Abstract

Introduction. Soil management practices in agroecosystems, such as the use of green manures (GM), positively affect greenhouse gas (GHG) emissions. Objective. The objective of the research was to evaluate CO2,CH4, and N2O emission of a soil cultivated with corn and soybean under the use of green fertilizers, fallow (B), and nitrogen fertilization. Materials and methods. Between July 2011 and June 2012, in a Typic Haplustert located in Valle del Cauca, Colombia, corn and soybeans were planted in a intervleaved manner, and the monocultures of corn and soybeans were managed in a conventional manner. The association between Mucuna pruriens var. utilis and maize was established as GM, ninety days after sowing, the total residues were incorporated as GM or disposed on the soil surface as organic mulch (AO). Eleven treatments were used under the design of randomized complete blocks, with 32 + 2 factorial arrangement, with three repetitions. The main plots were GM, AO and B. Each was divided into sub-plots corresponding to compost fertilization, industrial chemical synthesis fertilizer and no additions. In the flowering and grain filling stage of the crops, variables such as N2O, CH4, CO2 and total water-filled porosity were analyzed. Results. CO2 flow was higher in the intercrops added with GM/AO compared to monocultures. In the main plots, the use of industrial chemical synthesis fertilizers significantly stimulated N2O and CH4 fluxes. Conclusion. The use of high quality organic materials such as GM/AO did not ensure GHG sink soils in the short-term, since soil conditions and nitrogen fertilization significantly influenced emissions.

Introducción

Los gases de efecto invernadero (GEI) son capaces de absorber la radiación infrarroja emitida por el suelo, lo que mantiene la temperatura media del planeta en aproximadamente 15 °C (Baird, 2002). El incremento de la concentración de los GEI en la atmósfera es causada por actividades humanas concernientes a la producción industrial y de alimentos (IPCC, 2008).

La agricultura se ha asociado con el incremento de las concentraciones de los tres principales GEI en la atmósfera, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), los cuales, contribuyen al calentamiento global. A nivel mundial, se estima que la agricultura contribuye con 20 % de las emisiones antropogénicas de GEI, aproximadamente 22 % de las emisiones totales de CO2, 55 % de CH4 y 80 % de N2O (Houghton et al., 2001; IPCC, 2008). Las causales de las emisiones de CO2 son: el cambio en el uso del suelo, deforestación y quema de biomasa. Para las emisiones de N2O son: el uso de plantas leguminosas y fertilización mineral nitrogenada. Las emisiones de CH4 suelen ocurrir en suelos con poca aireación, como en los sistemas inundados de arroz y explotación ganadera (Kessavalou et al., 1998; Costa, 2005).

En Colombia, se estima que el 38,1 % de las emisiones de CO2 equivalentes (eq), 65,92 % de CH4 y 95,56 % de N2O en CO2 eq, son originadas por el sector agropecuario (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2009). Estas emisiones cobran mayor importancia cuando se miden por el potencial de calentamiento global (PCG), ya que el CH4 (23) y N2O (296) poseen más poder calorífico que el CO2 en un horizonte de cien años (IPCC, 2008).

Las prácticas de manejo del suelo también afectan las emisiones de los GEI. Los sistemas de preparación del suelo en los cultivos afectan el balance entre la absorción de carbono (C) fotosintetizado y las emisiones de CO2 del suelo para la atmósfera, que lleva a caracterizar al suelo como banco (absorción>emisión) o fuente (emisión>absorción) de este gas. En ese sentido, los sistemas en monocultivos tienden acumular C en forma de materia orgánica (MO), siendo mayores las tasas de acumulación cuando los sistemas son en asocio o rotación de cultivos con altos aportes de residuos vegetales (Amado et al., 2000; Diekow et al., 2005).

