Influencia de los factores de formación y uso del suelo en las propiedades ándicas, formas y mecanismos de estabilización de carbono en suelos del noroeste de la Península Ibérica

Resumo

En Galicia, la presencia de suelos con propiedades ándicas se encuentra ligada a la existencia de rocas básicas o ultrabásicas, de origen no volcánico, fácilmente alterables. Los conocimientos geológicos actuales sobre las rocas de carácter básico y ultrabásico, están basados principalmente en los trabajos que Parga Pondal realizó entre 1956 y 1966, continuados posteriormente por la escuela de Leiden (Koning, 1966), quienes las clasificaron en función de sus características mineralógicas y el tipo de asociación que presentan. Entre los grupos establecidos, el más importantes es el grupo del Lopolito, formado por un núcleo central de gabros y noritas rodeado por formaciones metamórficas (anfibolitas, gneis de biotita principalmente) y en el que los afloramientos principales son Barrañán, Carballo, Monte Castelo, Santiago-Ponte Ulla, Melide-Sobrado y las bandas de Irixoa, Rodeiro, Pontedeume, Xubia y Valdoviño. La presencia de minerales muy lábiles junto con unas características climáticas adecuadas, elevada humedad relativa (> 80 %) y una temperatura media suave (entre 10,4 y 16,2 ºC) (Carballeira y col., 1983; Martínez-Cortizas, 1987 a y b; Martínez-Cortizas y Pérez Alberti, 2000), abundante materia orgánica, buen drenaje y una elevada actividad microbiana, provoca que la cinética de alteración sea más rápida que la de la neoformación de los productos secundarios, que, por otra parte, se encuentra ralentizada por la formación de complejos organometálicos, entre los productos de alteración y los componentes orgánicos del suelo, originando la estabilización de ambos intermediatos (Macías y col., 1978; García-Rodeja y Macías, 1984). Como resultado se produce un proceso de amorfización muy intenso que conduce a la destrucción de las estructuras cristalinas y a la formación de coloides de bajo grado de orden (Macías y col., 1978), dando lugar a suelos caracterizados por la presencia de carga variable, una elevada reactividad frente a aniones (F-, PO4-3, SO4-2, etc.), baja densidad, con propiedades tixotrópicas, hidrófobos tras ser desecados y con elevados niveles de Al soluble en oxalato amónico. En definitiva, se originan suelos que cumplen todos los requisitos para ser clasificados como Andosoles (García-Rodeja y col., 1987). Las propiedades ándicas de los suelos de Galicia encuentran su mayor expresión cuando se trata de superficies fuertemente rejuvenecidas por procesos de erosión (Macías y Calvo de Anta, 1992), lo que sucede con mucha frecuencia. Las elevadas precipitaciones, las talas indiscriminadas, el pastoreo excesivo, la puesta en cultivo de zonas forestales y los incendios forestales (Macías y Calvo de Anta, 1992), así como la casi continua sucesión de laderas y valles surcados por una amplia red hidrográfica, dan lugar a la existencia de importantes procesos de rejuvenecimiento de los suelos, tanto en las zonas de mayor pendiente, que son erosionadas, como por la acumulación de materiales en superficie en posiciones de ruptura de pendiente y en las bases de las laderas, lo que conduce a la aparición de líneas de piedras que separan ciclos de formación de suelos (Guitián, 1967; Puga y col., 1978). El reciente reconocimiento internacional del importante papel que las variaciones de los stocks de carbono en el suelo juegan en las emisiones/inmisiones de CO2 a/de la atmósfera ha acrecentado el interés por el estudio de estos suelos, concretamente en la caracterización y cuantificación de las fracciones orgánicas de los mismos. En esta línea, es de gran interés, no sólo profundizar en el conocimiento de los mecanismos de estabilización de la materia orgánica en los suelos con propiedades ándicas, ya iniciado por varios grupos de investigadores, p.e., Wada y Aomine (1973), Boudot y col. (1989), Zech y col. (1997) y Torn y col. (1997), entre otros - con el fin de favorecer el desarrollo de los mismos, sino además, fomentar la protección de estos suelos y evitar que una mala gestión de lugar a que estos suelos de alta capacidad de retención de C se degraden o pierdan cualidades y pasen a actuar como fuente en lugar de sumidero de carbono. Las perturbaciones que se producen en los ecosistemas terrestres naturales como consecuencia del cambio de uso de suelo (incendios, laboreo, encalado, fertilización, erosión, etc.) afectan de forma contundente a la dinámica del C orgánico de los mismos, produciéndose, generalmente, una disminución de sus contenidos (Parfitt y col., 1997; Verde y col., 2005), lo que supuso durante las décadas