INTRODUCCIÓN

El cambio climático global, uno de los problemas más graves de la humanidad, se atribuye, principalmente, al incremento de la concentración de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera, tal como el dióxido de carbono (CO₂), el metano (CH₄) y el óxido nitroso (N₂O) (^{IPCC, 2003}). Según el Departamento Nacional de Planeación y el Banco Interamericano de Desarrollo (^{NDP-BID, 2014}), el país se ve constantemente afectado por eventos hidro-meteorológicos extremos, en gran parte de su territorio: las inundaciones, los deslizamientos, las granizadas y las olas de calor han incrementado su frecuencia en los últimos años, afectando las actividades económicas y a las personas de las zonas más sensibles. Las proyecciones de escenarios futuros estiman un incremento en la temperatura de alrededor de 4°C, en algunas zonas del país, lo cual, podría incidir negativamente en la salud, al hacer más comunes a enfermedades, como el dengue y la malaria, máxime, en las zonas más cálidas (^{Gutiérrez & Espinosa, 2010}). Las regiones tropicales alto-andinas han sido identificadas como vulnerables al cambio climático, por un mayor calentamiento en zonas de alta elevación, en esta parte del mundo (^{Büchler et al. 2004}).

El suelo es el mayor sumidero de carbono © y posee el potencial de ser incrementado y, de esta manera, mitigar el cambio climático (^{FAO, 2002}). Por esta razón, muchos de los proyectos de captura de C incluyen este componente, tal como aquellos de aforestación y de reforestación, empleando bosques y sistemas agroforestales (^{Pearson et al. 2005}). De otro lado, los ecosistemas alto-andinos, debido a la génesis de sus suelos y al clima reinante, presentan un alto contenido de COS, al tener bajas tasas de mineralización; sin embargo, estas grandes cantidades de C están siendo amenazadas por cambios de uso del suelo, que implican la pérdida de la cobertura boscosa hacia sistemas de producción sin árboles, tal como pasturas y cultivos de papa (^{Otero et al. 2011}; ^{Andrade et al. 2014}). La dinámica del COS en paisajes alto-andinos ha sido poco estudiada, principalmente en Colombia, aunque Andrade et al. (2014) afirman que las pasturas extensivas pueden promover su acumulación, en sitios de altura.

Los pocos estudios hacen desconocer el impacto del uso del suelo en la dinámica del COS, lo que tiene implicaciones para el ciclo global del CO2. Este estudio tuvo como objetivo estimar el impacto de la copa y uso del suelo en el almacenamiento de COS y el impacto de potenciales cambios de uso del suelo, tal como la deforestación, en la fijación de carbono o emisión de GEI.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio. El estudio, se realizó en nueve fincas de productores, ubicadas en las veredas la Yuca y Buena Vista, del Municipio de Santa Isabel, localizado en el Tolima, Colombia (Figura 1). El municipio, se encuentra entre los 4º39’20”- 4º48’38”N y los 75º22’54”-75º0’48”O, a una altitud de 2.400 m y se sitúa en un área de Bosque Húmedo Montano Bajo (bh-mb), según ^{Holdridge (1996)}, dominada por ganadería y por agricultura. La zona de estudio presenta una temperatura promedio de 16°C, con precipitación media anual de 1.800mm (IDEAM, 2017). El relieve es muy quebrado a escarpado (75-100% de pendiente) y presenta suelos bien drenados, profundos y con alta susceptibilidad a la erosión. Los suelos de este estudio son derivados de cenizas volcánicas, los cuales, poseen características físico-químicas especiales, mediana fertilidad, buena estabilidad estructural, ph ácidos, fijadores de fósforo y de baja mineralización relativa de nitrógeno (^{Fajardo, 2005}) y hacen parte de la unidad MKB, consociación Alic Hapludans (^{IGAC, 2004}).

Figura 1 Localización del área de estudio en el Municipio de Santa Isabel, Tolima, Colombia. 