El uso de leguminosas en sistemas de rotación de cultivos aumentan las emisiones de N2O en comparación a sistemas exclusivamente con gramíneas (Baggs et al., 2003), a su vez, la tasas son potencialmente mayores cuando se usan fertilizantes minerales nitrogenados. De esta forma, el manejo de mezclas entre especies leguminosas y gramíneas, puede ser una alternativa de mitigación al proveer N al suelo desde fuentes biológicas en comparación con los métodos convencionales, así se podrían mejorar las relaciones de carbono:nitrógeno (C:N) de los residuos, reduciendo la velocidad de mineralización y consecuentes pérdidas al ambiente.

El uso de especies que se incorporan al suelo como los abonos verdes (AV) o que se disponen en la superficie como acolchado orgánico (AO) en los agroecosistemas, son una alternativa viable al manejo de C y N en sistemas convencionales de barbecho (B), ya que aportan considerables cantidades de MO, nutrientes y agua en sus residuos (Baijukya et al., 2004; Gallego, 2012), sin embargo, las emisiones de GEI también están sujetas a características intrínsecas del suelo y condiciones ambientales, lo que dificulta el manejo integrado del fenómeno intensificado. El objetivo de la investigación fue evaluar la emisión de CO2, CH4 y N2O de un suelo cultivado con maíz y soya, bajo el uso y manejo de abonos verdes, barbecho y fertilización nitrogenada.

Materiales y métodos

Caracterización del área experimental

El estudio se realizó de julio del 2011 a junio del 2012, en un Haplustert típico, francoso fino, isohipertérmico, con pendiente de 1 % (Acosta et al., 1997), el cual estuvo en barbecho durante ocho años. El Campo Experimental de la Universidad Nacional de Colombia (UNAC), sede Palmira (CEUNP), corregimiento El Carmelo, municipio de Candelaria, Departamento del Valle del Cauca, Colombia, está georeferenciado bajo las coordenadas 3° 25’ 34’’ N y 76° 25’ 53’’ O. Las características agroclimáticas que la zona presenta son una altitud de 980 msnm, temperatura promedio de 24 ºC, humedad relativa de 69 % y precipitación pluvial media anual de 1406 mm. La caracterización química y física del suelo, antes de instalar el ensayo, se realizó en los laboratorios de la UNAL, Palmira y el CIAT.

Los resultados de las propiedades químicas (Cuadro 1) se interpretaron por escalas manejadas a nivel nacional (Castro, 2004). El suelo presentó un pH neutro, concentración media de CO y N inorgánico, y alto nivel de fósforo. Entre las bases, se encontraron niveles medios de Na+ y K+ y altos de Mg2+ y Ca2+, además de la capacidad de intercambio catiónico (CIC). Para los elementos menores S, B y Mn los niveles fueron altos, a excepción de Fe, Cu y Zn que fueron bajos. Se ha reportado que a pH neutro se encuentra la mayor disponibilidad de bases (Piraneque, 2008), mientras que en condiciones ácidas la asimilación del P disminuye por combinaciones insolubles con Fe y los microelementos, a excepción del Mo, son más asimilables (Zapata, 2004; Tisdale et al., 2005).

Cuadro 1 Caracterización química del suelo a una profundidad de 0-20 cm, utilizado para evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de los gases de efecto invernadero (GEI). Valle del Cauca, Colombia. 2013. Table 1. Chemical characterization of soil at a depth of 0-20 cm, used to evaluate the effect of green fertilizers on greenhouse gas (GHG) emission. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Cuadro 1 Caracterización química del suelo a una profundidad de 0-20 cm, utilizado para evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de los gases de efecto invernadero (GEI). Valle del Cauca, Colombia. 2013.

El análisis de las propiedades físicas (Cuadro 2) mostraron que el suelo posee una textura franco arcillosa, la cual permite una adecuada laborabilidad cuando la humedad gravimétrica no supera un 50 %. La densidad aparente fue alta (1,72 g cm-3) y, por ende, muy baja porosidad total (35,34 %), lo que puede perturbar no solo el crecimiento de raíces (según especie), drenaje y aireación en el suelo (Jaramillo, 2002), sino que cuando supera 60 % del espacio poroso con agua, se generan condiciones de reducción y se favorece la emisión de GEI (Escobar, 2011).

