MODELADO DE LA DINÁMICA DEL CARBONO ORGÁNICO EN SUELOS USANDO INFORMACIÓN ISOTÓPICA:

APLICACIÓN EN PASTIZALES FORESTADOS

Esteban G Jobbágy – Marcos G RizzottoGrupo de Estudios Ambientales – Instituto de Matemática Aplicada San Luis Universidad Nacional de San Luis & CONICET

Gervasio Piñeiro – Jose M. ParueloIFEVA, Facultad de Agronomía - Universidad de Buenos Aires & CONICET

Robert B JacksonDepartment of Biology - Duke University, North Carolina

El problema ecológico

Suelo: 2100 Gton C

Mas que atmósfera + biota

componentes y dinámica?

Que papel juega en el ciclo global del C?

Como podemos favorecer el secuestro de C en el suelo?

750 Gton

500 Gton

2100 Gton (*)

?

* jobbagy & jackson – 2000 Ecol Appl

El problema metodológico

Conjunto quimicamenteheterogéneo

Muchos procesos simultáneos

Fácil medir cajasDifícil medir flujos….

Pero…

experimentos “naturales”

trazadores “naturales”

pastizales forestadosde la pampa húmeda

el “truco” del tiempo x espacio…

pastizalespecies C3 y C4(mezcla 50:50)menor discriminación de 13C

forestaciónEucaliptus sp.especie C3mayor discriminación de 13C

Estudio en 4 sitios (pares de stands)5 (pseudo)replicas por stand Suelo: 0-5-10-20-35-50-75-100 cm, mantillo y horizonte Oh (orgánico)densidad aparente[C] y [N] Carlo Erba Elemental Analyzer – [13C] y [15N] Finnigan MAT Delta Plus XL (DUKE UNIV)

Desafío: Conozco cambios en el stock de C (S), cómo puedo conocer ingresos (I), perdidas (P), tasas de renovación (1/k), Tras la perturbación (t0)?

3P = S*k

4 No hay transporte vertical

5 No hay erosión

6 Cambio instantáneo en t0 y valor constante luego para I, rI y k

7 Mezcla perfecta en S

8 No hay discriminación en el suelo

Stock C orgánico del suelo (S)

Ingresos (I) Perdidas (P)

I, P, S corresponden a 12C+13C (Kg/m2)13C/12C de estas variables se definen como rI, rP, rS

1 prod primaria-aerea y subt- en estrato 1-subt – en estrato >1

2respiración

Una solución analítica para representar el sistema

Solución 100% analítica, exacta, sin parámetros ajustables

En nuestro caso, para tiempo = 0 (establecimiento)y para tiempo = X (edad al muestreo)conocemos S y S*Además conocemos rI (I*/I)

Queremos averiguar I y k, y así proyectar S en otras tiempo/condiciones

Para 12C

dS/dt = I – k S(t)

Para 13C

dS*/dt = I* – k S*(t)

rI =

1

1

1ln

1

o

X

o

X

o

X

rS

rS

rSrI

rSrI

S

S

Xk

)exp(1

)exp(..

kXrI

kXrSSrSSkI ooXX

rS

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 800

20

40

60

80

100

0 20 40 60C orgánico en suelo - Kg C / m3 C orgánico en suelo - Kg C / m3

diferencias significativas p<0.05

pastizal (t=0)

forestación (t=50 o 97 años)

CASTELLI (50 años) GUERRERO (97 años)

Pro

fun

did

ad

(cm

)

0

100

-32-28-24-20-16

(rS y rI) ∂13C ‰

(rI)

-28-24-20-16

0

100

(rS y rI) ∂13C ‰

(rI)

Pro

fun

did

ad

(cm

)

Aplicación del modelo

• Descenso de I en profundidad (en Guerrero 480, 219, 103, 42, 25 y 16 g/m3 por estrato)

• I es menor en Guerrero (monte de baja densidad sujeto a cosecha…)

• Muy bajos Ingresos respecto a los valores conocidos de producción

En 0-20, I = 450-900 Kg C/Ha/año Productividad primaria neta aérea de aprox 5000 Kg C/Ha/año Biomasa raíces (<0.5 cm diámetro) 4500 Kg. C/Ha/año

• Tiempo de renovación mas rápido en superficie

• Valores similares en ambos sitios

Estrato Ingreso (I) t renov. (1/k)

(cm) (KgC/Ha/año) (años)

  Castelli Guerrero Castelli Guerrero

0-5. 477 240 106 80

5-10. 147 109 181 194

10-20. 276 103 242 206

20-35. NC 63 NC 144

35-50. NC 38 NC 117

50-75. NC 41 NC 236

75-100. NC NC NC NC

El problema del error (2-3 meses de trabajo…)

La estimación del error por “propagacion de errores” y por “acotacion” arroja valores 2-3 ordenes de magnitud mas altos que el valor de los parámetros I y k.

OJO: Medimos independientemente el carbono total (13C + 12C) y su composición (13C:12C)

Se propone la búsqueda de una banda de error a partir de la aplicación del modelo a todas las trayectorias posibles entre pares de muestras individuales para la situación inicial y final (todos contra todos)

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 20 40 60 80 100 120 140

1/k

I

5-5

5-44-4

2-42-54-5

1-4

3-4

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

-2000 -1000 0 1000 2000 3000

1/k

I

I = 497±901/k = 255±800

I = 512±101/k = 84±23

Se remueven X-4 y X-5

Conclusiones y pasos a seguir

•Las forestaciones mantienen o aumentan ligeramente el C del suelo•Se detectan cambios isotópicos (0-20 cm en 50 años, 0-75 en 100 años)•Modelo de “una caja” como primer paso: capaz de representar sistemas simples capaz de identificar erosión o lixiviación cuando son importantes (entre otros supuestos fallidos)

•En forestaciones permitió calcular ingresos y tasas de renovaciónIngresos bajos en relación a productividad (<10%). explicables por herbivoría o saprofitismo? fracción lábil (1/k < 50 años) con pobre transferencia a fracciones estables?

•Las forestaciones no serian muy efectivas secuestrando C en el suelo

Ingresos (I)Perdidas rápidas (P r)

(S r)rapida

(S l)lenta

Perdidas lentas (P l)

k1

k2k3

transferencia

• Modelo de dos cajas (solución analítica disponible – sin parametros ajustables)

Fin!

jobbagy@unsl.edu.arrizzotto@unsl.edu.ar

4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100 Castelli (50 years)

4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100 Chascomus (48 years)

4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100 Guerrero (97 years)

4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100 America (48 years)

de

pth

(cm

)d

ep

th (

cm)

∂15N ‰ ∂15N ‰

grassland

tree plantation