de los 80 y 90 unas emisiones netas de C hacia la atmósfera de 1,7 Gt C año-1 y 1,6 Gt C año-1 respectivamente (Houghton, 1999; Houghton y col., 2000). Además, la materia orgánica del suelo es un elemento fundamental que contribuye a mantener la estructura del suelo y los agregados (Tisdall y Oades, 1982; Elliot, 1986), un correcto flujo de agua y aire a través del perfil de suelo, la capacidad de retención de agua y reduce el efecto de los procesos erosivos (Gregorich y col., 1994; Kay, 2000). La estrecha relación entre los contenidos de materia orgánica y las propiedades físicas y químicas del suelo sugiere que una disminución de los contenidos de C orgánico, como consecuencia del cambio de uso de suelo, lleve asociado una merma de las propiedades físicas relacionadas, como el aumento de la densidad aparente y una disminución de la porosidad, infiltración de agua y de la capacidad de almacenamiento de agua (Franzluebbers, 2002; Wall y Heiskanen, 2003; Celik, 2005). Todo ello justifica el desarrollo del presente trabajo de Tesis Doctoral cuyos objetivos fundamentales son: 1.- Cuantificar en qué medida afectan el material de partida, las condiciones climáticas, el tipo de vegetación y el grado y tipo de desarrollo del suelo al desarrollo de las propiedades ándicas. 2.- Cuantificar el efecto que el cambio de uso de suelo, de forestal a agrícola, tiene sobre las propiedades ándicas de los suelos desarrollados a partir de rocas básicas de Galicia. 3.- Determinar qué factores determinan la pérdida de las propiedades ándicas tras el cambio de uso y cuáles son las propiedades y componentes que se modifican a medida que lo hacen las propiedades ándicas. 4.- Cuantificar las pérdidas y ganancias relativas de elementos químicos en suelos desarrollados a partir de litologías similares, rocas básicas fundamentalmente, y bajo diferentes condiciones climáticas y de uso de suelo. 5.- Comparar la composición de la materia orgánica de suelos que, si bien están desarrollados a partir de un mismo material de partida, presentan diferencias en cuanto al tipo de uso que se hace de ellos y cuantificar cuales de sus constituyentes son más sensibles a dicho cambio de uso. Para cuantificar en qué medida afectan el material de partida, las condiciones climáticas, el tipo de vegetación y el grado y tipo de desarrollo del suelo al desarrollo de las propiedades ándicas se han seleccionado 28 perfiles (20 en Galicia y 8 en el NE de Portugal) de suelos desarrollados sobre diferentes tipos de materiales de partida de carácter básico y ultrabásico (gabros, anfibolitas, granulitas, serpentinas, esquistos y gneis) para realizar un estudio sobre la variabilidad de las propiedades ándicas en función de la climatología, uso y vegetación. Los resultados obtenidos muestran diferencias significativas en relación con las distintas formas de Al, C y composición mineralógica entre los diversos suelos. De esta forma, los suelos desarrollados sobre gabros, anfibolitas, granulitas e incluso gneis, presentan mayores cantidades de formas de Al reactivas, ligadas fundamentalmente a complejos Al-humus estables (relaciones Alp/Alo próximas a 1) y a minerales de bajo grado de orden (alofano), patentes en el análisis mineralógico de la fracción arcilla, en comparación con los restantes grupos de suelos (serpentinas y esquistos). Además estos suelos presentan mayores cantidades de C orgánico constituido principalmente por formas de C no oxidable y difícilmente oxidables, lo que se debe a la estabilización de la materia orgánica del suelo por formas de Al reactivas, mediante la formación de complejos Al-humus, y por la adsorción de ésta sobre la superficie de minerales de bajo grado de orden. En contraposición, suelos sobre serpentinas y esquistos, que presentan cantidades de C orgánico significativamente inferiores, y dada la ausencia de minerales de bajo grado de orden y de complejos Al-humus, las formas de C más estables se encuentran ligadas principalmente a la fracción mineral del suelo, generalmente a la fracción limo. Estas diferencias se deben principalmente a la existencia de regímenes ombrotérmicos bien diferenciados, de carácter húmedo o muy húmedo en los perfiles gallegos y de carácter seco o muy seco en Portugal. Las altas precipitaciones y las temperaturas suaves durante gran parte del año en suelos de Galicia favorecen, por un lado, la rápida meteorización de los materiales de partida, facilitando la liberación de formas reactivas de Al y la formación de complejos Al-humus y minerales de bajo grado de orden, y, por otro, una buena producción primaria, fuente del C orgánico. En los suelos de Portugal, la ausencia de precipitaciones dificulta tanto