Cuadro 2 Caracterización física del suelo a una profundidad de 0-20 cm, utilizado para evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Table 2. Physical characterization of soil at a depth of 0-20 cm, used to evaluate the effect of green fertilizers on greenhouse gases emission. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Cuadro 2 Caracterización física del suelo a una profundidad de 0-20 cm, utilizado para evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Tratamientos y diseño experimental

Para cumplir con los objetivos propuestos, se evaluaron once tratamientos (Cuadro 3), bajo un diseño de bloques completos al azar con arreglo factorial 32 (tratamientos 1 al 9) + 2 (tratamientos 10 y 11) con tres repeticiones. Las cuatro parcelas principales las constituyó el componente vegetal [abono verde (AV) o barbecho (B)] previo al establecimiento de los cultivos, más dos con B, todos seguidos por sistemas de cultivos asociados (maíz + soya) y de monocultivos (maíz o soya). Las subparcelas correspondieron a tres diferentes programas de fertilización (compost, fertilizante de síntesis química industrial y ninguna adición).

Cuadro 3 Descripción de tratamientos utilizados para determinar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Table 3. Description of treatments used to determine the effect of green fertilizers of soil greenhouse gases emission. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Cuadro 3 Descripción de tratamientos utilizados para determinar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Manejo agronómico de las parcelas

Las unidades fueron parcelas en campo con una dimensión de 20 m2 (6 m x 3,34 m) para los tratamientos del 1 al 9, y de 30 m2 (6 m x 5 m) para los tratamientos 10 y 11. Posteriormente, se instaló un pluviómetro y termómetro (Figura 1), con el fin de estimar la lámina de riego que cayó sobre el suelo (precipitación pluvial + riego) y la temperatura ambiental de la zona durante el desarrollo del experimento.

Figura 1 Distribución mensual de la temperatura ambiental y lámina de agua en el suelo (precipitación pluvial + riego) durante el experimento para determinación del efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Figure 1. Monthly distribution of the environmental temperature and water sheet in the soil (rainfall + irrigation) during the experiment to determine the effect of the green fertilizers on the soil GHG emission. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Figura 1 Distribución mensual de la temperatura ambiental y lámina de agua en el suelo (precipitación pluvial + riego) durante el experimento para determinación del efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Después del trazado de las unidades experimentales, se sembró como AV la leguminosa M. pruriens L. var. utilis (CIAT No. 9349) y Z. mays (variedad ICA 305) en las unidades experimentales correspondientes a los tratamientos 1 a 6, a una dosis de 110 kg semilla ha-1. Se dejaron crecer por un período aproximado de tres a cuatro meses, hasta la etapa reproductiva del llenado de grano lechoso (R3) de la gramínea (etapa de choclo). Luego de la cosecha del choclo, la biomasa (adición o incorporación) de los AV se cortó, troceó y dejó descomponer en los primeros cinco centímetros del suelo por treinta días.

El establecimiento del cultivo de maíz (variedad ICA 305) se realizó con una densidad de siembra de 40 000 plantas ha-1, mientras la siembra de soya (variedad ICA P34) se realizó con 200 000 plantas ha-1, con una relación de un surco de maíz por dos de soya en cada unidad experimental.

Las fertilizaciones con fuentes orgánicas y sintéticas se realizaron en dos momentos, a los 15 y 45 días de la resiembra efectiva de los cultivos. La fertilización sintética se realizó aplicando el fertilizante triple quince (15-15-15) a una dosis de 50 kg N, P y K ha-1 (335 g y 501 g por aplicación en parcelas de intercultivo y monocultivo, respectivamente), de acuerdo con los requerimientos de los cultivos (Moreno-Berrocal et al., 2008). Para los tratamientos con adición de abono orgánico tipo compost, la dosis se calculó para que aportara la misma cantidad de N que el fertilizante sintético, en ese sentido, este consistió en gallinaza madura aplicada en dosis de 3,4 t ha-1 (3,4 kg por aplicación), lo que equivale a 50 kg N ha-1, y el resto de tratamientos se manejó sin la aplicación de fertilizantes o enmiendas.