Diseño experimental. Se empleó un diseño experimental completamente al azar, evaluando tres de los usos del suelo más dominantes: 1) cultivo agrícola (CA) (tomate de árbol - Solanum betacea Cav.); 2) sistemas silvopastoriles de pasturas de kikuyo (Pennisetum clandestinum), con árboles nativos de Weinmannia balbisiana Kunth, Eugenia spp., Styrax spp. y Solanum spp. dispersos (SSP) y 3) bosques nativos (BN), con cinco repeticiones por uso. En los SSP, también se estudió el efecto de la posición respecto a la copa arbórea en el COS, tomando tres posiciones: bajo, borde y fuera de la copa. El COS, se estimó a una profundidad de 0-40cm, siguiendo la Guía de Buenas Prácticas del ^{IPCC (2003)} y las recomendaciones de ^{Andrade & Segura (2017)}. La densidad aparente (DA), se estimó tomando tres muestras por repetición por el método del cilindro (^{IPCC, 2003}; ^{Andrade & Segura, 2017}) y secándolas hasta peso constante (105ºC). La concentración de COS, se estimó de una muestra compuesta de 10 sub-muestras por repetición, con un barreno helicoidal, analizada por el método de ^{Walkley & Black (1934)}. No se consideró la proporción de fragmentos gruesos, por considerarse despreciable (<5%).

Impacto de potenciales cambios de uso en existencias de COS. Las alteraciones del COS, por efecto de posibles cambios de uso del suelo, se estimaron calculando el almacenamiento de esta variable en función de una masa de suelo en lugar de una profundidad fija (^{Mannetje et al. 2008}), tomando la DA de los BN, como línea de base o situación de referencia. Se construyó una matriz simulando cambios de uso entre los tres sistemas, calculado como la diferencia en el almacenamiento de COS, entre el uso actual y el futuro. Estas diferencias, se multiplicaron por 3,67, para estimar los cambios en términos de CO₂e (IPCC, 2003), en donde los valores positivos implican captura adicional de C, mientras que los negativos reflejan una emisión (^{Andrade et al. 2016}).

Análisis estadístico. Se comprobaron los supuestos del diseño experimental y se realizaron pruebas de comparación de medias de Fisher a los tratamientos simples (sistemas de uso de la tierra y posición respecto a la copa) y factoriales (combinando estos tratamientos simples), con una confianza del 95%, cuando se detectaron diferencias en el análisis de varianza. Adicionalmente, se realizó un análisis de correlación y de regresión lineal, para establecer la relación entre la DA y la concentración de COS, en los diferentes usos del suelo. Los análisis estadísticos, se realizaron con InfoStat (^{Di Rienzo et al. 2011}).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Efecto de la copa arbórea en el COS. En los SSP, no se detectaron diferencias estadísticas en la concentración de COS entre posiciones respecto a la copa: entre 5,4 y 6,0% bajo y fuera de la copa, respectivamente (Figura 2). De la misma forma, tampoco se observaron diferencias significativas en las existencias de COS en las diferentes posiciones: 139,0 a 153,0t/ha (Figura 2), pero el COS bajo la copa es inferior al borde y fuera de ésta. En este caso, la copa de los árboles no está afectando la acumulación de COS en pasturas. Esto se podría deber a que, bajo los árboles, debido a la sombra, probablemente, habrá menor biomasa de la pastura y de raíces finas (diámetro <2mm), que puedan contribuir al COS al momento de senescer (^{Jobbagy & Jackson, 2000}; ^{Andrade et al. 2008}; ^{Andrade et al. 2014}).

Figura 2 Efecto de copa arbórea en el almacenamiento y en la concentración de carbono orgánico del suelo (COS), a una profundidad de 0-40cm, en sistemas silvopastoriles de pasturas con árboles dispersos en potreros, en paisajes alto-andinos en Santa Isabel, Tolima, Colombia. Las barras de error corresponden a error estándar. 

