La respiración es un indicador sensible e integrador de la calidad de suelos. Qué factores inciden y cómo se mide

FUENTE : REVISTA MUNDOAGRO

La funcionalidad de un suelo es definida como su capacidad para proveer las funciones claves para el ecosistema, entre ellas la productividad biológica, el ciclaje de nutrientes, la estabilidad física y el desarrollo y productividad de las plantas. Cerca del 80% de los servicios ecosistémicos están relacionados con el suelo y su actividad biológica por lo que la respiración de suelos, que integra dicha actividad resulta ser un indicador muy útil para evaluar la funcionalidad, la salud y la fertilidad del suelo.

Todos los organismos vivos respiran, es decir utilizan el carbono de los alimentos o sustratos para oxidarlo, normalmente de manera aeróbica, empleando el O₂ como aceptor de electrones, produciendo energía, biomasa, CO₂ y agua. Este mismo proceso lo realizan todos los organismos vivos del suelo, incluyendo raíces, insectos, lombrices y microorganismos, por eso se hace referencia a que el suelo también respira.

LA CLAVE, LA MATERIA ORGÁNICA

En general, cuando se habla de respiración de suelo, se hace referencia a la producción de dióxido de carbono (CO₂), que está relacionada con la actividad de productores primarios en la cadena trófica, la regulación del clima y el ciclaje de nutrientes. Los microorganismos aeróbicos del suelo emplean la materia orgánica como fuente de energía para el crecimiento y funciones básicas: la respiración, que produce dinámicamente CO₂ en el proceso, constituye la respiración heterotrófica.

El CO₂ también proviene de la respiración de las raíces de las plantas (respiración autotrófica), los organismos de la mesofauna y, eventualmente, de la disolución de los carbonatos inorgánicos en la solución del suelo (Figura 1). La respiración basal es en su mayoría producto del flujo de la respiración heterotrófica y es definida como la tasa de emisiones de CO₂ relacionadas con la descomposición microbiana de la materia orgánica en un suelo libre de raíces (Creamer et al., 2014).

La respiración está directamente asociada a la degradación de la materia orgánica, ya sea en ambientes aeróbicos o anaeróbicos, donde cambia el aceptor de electrones disponible. En el caso de ambientes aeróbicos el aceptor de electrones es el oxígeno molecular (O₂), mientras que en ausencia de O₂ (ambiente anaeróbico) los aceptores de electrones pueden ser compuestos que contengan oxígeno, tales como NO₃^–, SO₄^-2, o H₂O. En este último caso ocurre la liberación de CO₂, CH₄, H₂S y otros gases en simultáneo con la nueva formación de tejidos microbianos.

En suelos agrícolas (a excepción de cultivos como arroz bajo inundación, donde se produce un ambiente anaeróbico), la respiración aeróbica utiliza las distintas fuentes de C disponibles y produce dióxido de carbono (CO₂). La materia orgánica del suelo (SOM) es la principal fuente de C para los microorganismos, que la descomponen produciendo biomasa microbiana y CO₂.

¿QUÉ MIDE LA RESPIRACIÓN DE SUELOS?

La respiración de suelo se emplea como método para determinar los cambios en la producción de CO₂ en un volumen determinado de suelo y en un cierto período de tiempo, por lo tanto, es una medida directa de la actividad biológica y la descomposición de la materia orgánica. Se expresa como el carbono de CO₂ producido en una determinada unidad de volumen en el tiempo (C-CO₂ Kg/ha/d).

FACTORES QUE AFECTAN LA RESPIRACIÓN DE SUELOS

Existen diferentes factores que impactan la respiración de suelos, como el clima, la cantidad de materia orgánica, temperatura, humedad, salinidad, pH, aireación, la estacionalidad y, por supuesto, la actividad biológica, por lo que esta propiedad de suelo varía no solo según la estación del año sino incluso durante el día.

• Temperatura: La respiración microbiana se incrementa más del doble por cada 10°C de incremento de la temperatura hasta un máximo de 35-40°C, temperaturas límite para el crecimiento de plantas y organismos.