Variables evaluadas

El flujo de los gases de efecto invernadero (CO2, CH4, N2O) y su poder calorífico, se analizó directamente y se relacionó con variables como compactación y circulación del agua en el suelo, las cuales hacen parte de la fórmula de la porosidad total llena de agua (PPA) (Cuadro 4).

Cuadro 4 Métodos de análisis de las variables utilizadas para evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Table 4. Analysis methods of the variables used to evaluate the effect of green fertilizers of soil greenhouse gases emissions. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Cuadro 4 Métodos de análisis de las variables utilizadas para evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Para la toma de los gases, realizada en la etapa de floración y llenado de grano de los cultivos, se procedió a ejecutar la técnica de cámara cerrada estática, protocolo estandarizado por el Laboratorio de Servicios Ambientales del Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), utilizado por Ferreira (2008) y Pastrana et al. (2011). Se inició con la instalación de una cámara de PVC sobre el anillo previamente instalado en la parcela de cada tratamiento, las cámaras se cerraron herméticamente con bandas de caucho. La parte superior de estas poseían una tapa de goma o séptum de 1 cm de diámetro, por la cual se tomaron las muestras de aire a las 9 de la mañana, utilizando una jeringa de plástico con válvula adaptada.

Por cada cámara se tomaron muestras de 20 ml de aire en los tiempos 0, 10, 20 y 30 min a partir de la instalación de la cámara, luego se eliminaron 5 ml y los restantes 15 ml se transfierieron a frascos al vacío. Es necesario conocer la temperatura del aire dentro de la cámara al momento del muestreo para poder calcular adecuadamente los flujos de gases, en ese sentido, la primera cámara en cada tratamiento estuvo equipada con un termómetro para registrar los valores para cada uno de los tiempos.

Las muestras se enviaron al laboratorio del CIAT, donde se estimaron las concentraciones de los GEI, con el uso de un cromatógrafo de gases Shimadzu GC-14A, equipado con detectores de inonización de llama (FID) en el análisis de CH4 y detector de captura de electrones (ECD) para el N2O. Las condiciones del cromatógrafo fueron: precolumna Porapak Q (80-100 mesh) con 1 m de longitud y 2 mm de diámetro interno; columna Porapak Q (80-100 mesh) con 2 m de longitud y 2 mm de diámetro interno; fase móvil nitrógeno de alta pureza; flujo de 22 ml min-1; temperatura del horno, inyector y detector: 70, 80 y 320 ºC, respectivamente; estándar Scotty balanceado en nitrógeno con una precisión de aproximadamente 5 %.

Para el cálculo del CO2 se utilizó un analizador Modelo S151 con tecnología infrarroja, calibrado antes de iniciar las mediciones con estándares Scotty balanceados en nitrógeno. Se usó sílica gel para retener humedad y una trampa de NaOH para asegurar que solo el CO2 proveniente de la muestra ingresare al equipo y evitar sobreestimación en la cuantificación.

Los muestreos en el suelo para las variables relacionadas a la emisión de GEI, se realizaron en forma paralela a la toma de los gases; en cada etapa (floración y llenado de grano de cultivos) se recolectaron o midieron muestras para evaluar directamente la humedad y densidad del suelo, otras se calcularon de forma indirecta (fórmula 1). A partir de los valores de densidad y humedad gravimétrica se calculó el porcentaje de PPA mediante la ecuación (Escobar, 2011):

(1)

Donde:

Hg: humedad gravimétrica (%).

Da: densidad aparente del suelo (g cm-3).

PT: porosidad total del suelo (%).