De otro lado, la baja disponibilidad de forraje bajo la copa de los árboles, causado por una mayor sombra (^{Andrade et al. 2008}), ocasionaría que los animales permanezcan menos tiempo bajo la copa, reduciendo el aporte de raíces muertas y hojarasca (^{Pezo & Ibrahim, 1998}). Esta interacción compensaría otros beneficios de las copas, como la menor temperatura de la superficie del suelo.

Densidad aparente (DA).La DA fue significativamente mayor en los suelos de SSP y CAque en los BN (0,65 vs 0,61 vs 0,35g/cm³, respectivamente) (Figura 3), es decir, al cambiar de BN a SSP o CA, se incrementa la DA del suelo, en un 80%, lo cual, tiene grandes impactos para la salud de los suelos, en términos de fertilidad y de propiedades físicas de los suelos y las existencias de COS. En teoría, la DA en suelos con propiedades ándicas es menor a 0,90g/cm³ (^{Chinchilla et al. 2011}), caso contrario se observa en suelos de la Cordillera de Talamanca de Costa Rica, donde esta variable osciló entre 0,6 y 1,3g/cm³, lo que denota la poca influencia de la ceniza volcánica o discontinuidad litológica en los horizontes sub-superficiales (^{Chinchilla et al. 2011}).

Figura 3 Densidad aparente y concentración de carbono orgánico del suelo (COS), en sistemas de uso del suelo en paisajes alto-andinos de Santa Isabel, Tolima, Colombia. Las barras de error corresponden a error estándar. Letras diferentes indican diferencias estadísticas (p<0,05). 

Otros estudios han reportado valores contrastantes en la DA; por ejemplo, ^{Fajardo (2005)} encontró 0,70g/cm³ en suelos derivados de cenizas volcánicas de la zona cafetera de Colombia, lo que coincide con estos hallazgos. En este estudio, se encontró que la DA de los BN fue 0,35g/cm³, similar a los reportes de ^{Zúñiga et al. (2013)}, en bosques no intervenidos en el Parque Nacional Chingaza y el Parque Nacional de los Nevados: 0,2 y 0,6g/cm³, respectivamente. De otra parte, ^{Andrade et al. (2014)} reportaron una DA promedio de 0,63g/ cm³, en pasturas activas el páramo de Anaime, Tolima, lo cual, resulta muy similar con estos estimados en SSP. La DA de cultivos agrícolas (0,61g/cm³) concuerda con ^{Carvajal et al. (2009)}, ^{Paz & Sánchez (2007)} y ^{Alvarado et al. (2013)}, en suelos derivados de cenizas volcánicas (0,67; 0,69 y 0,88g/cm³, respectivamente).

El aumento de DA en SSP y CA es, probablemente, debido al sobrepastoreo y la ausencia de cobertura vegetal sobre el suelo, ya que los hace más expuestos a fenómenos que alteran su composición química, física y biológica, lo que los hace propensos a la compactación (^{FAO, 2002}; ^{Fajardo, 2005}). ^{Neill et al. (1997)} encontraron también incrementos de la DA en pasturas, luego de la deforestación en la Amazonia brasileña; por otro lado, diversos estudios han demostrado que un incremento en la diversidad y en la abundancia de plantas reduce la DA (^{Becknell & Powers, 2014}; ^{Andrade et al. 2016}), lo cual, mejora sustancialmente sus propiedades físicas, como la porosidad, la infiltración y la conductividad hidráulica. ^{Shukla et al. (2006)} afirman que la aireación y la agregación, variables que se relacionan estrechamente con la DA y la concentración de COS, son los factores más determinantes de la calidad de un suelo.

Concentración de carbono orgánico del suelo (COS). La concentración de COS fue estadísticamente superior en los BN, superando a SSP y CA (8,9 vs 5,8 vs 5,8%, respectivamente) (Figura 3). En otras palabras, la deforestación reduciría la concentración de COS en un 35%, en promedio. El rango de esta variable fue de 3,7 a 15,7%, lo cual, coincide con los amplios reportes de ^{Chinchilla et al. (2011)}, en suelos derivados de cenizas volcánicas, en la Cordillera de Talamanca, de Costa Rica (0,1 - 14,1%). Entretanto, ^{Fajardo (2005)} reportó equivalentes de COS, de 7,0%, en suelos derivados de cenizas volcánicas, de la zona cafetera de Colombia.