• Humedad: La respiración de suelos se incrementa con la humedad del suelo hasta que los poros se saturan de agua limitando la disponibilidad de oxígeno, la facilidad para transferirlo a los organismos y la habilidad para respirarlo. La humedad ideal está cerca de la capacidad de campo o cuando aproximadamente 60% del espacio poroso está lleno con agua. Si el agua ocupa más del 80% del espacio de poros, se produce un ambiente anaeróbico y los organismos aeróbicos cambian el metabolismo, mientras que aquellos capaces de utilizar nitrato (NO₃) en lugar de oxígeno, reducen el NO₃ hasta producir gases nitrogenados como oxido nitroso (N₂O) y N₂, lo que resulta no solo en pérdidas de N sino también en la producción de gases de efecto invernadero. Este proceso se conoce como desnitrificación. Cuando la humedad es baja, la respiración también disminuye, debido a que los organismos reducen su actividad biológica y sus funciones metabólicas.

• Textura: Los suelos de textura media (suelos limosos y francos) son a menudo favorables para la respiración del suelo debido a su buena aireación y alta capacidad de agua disponible. En suelos arcillosos, la arcilla protege la materia orgánica de la descomposición limitando la respiración del suelo y mineralización (amonificación) de N orgánico. De igual forma, en suelos arenosos, típicamente bajos en SOM y con baja capacidad de agua disponible, se limita la respiración del suelo al igual que la mineralización de N.

MÉTODOS DE MEDICIÓN

La respiración de suelo se puede determinar por métodos simples o sofisticados, tanto en campo como en laboratorio. Durante la descomposición de la materia orgánica, los nutrientes orgánicos que se encuentran en la materia orgánica, como por ejemplo en forma de aminoácidos, ácidos nucleicos, carbohidratos, etc., son convertidos a formas disponibles de nutrientes inorgánicos (NH₄, SO₄, PO₄, NO₃, entre otros), todos disponibles para las plantas, en un proceso conocido como mineralización. En relación con el C, la respiración también es un proceso de mineralización del C, en el que se oxidan los sustratos para liberar estructuras carbonadas para ser usadas por los microorganismos del suelo.

Para medir la capacidad de respiración de un suelo se utiliza el producto del proceso: el CO₂. Para determinar los cambios de CO₂ en un volumen de suelo en un periodo de tiempo, se emplean muestras de suelo tomadas de manera que sean altamente representativas de las condiciones de manejo, riego, uso, etc., del suelo y se pueden analizar por diferentes técnicas:

• Cromatografía de gases.

• Analizador de gases con infrarrojo (IRGA- Infrared gas analyzer).

• Sensores de CO₂

• Métodos de titulación.

La cromatografía de gases es un sistema de medición costoso, sobre todo cuando se requiere para alto numero de muestras. Los sensores ofrecen mediciones del flujo integrados y son utilizados para determinar respiración en sistemas forestales y agrícolas con limitantes en el costo.

 Los métodos de titulación utilizando hidróxido de potasio KOH o hidróxido de sodio NaOH, son simples, no requieren de cromatógrafo, aunque implican algunos requerimientos de laboratorio y espacio y a veces subestiman la producción de CO₂.

En este caso, el CO₂ reacciona con la base produciéndose carbonato de sodio (o potasio) y agua.

El procedimiento incluye la titulación de la base remanente con un HCl diluido. A mayor cantidad de base presente (mayor volumen de ácido gastado), menor es la producción de CO₂ y viceversa.

LA RESPIRACIÓN COMO INDICADOR DE LA CALIDAD DE SUELOS

La respiración de suelos es un indicador potente que refleja múltiples funciones del suelo. Está asociada a la diversidad y actividad biológica del suelo, no solo de microorganismos sino también de plantas y animales. Describe el nivel de la actividad microbiana, relacionándose también con el contenido y la labilidad de la materia orgánica y procesos como la tasa de mineralización de N o C y, en general, el ciclaje de nutrientes en el suelo.

