sur de Brasil y caracterizar la importancia de las formas de C presentes, especialmente de las recalci­trantes, en función del grado de oxidabilidad aplicando estos datos, junto con los de las formas de Fe y Al, a la interpretación de los procesos de formación de los horizontes sómbricos.

 

MATERIAL Y MÉTODOS

Localización y caracterización del área de estudio

Se han utilizado dos suelos localizados en el Estado de Santa Catarina (S-Brasil, 28º40’48”S, 49º18’59”O) y desarrollados a partir de sedimentos limosos con inter­calaciones de areniscas (DNPM, 1986),

que se han clasificado como Acrisoles (WRB/FAO, 2006). La vegetación natural es de bosque subtropical subperennifolio, dentro del dominio de la Mata Atlántica (SANTA CATARINA, 1986) caracteriza­da por un clima mesotérmico, con veranos calientes y sin estación seca definida (Cfa, Köppen), temperatura media anual de 16­18ºC y precipitación de 1400 mm (EM­BRAPA, 2004). Los dos suelos estudia­dos se encuentran próximos entre sí (<100 m), en la cima de una pequeña colina de­ntro de una zona de relieve suavemente ondulado (pendiente <6%); uno bajo un antiguo cultivo de eucalipto y el otro en una zona con diferentes cultivos herbá­ceos. Su principal característica es la pre­sencia de horizontes B subsuperficiales, oscuros, semejantes a horizontes sómbri­cos. En el primer suelo (A-1) los horizon­tes oscuros se encuentran a una profundi­dad de 40-60 cm (horizonte B1) y 60-80 cm (horizonte B2). En el segundo (A-2) dichos horizontes se sitúan a 50-70 cm y 70-100 cm de profundidad (horizontes B1 y B2, respectivamente). Las principales características de los perfiles estudiados se recogen en la Tabla 1.

 

Tabla 1 – Principales características físico-químicas de los perfiles estudiados

 

Métodos analíticos

Se tomaron muestras de suelo de cada horizonte. El color fue determinado en húmedo (Munsell). Cada muestra se secó al aire, tamizó (<2mm) y homogenizó. Los va­lores de pH se midieron en H₂O y KCl (re­lación suelo:agua 1:2,5). Para determinar el % de arcilla y limo se eliminó el material orgánico (con H₂O₂) y los óxidos de Fe y Al (con HCl). El contenido de C y N total (C_T y N_T) fue medido por combustión seca a alta temperatura (>1000ºC) en analizador ele­mental (LECO-Truspec). La cuantificación del Fe, Al y C ligado al material húmico (Fe_p, Al_p y C_p,) fue realizada mediante ex­tracción con pirofosfato sódico (Bascomb, 1968) determinándose los elementos metáli­cos extraídos por absorción atómica. El C fue digerido en solución ácida de K₂Cr₂O₇ y cuantificado por valoración (Bascomb, 1968). Además, se extrajeron los óxidos de Fe y Al con ditionito-citrato-bicarbonato, ob­teniendo las formas cristalinas de estos ele­mentos (Fe_d y Al_d; Mehra & Jackson, 1960), y solución de oxalato de amonio (Fe_o y Al_o; Schwertmann, 1964), cuantificados todos por espectrometría de plasma (ICP-OES).

Fraccionamiento químico del carbono

Las formas de carbono presentes en el suelo, se establecieron según el método propuesto por Macías et al. (2004) para las formas oxidables. Se parte de la hipó­tesis de que la oxidación, ya sea por pro­cesos abióticos o metabólicos, es el prin­cipal mecanismo de mineralización del carbono edáfico, por lo que las diferencias en el grado de oxidabilidad de las diferen­tes formas de materia orgánica por condi­ciones oxidantes de menor a mayor po­tencial oxidativo son indicativas de su la­bilidad o recalcitrancia. Para ello, se estu­dia la resistencia química del C a la si­guiente serie de intensidad de oxidación creciente: digestión en solución de KMnO₄, 0,2 M (OQ_perrm) (Blair et al., 1995, Tirol-Padre & Ladha, 2004), en so­lución ácida de K₂Cr₂O₇, 1,8N, en frío (temperatura ambiente) (OQ₂₅) y en ca­liente (105ºC) (OQ₁₀₅) (Walkley & Black, 1934, modificado) y combustión a 1000ºC en analizador elemental (considerado co­mo el C_T), estableciendo, por diferencia, los contenidos de C de diferente labilidad frente a la oxidación según se indica en la Tabla 2.