Los resultados de concentración de COS de otros autores son altamente contrastantes. Por un lado, en bosques no intervenidos en los Parques Nacionales de los Nevados y de Chingaza, se halló 1,8 y 6,9% de concentración de COS, respectivamente (^{Zúñiga et al. 2013}), que son ligeramente inferiores a estos resultados, en BN (8,9%). En pasturas, ^{Andrade et al. (2014)} reportaron 4,6%, en el páramo de Anaime, Tolima, lo que también resultó levemente menor a esta investigación (5,8%), mientras que ^{Farley et al. (2004)} estimaron en 4,2% la concentración de COS, entre 0 y 10cm, en los Andes ecuatorianos. Los CA presentaron 5,8% en esta variable, mientras que ^{Alvarado et al. (2013)} reportaron valores muy inferiores en cafetales, pero ^{Paz & Sánchez (2007)} y ^{Carvajal et al. (2009)} estimaron valores muy cercanos (2,1; 5,6 y 6,4%, respectivamente). En contraste, en el páramo de Sumapaz, Colombia, se estimó 11,1% de COS en los primeros 25cm de suelo en cultivos de papa (^{Montes-Pulido et al. 2017}), lo cual, resulta extremadamente superior a lo encontrado en estos CA; sin embargo, se debe aclarar que en páramos hay menores tasas de descomposición de la materia orgánica (^{Andrade et al. 2014}).

Las bajas concentraciones de COS en los suelos agropecuarios (SSP y CA), se podrían atribuir a la constante remoción del mantillo superficial por las labores culturales y la erosión causada por las altas pendientes; sin embargo, se ha observado que el COS se puede incrementar con la edad de la pastura y un adecuado manejo del pastoreo (^{Neill et al. 1997}; ^{Andrade et al. 2014}). Caso contrario sucede en los BN, pues la erosión es menor y la alta producción de necromasa y las bajas temperaturas promueven la acumulación de COS (^{Lizcano et al. 2006}; ^{Andrade et al. 2014}).

No se encontró una estrecha relación entre la concentración de COS y la DA en los sistemas evaluados (r = 0,59) (Figura 4); sin embargo, aunque estadísticamente no es significativo, se observa una leve tendencia en la reducción de la DA, a medida que se incrementa la concentración de COS, tal como encontraron ^{Alvarado et al. (2013)} y ^{Andrade et al. (2014}; ²⁰¹⁶⁾. Este comportamiento representa un beneficio productivo y ambiental para estos paisajes, con los usos del suelo estudiados.

Figura 4 Relación entre la concentración de carbono orgánico (COS) y la densidad aparente a una profundidad de 0-40cm del suelo, en sistemas de uso del suelo en paisajes alto-andinos de Santa Isabel, Tolima, Colombia. 

Existencias de COS. No se detectaron diferencias estadísticas en las existencias de COS entre los sistemas evaluados; no obstante, en promedio los SSP almacenaron más C que los CA y BN (148,2 vs 138,2 vs 112,8t/ha, respectivamente) (Figura 5). Es de aclarar, que la DA empleada fue la propia de cada suelo, lo cual, implica que, procesos de compactación, incrementarían el volumen del suelo, al considerar una capa mayor de suelo, cuando se estima con una misma profundidad.

Figura 5 Existencias de carbono orgánico del suelo a una profundidad de 0-40cm, en bosques nativos, cultivos agrícolas y sistemas silvo-pastoriles, en paisajes alto-andinos de Santa Isabel, Tolima, Colombia. Las barras de error corresponden a error estándar. Letras iguales indican que no hay diferencias estadísticas (p>0,05) entre sistemas. 