Una alta respiración está relacionada con alta descomposición de la materia orgánica, causada ya sea por temperaturas elevadas (en suelos tropicales o en estaciones cálidas la degradación de la materia orgánica se acelera, mientras en invierno o zonas altas la descomposición es más lenta) o por destrucción de los agregados del suelo, vía arado, los cuales dejan expuesta materia orgánica que antes estaba protegida en los agregados, de paso oxigenando el suelo. En los dos casos, ocurre pérdida de la materia orgánica, se reduce la agregación y se limita la disponibilidad de nutrientes para las plantas y microorganismos, lo que resulta también en efectos negativos sobre la producción de los cultivos, cuando no hay otras fuentes de nutrientes.

La respiración de suelo tiende a ser mayor en la banda de cultivo que la entrehilera debido a la contribución de exudados (fuente de C lábil) que hacen las raíces de las plantas a la rizosfera. De igual forma, en suelos de baja fertilidad, la aplicación de sistemas integrados de manejo y aplicación adecuada de fertilizantes químicos, también estimulan el desarrollo de raíces. Por el contrario, el exceso de nutrientes afecta negativamente la respiración, no solo por la disminución de pH, sino además porque pueden generar ambientes salinos que afectan la actividad microbiana.

Bajas tasas de respiración de suelos en general indican que existe poca o ninguna materia orgánica en suelo (SOM) disponible o que la actividad microbiana del suelo es particularmente pobre probablemente porque existen otras propiedades como temperatura, humedad, salinidad, aireación, textura, disponibilidad de N, que limitan la actividad biológica y la descomposición de la materia orgánica y, por ende, la mineralización y disponibilidad de los nutrientes para las plantas y organismos del suelo. Esto se observa por ejemplo en suelos inundados, donde el exceso de agua limita la respiración de las raíces y favorece la formación de compuestos reducidos como metano, H₂S, amonio, ácidos o alcoholes, que resultan ser perjudiciales para las raíces de las plantas o que no pueden ser utilizados por las plantas (como ocurre con el N₂). Una situación similar se observa en áreas de alto tráfico de maquinaria, que genera compactación del suelo con una menor aireación y alto contenido de agua.

Los métodos de arado que remueven la cobertura o la quema de residuos, y así el pH ácido o alcalino, presencia de metales pesados y salinidad, son importantes factores que limitan la respiración de suelos pues regulan no solo el crecimiento de los cultivos y la disponibilidad de nutrientes, sino que disminuyen el contenido de materia orgánica y reducen la respiración de suelo a largo plazo.

CÓMO INCREMENTAR Y MANTENER LA RESPIRACIÓN DE SUELOS

Suelos con buena capacidad respiratoria significan suelos con buena actividad biológica, degradación de materia orgánica y mineralización de nutrientes. Mantener buenas condiciones de humedad y aplicaciones de materia orgánica (compost, coberturas verdes o mulch, incorporación de residuos de cosecha o empleo de abonos verdes, por ejemplo) resulta en un incremento en la materia orgánica del suelo y en la respiración. Asimismo, utilizar labranza vertical liviana, que no resulten en la ruptura de la estructura y los agregados, irrigación y buen drenaje permiten mantener el proceso de degradación y mineralización de la materia orgánica así como la actividad biológica de suelos evidenciada en la respiración de suelos (Figura 3).

El uso de agricultura regenerativa en los ecosistemas agrícolas productivos también permite mejorar la capacidad de respiración del suelo. La restauración y/o rehabilitación de suelos en ecosistemas degradados, no solo recupera la capacidad del suelo para soportar la vegetación, sino que también resulta en la recuperación de las funciones y servicios que presta el suelo. El empleo de cobertura de vegetación adecuada para las diferentes situaciones y climas, no solo provee protección física frente a la erosión hídrica y eólica, sino también incrementa la materia orgánica y la capacidad de intercambio catiónica, así como la activación del ciclaje de nutrientes y los procesos microbianos, por ejemplo, a través de las raíces que sirven como sustrato a las comunidades microbianas de suelo.

Finalmente, una de las mejores prácticas para estimular la respiración de suelos, es la devolución de los residuos de cosecha también aporta a la agricultura regenerativa dependiendo de su composición y labilidad. Los residuos con una baja relación C:N, por ejemplo residuos de leguminosas, se descomponen más rápido que residuos con alta relación C:N, como residuos de cereales.