 

Tabla 2 -Fracciones químicas de C según su oxidabilidad

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Características físicas y químicas de los suelos estudiados

Los suelos estudiados son suelos bien desarrollados, de perfil ABC, bien drena­dos y de reacción ácida, que presentan un claro incremento de arcilla con la profun­didad (Tabla 1) y cumplen los criterios de definición de Acrisoles de la WRB, (2006). Su contenido de C es, en general, bajo, pero el color oscuro que se prolon­ga, e incluso acentúa, en los horizontes B subsuperficiales, está claramente relacio­nado con un incremento del contenido de C en profundidad (especialmente aparente en el perfil A-1) y con el mantenimiento de contenidos superiores al 1% de C hasta profundidades del orden de 1 m. La rela­ción C/N, variable entre 12 y 16, no oscila excesivamente con la profundidad, a pesar de las variaciones mostradas por el C_T y el C extraíble con pirofosfato, cuyo máximo se asocia claramente con los horizontes sómbricos.

Formas de Al y Fe indicativas de proce­sos edáficos.

Los contenidos de hierro y aluminio extraí­bles por pirofosfato, generalmente atribui­dos a formas ligadas a la materia orgánica (aunque este reactivo también puede extraer formas inorgánicas de baja cristalinidad), presentan su máximo coincidente con el máximo de C_p (Figuras. 2, 3 y 4). Esta ca­racterística podría hacer pensar en un proce­so de podsolización, con migración conjunta de complejos organoférricos y organoalu­mínicos. Sin embargo, no parece posible la existencia de este proceso, que explicaría la acumulación de materia orgánica subsuper­ficial, ya que no hay otras evidencias morfo­lógicas, y, además, la iluviación de materia orgánica debería estar inhibida por el alto contenido de partículas finas (limos y arci­llas), el pH no excesivamente ácido y la abundancia de formas de Fe y Al con grados de cristalinidad variable, todo lo cual son condiciones favorables a la rápida flocula­ción de la materia orgánica y no a procesos de iluviación podsolizante.

 

Figura 2 -Contenido de Fe (mg kg^-1) extraído con ditionito-citrato-bicarbonato (Fe_d), oxalato de amonio (Fe_o) y pirofosfato sódico (Fe_p) en los perfiles A-1 y A-2

 

Figura 3 -Contenido de Al (mg kg^-1) extraído con ditionito-citrato-bicarbonato (Al_d), oxalato de amonio (Al_o) y pirofosfato sódico (Al_p) en los perfiles A-1 y A-2

 

Figura 4 -Contenido de C (%) extraído con pirofosfato sódico y relación C_P/C_T

 

Las formas de Al_o y Fe_o (Figuras 2 y 3), también presentan su máximo en los hori­zontes subsuperficiales oscuros, con una pe­queña variación en el Fe_o de uno de los suelos. La existencia de propiedades ándi­cas en un horizonte subsuperficial podría justificar una elevada fijación de materia orgánica pero eso tampoco parece aplica­ble a los suelos estudiados, dado que el índice Al_o+½Fe_o es inferior a 0,5 (Tabla 3), muy alejado del 2% que se requiere para las propiedades ándicas (WRB, 2006), e incluso del 1% requerido para la definición de los subgrupos ándicos (US­DA, 1999). Así pues, la acumulación de complejos organometálicos subsuperficial no puede relacionarse con propiedades ándicas producidas por el aporte de mate­riales téfricos.

 

Tabla 3 -Contenido de Fe y Al determinados por extracción con ditionito-citrato-bicarbonato (Fe_d, Al_d), oxalato de amonio (Fe_o, Al_o) y pirofosfato sódico (Fe_p, Al_p)

 

Los valores de pH (ácidos) y la morfo­logía, con ausencia de coloraciones que indiquen propiedades redoximórficas, también descarta un proceso de moviliza­ción ligado a procesos de alcalinólisis con solodificación, y los de acumulación de materiales límnicos en procesos hidro­mórficos de condiciones subóxicas, de­biendo concluirse que en el proceso de acumulación de materia orgánica deben descartarse todos los procesos conocidos de iluviación de materia orgánica en pro­cesos edáficos.