los procesos de meteorización del material de partida como el desarrollo de la vegetación. Un caso especial son los suelos sobre serpentinas de Galicia en los que, aunque presentan un régimen ombrotérmico que favorece los procesos de meteorización y la producción primaria, la carencia de Al en el material de partida junto con el exceso de Mg+2 en el complejo de cambio y la posible toxicidad por metales pesados característico de este tipo de suelos, que dificultan el desarrollo de la vegetación, conducen tanto a la escasez de C orgánico como de complejos A-humus. Todo ello conduce a que los suelos desarrollados sobre gabros y anfibolitas cumplan todos los criterios para propiedades ándicas y pueden ser clasificados como Andosoles, salvo el perfil de Goias I que por cuestiones de espesor solamente puede ser clasificado como Leptosol ándico. Los suelos sobre granulitas y gneis, aunque muchos de ellos cumplen alguno de los criterios para propiedades ándicas, se engloban dentro del Orden Umbrisol y los suelos sobre serpentinas y esquistos permanecen dentro del Orden Leptosol dada la naturaleza esquelética de los mismos. La materia orgánica (OM) de los suelos con propiedades ándicas ha sido considerada a lo largo del tiempo altamente estable debido a la presencia de complejos Al-humus y a la sorción de ligandos orgánicos sobre componentes amorfos. En este estudio, caracterizamos, además, suelos bajo diferentes tipos de uso de la tierra localizados entre un macizo anfibolítico cercano a Santiago de Compostela (España), donde están presentes los suelos con propiedades ándicas. La agricultura de corta y quema era una práctica común en la zona hasta la segunda mitad del siglo XX. De ahí en adelante, la agricultura moderna fue progresivamente introducida en el área (suelos AGR), y el resto de la tierra fue reforestada o abandonada (suelos FOR). Encontramos que el contenido principal de C orgánico de suelos AGR (48.7 g kg-1) era -50% que de suelos FOR (94.2 g kg-1). El principal pH del suelo era significativamente mas grande (P<0.05) en los suelos AGR que en los FOR (4.95 comparado con 4.63), lo cual se atribuye al encalado y a la fertilización calcio-fosfatada del granjero. Las principales concentraciones de las formas de aluminio estudiadas (extraídas con CuCl2, pirofosfato sódico, oxalato amónico, o NaOH) eran significativamente más pequeñas (P<0.01) en suelos AGR (1.4, 4.9, 9.3, 11.0 g kg-1, respectivamente) que en suelos FOR (3.9, 10.2, 16.5, 17.9 g kg-1, respectivamente). Los resultados muestran la vulnerabilidad de la MO y de los complejos Al-humus de estos suelos a las modernas prácticas AGR, lo cual ha conducido a la atenuación-y en algunos casos incluso a la desaparición-de las propiedades ándicas del suelo en un tiempo relativamente corto (<30 años) tras los cambios en el uso/manejo del terreno. Nosotros proponemos la inclusión del elemento formativo "andic" en el criterio para la definición de las subunidades Umbrisol; esto evitaría la abrupta discontinuidad observada en la actual clasificación de la World Reference Base. Con la finalidad de comprobar cuál o cuáles son las prácticas agrícolas que interfieren en la estabilidad de los complejos organo-alumínicos de un suelo ándico, se ha realizado un experimento, a lo largo de 16 semanas, en el que se han incubado, por duplicado, 9 submuestras del horizonte A de un Typic Fulvudand con diversos tratamientos que simulan las prácticas agrícolas más usuales (L: laboreo, E: encalado, F: fertilizado y E+F: una combinación de ambos), en combinación con tratamientos térmicos (T), con la finalidad de ver el efecto de las oscilaciones térmicas derivadas de la pérdida de la cobertura vegetal tras el cambio de uso de suelo. Una de las submuestras fue utilizada como control (Ctrl) y en ella solamente se simuló el efecto de la lluvia, parámetro común a las restantes submuestras. Los resultados obtenidos muestran diferencias significativas entre los tratamientos. Se observó una fuerte acidificación en las muestras en las que no se aplicó ningún tipo de enmienda química (Ctrl, L y L+T) así como un fuerte descenso de los valores de AlLa y AlCu, sobre todo en los tratamientos en los que se adicionó E (con y sin T), lo que sugiere que son los complejos organo-alumínicos más lábiles los más sensibles a este tipo de tratamientos , al menos a corto plazo. Por otra parte, se detectó una mayor liberación de Ca+2 hacia los lixiviados en las submuestras con E+F (con y sin T), como consecuencia de la acidificación que tiene lugar durante el proceso de nitrificación y que favorece la disolución del CaCO3, así como un incremento del Mg+2 en los lixiviados de las submuestras con F (con y sin