Los suelos en estos paisajes alto-andinos, bajo estos usos del suelo, almacenaron entre 63,3 a 217,1t/ha, en los primeros 40cm, los que coinciden con ^{Chinchilla et al. (2011)}, en suelos derivados de cenizas volcánicas, en Talamanca, Costa Rica (6,5 - 262,8t/ha) y FAO (2002), en Andisoles (112,8t/ha), pero difiere a los 243,6t/ha, en suelos derivados de cenizas volcánicas, de la zona cafetera de Colombia (^{Fajardo, 2005}). En bosques no intervenidos en los Parques Nacionales de los Nevados y de Chingaza, se encontró 107,7 y 137,5t/ha de COS, respectivamente (^{Zúñiga et al. 2013}), siendo congruentes con estos hallazgos. En contraste, ^{Andrade et al. (2014)} reportaron 85,9t/ha, en pasturas del páramo de Anaime, Tolima, menor a los estimados para los SSP de Santa Isabel. ^{Carvajal et al. (2009)}, ^{Alvarado et al. (2013)} y ^{Montes-Pulido et al. (2017)} estimaron existencias de COS similares en CA.

Alteraciones en las existencias de COS por cambios de uso del suelo. Al estimar las existencias de COS, con base en una misma masa, el COS en BN fue significativamente superior a SSP y CA (122,4 vs 79,6 vs 79,8t/ha, respectivamente), es decir, al cambiar de SSP y de CA a BN, se estaría capturando una gran cantidad de CO2 de la atmósfera (Tabla 1) y se liberaría la misma cantidad, si se dieran procesos de deforestación. En este sentido, la aforestación o reforestación podrían causar la remoción, en el largo plazo, de cantidades similares de CO2 (IPCC, 2003). Estos resultados, aunque parecen lógicos, difieren de los hallazgos de ^{Andrade et al. (2014)}, quienes reportaron una tendencia opuesta, ya que el paso de BN a pasturas activas con manejo extensivo, tendió a aumentar el COS, en cerca de 12,8t/ha, en el páramo de Anaime, Tolima, Colombia.

Tabla 1 Impacto del cambio de uso del suelo en el almacenamiento de carbono orgánico del suelo (t CO₂/ha), a una profundidad de 0 a 40cm, en paisajes alto-andinos en Santa Isabel, Tolima, Colombia. 

Valores positivos corresponden a fijación de carbono en suelos, mientras que los valores negativos reflejan emisión de CO₂ a la atmósfera.

^{Zúñiga et al. (2013)} reportaron pérdidas de 55,6t/ha de COS, por cambio de bosques primarios a bosques intervenidos, en el Parque Nacional Chingaza, mientras que encontraron ganancias de 16,7t/ha de COS, al cambiar bosques primarios a bosques intervenidos, en el Parque Nacional los Nevados. ^{Desjardins et al. (1994)} demostraron, en la Amazonia oriental, que el paso de BN a pasturas por 10 años causa pérdidas de 2,0t/ha de COS; mientras que ^{Veldkamp (1994)} calculó en 14,9t/ha las pérdidas por deforestación en Costa Rica. Los resultados de este estudio coinciden parcialmente con el metanálisis de ^{Guo & Gifford (2002)}, quienes encontraron reducciones del 42 y 59% cuando BN se convierten a pasturas y CA, respectivamente; mientras que cambios de BN y CA a pasturas incrementan el COS en un 8 y 19%, respectivamente. El manejo también influye en el COS, ya que ^{West & Post (2002)} afirman que el cambio de labranza convencional a no labranza, promueve la captura de 5,7t/ha/año.

^{Guo & Gifford (2002)} aseguran que, si un cambio de uso del suelo reduce el COS, el cambio inverso lo incrementa. Estos estimados de cambios en el COS demuestran la importancia ambiental de estos ecosistemas, ya que además se debe considerar el C en otros componentes, tal como biomasa y necromasa (^{Andrade et al. 2014)} y otros servicios ambientales que ofrecen los BN, principalmente, en paisajes alto-andinos, tal como la regulación hídrica, la conservación de la biodiversidad y del suelo (FAO, 2002).