Según Almeida et al. (2009), el hecho de que las concentraciones de Fep y Alp sean substancialmente mayores que las de Fe o y Alo evidencia que las formas de Fe y Al no cristalino se encuentran, principalmen­te, asociadas a compuestos orgánicos, lo que se confirma por la coincidencia en la zona de acumulación del Cp, Alp y Fep. Por otra parte, la baja relación entre las formas de Feo respecto a las de Fed (< 15%) indica que la mayor parte del hierro se presenta en formas cristalinas.

Fraccionamiento químico del carbono

La concentración de C obtenida con los diferentes agentes oxidantes empleados mostró, a lo largo del perfil, un comporta­miento general similar al del C_T, acumu­lándose en los horizontes subsuperficiales oscuros, pero sin que puedan realizarse conclusiones definitivas.

El porcentaje de formas de C fácilmente oxidables (C_FO), en el suelo A-1, desciende con la profundidad (Figura 5), poniendo de manifiesto que las formas más lábiles están relacionadas con el aporte actual de materia orgánica fresca. En los horizontes sóm­bricos su porcentaje es muy reducido (< 5%); sin embargo, en el suelo A-2, el por­centaje máximo de CFO se produce en el horizonte sómbrico. Estas diferencias po­drían ser atribuidas al tipo, intensidad y lo­calización del aporte de necromasa reciente (superficial o rizosférico), asociado al dife­rente uso del suelo. Las formas de oxidabi­lidad intermedia (COI), son mayoritarias en todo el suelo, sin que existan diferencias significativas entre los horizontes superfi­ciales y los subsuperficiales oscuros, des­cendiendo a valores mínimos en los hori­zontes inferiores. Las formas más recalci­trantes, las formas de C_DO y de C_NO, se en­cuentran en porcentajes importantes en todo el perfil, descendiendo fuertemente con la profundidad e indicando una clara dife­renciación entre los horizontes profundos árgicos y los sómbricos, que, al menos desde el punto de vista textural, funcionan como la parte superior del árgico.

 

Figura 5 – Contenido de C_T y distribución de las formas de C en A-1 (a) y A-2 (b)

 

CONCLUSIONES

La mayor parte del C de los horizontes sómbricos se encuentra ligada a los com­ponentes oxidables con K₂Cr₂O₇ en frío y KMnO4, donde también aparecen los máximos de C extraíble con pirofosfato; es decir, el conjunto de formas lábiles frente a la oxidación que parecen estar más clara­mente relacionadas con la intensidad de los aportes recientes de necromasa y con el C humificado. Las formas de C no oxidables y las difícilmente oxidables de los horizon­tes sómbricos representan porcentajes muy diferentes en los suelos estudiados, por lo que puede concluirse que en los horizontes sómbricos existen formas recalcitrantes, pero que su concentración está afectada por el tipo de uso del suelo. También resul­ta significativo que en los horizontes árgi­cos, más profundos, estas fracciones pue­den representar un porcentaje significativo del total de materia orgánica existente pe­ro, dado su bajo contenido total, resulta poco relevante desde el punto de vista del secuestro de C.

Los datos analíticos obtenidos permiten concluir que la acumulación de C de los horizontes sómbricos no se produce por procesos de podsolización, andosolización de cenizas o materiales téfricos aportados, solodización con dispersión de la materia orgánica por medio de sodio o depósitos de materiales límnicos o similares en condi­ciones de hidromorfía subóxica. En cam­bio, hay importantes diferencias a corta distancia, lo que podría estar relacionada con las condiciones de aporte de la necro­masa, debiendo realizarse más estudios de la naturaleza de la vegetación original, la zona de aporte (superficie o rizosfera), y la importancia y naturaleza de los incendios forestales (fuegos de copa, combustión en profundidad, aporte de ácidos piroleñosos o incluso consecuencias de la alcaliniza­ción producida por las cenizas sobre la ma­teria orgánica preexistente, etc.). La vege­tación y uso del suelo actual enmascara gran parte de estos procesos.

 

AGRADECIMIENTOS

A Carmen P. L. (USC) y Petra M. (TUM) por su apoyo dentro del laboratorio.

 

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