T), al ser desplazado de las posiciones de cambio por el NH4+ aportado por el fertilizante. Se observó que las concentraciones de SO4-2 presentes en los lixiviados estaban directamente relacionadas con la adición de F (con y sin T), lo que se atribuyó al desplazamiento que sufre este anión por el PO4-3 contenido en el fertilizante. Por último, existe una tendencia clara hacia la formación de gibbsita como fase mineral más estable, lo que se atribuye, por un lado, a la liberación del Al contenido en los complejos organo-alumínicos más lábiles y, por otro, a los procesos de desilificación de aluminosilicatos como la caolinita. The objective of this study was to determine to what extent the attenuation or loss of andic soil properties caused by land use change - from forest (FOR, average C content 118.2 ± 23.7 g kg-1) to agricultural (AGR, average C content 55.7 ± 16.7 g kg-1) use - is reflected in soil organic matter (SOM) at the molecular level. For this, NaOH-extractable SOM of A horizons from seventeen soils developed on amphibolitic parent material in NW Spain was studied by pyrolysis gas chromatography spectrometry (Py-GC/MS). We also included two buried andic A horizons (PAL, 2200 cal BP in age) on the same parent material, as a reference of the molecular composition of SOM from soils without recent litter additions. Organic matter of PAL soils had a composition largely different from that of superficial soils (FOR and AGR), with an important relative contribution of microbial polysaccharides and N-compounds, and an absence of compounds that characterize fresh plant litter (e.g. lignins). In the superficial soils, the relative contribution of lignin derivative compounds was greater in AGR than in FOR soils. Differences were also observed in the relative contribution of aliphatic compounds, being FOR soils enriched in this type of components compared to AGR soils. The results indicated that land use change from FOR to AGR, which was accompanied by a decrease in total SOM, resulted in an enrichment in primary SOM. The smaller relative abundance of primary SOM derivatives in andic FOR soils indicates that these compounds were quickly degraded in Andisols. Por último, para comparar la composición de la materia orgánica de suelos que, si bien están desarrollados a partir de un mismo material de partida, presentan diferencias en cuanto al tipo de uso que se hace de ellos y cuantificar cuales de sus constituyentes son más sensibles a dicho cambio de uso, se realizó un estudio mediante Pirólisis sobre la materia orgánica de horizontes A, extractable con NaOH, de diecisiete suelos, bajo diferentes tipos de uso (forestal: FOR y agrícola: AGR) desarrollados sobre material original anfibolítico fue estudiado. También incluimos dos horizontes A ándicos enterrados (PAL) desde hace aproximadamente 2200 años y desarrollados en el mismo material original, que fueron tomados como referencia de la composición molecular de la MOS de suelos sin adiciones recientes de biomasa vegetal fresca. La material orgánica de suelos PAL tenía una composición ampliamente diferente de la de los suelos superficiales (FOR y AGR), con una importante contribución relativa de polisacáridos microbianos y componentes nitrogenados, y ausencia de componentes que caracterizan la hojarasca fresca de la planta (ej. Ligninas). En los suelos superficiales, la contribución relativa de componentes derivados de lignina era más grande en suelos AGR que en suelos FOR. Las diferencias fueron observadas también en la contribución relativa de los componentes alifáticos, estando los suelos FOR más enriquecidos en este tipo de componentes comparado con los suelos AGR. Los resultados indicaban que el cambio de uso de suelo de FOR a AGR, el cual estaba acompañado por un descenso en la materia orgánica total del suelo, resultaba en un enriquecimiento de la materia orgánica primaria del suelo. La menor abundancia relativa de material orgánica primaria en suelos FOR ándicos indica que estos componentes eran rápidamente degradados en Andisoles. BIBLIOGRAFIA: Boudot, J.P., Bel Hadj, B.A., Steiman, R., Seigle-Murandi, F. 1989. Biodegradation of synthetic organo-metallic complexes of iron and aluminium with selected metal to carbon ratios. Soil Biology and Biochemistry. 21: 961-966. Carballeira, A., Devesa, C., Retuerto, R., Santillán, E., Ucieda, F. 1983. Bioclimatología de Galicia. Fundación Pedro Barrié de la Maza. La Coruña. 361 pp. Celik, I., 2005. Land-use effects on organicmatter and physical properties of soil in a southern Mediterranean highland of Turkey. Soil Tillage Research. 83: 270-277. Elliot, E. T. 1986. 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