Para la comparación de sistemas de manejo por el PCG que genera, es común expresar la emisión de GEI en kg de C equivalente de CO2 (kg CE-CO2), el PCG de CH4 y N2O expresada en CE-CO2 se calcularon a partir de las ecuaciones 2 y 3, respectivamente:

CH4 (kg CE-CO2 ha-1) = CH4 (kg CH4 ha-1) x 23 x 12/44 (2)

N2O (kg CE-CO2 ha-1) = N2O (kg N2O ha-1) x 296 x 12/44 (3)

Donde:

12/44= razón molar entre C y la molecular de CO2

23 y 296= PCG de CH4 y N2O, respectivamente, en un tiempo de cien años (Gomes, 2006; Escobar, 2011).

Análisis de la información

La información obtenida se sometió a un análisis de varianza (p<0,05), prueba de medias de Duncan (p<0,05) y correlación de Pearson, con el uso del software SAS versión 9.1.3 (SAS Institute Inc., 2002).

Resultados

Cambios en las emisiones de CO2, CH4 y N2O

Se encontraron diferencias significativas (p<0,05) entre tratamientos para el flujo de CO2 en las etapas productivas de los cultivos (Figura 2). Los valores a nivel de parcelas principales (AV, AO y B) y subparcelas (FO, FQ y SF) fueron estadísticamente similares, con excepción de B-FQ en el monocultivo de soya, donde se registró el menor valor.

Figura 2 Flujo acumulado de CO2 en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Promedios con las mismas letras no son significativamente diferentes según Duncan (p<0,05). AV: abono verde; AO: acolchado orgánico; B: barbecho; FO: fertilización orgánica; FQ: fertilización de síntesis química industrial; SF: sin adición de fertilizantes. Figure 2. Cumulative CO2 flow in the treatments when evaluating the effect of green fertilizers on the emission of greenhouse gases of the soil. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Averages with the same letters are not significantly different according to Duncan (p<0.05). GM: green manure; AO: organic mulch; B: fallow; FO: organic fertilization; FQ: fertilization of industrial chemical synthesis; SF: no fertilizer additions. Figura 2 Flujo acumulado de CO2 en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

En el flujo de CH4 se encontraron diferencias significativas (p<0,05) entre tratamientos (Figura 3). En todas las parcelas los resultados variaron entre valores negativos y positivos (-23,3 a 40,8 mg m-2), lo cual denotó cambios en la capacidad del suelo como sumidero y emisor del CH4, respectivamente. Aún con esta dinámica se vio reflejada alguna tendencia, las parcelas de AV y AO con fertilización orgánica actuaron como sumideros, mientras que la fertilización de síntesis industrial (FQ) promovió la emisión en AV y B.

Figura 3 Flujo acumulado de CH4 en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Promedios con las mismas letras no son significativamente diferentes según Duncan (p<0,05). AV: abono verde; AO: acolchado orgánico; B: barbecho; FO: fertilización orgánica; FQ: fertilización de síntesis química industrial; SF: sin adición de fertilizantes. Figure 3. Cumulative flow of CH4 in the treatments when evaluating the effect of green fertilizers on the emission of greenhouse gases of the soil. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Averages with the same letters are not significantly different according to Duncan (p<0.05). GM: green manure; AO: organic mulch; B: fallow; FO: organic fertilization; FQ: fertilization of industrial chemical synthesis; SF: no fertilizer additions. Figura 3 Flujo acumulado de CH4 en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Para la variable N2O se encontraron diferencias significativas (p<0,05) entre tratamientos (Figura 4). En las parcelas principales AV, AO y B bajo la combinación con FQ se estimuló los mayores flujos de N2O en comparación a FO.

Figura 4 Flujo acumulado de N2O en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Promedios con las mismas letras no son significativamente diferentes según Duncan (p<0,05). AV: abono verde; AO: acolchado orgánico; B: barbecho; FO: fertilización orgánica; FQ: fertilización de síntesis química industrial; SF: sin adición de fertilizantes. Figure 4. Accumulated N2O flow in the treatments when evaluating the effect of green fertilizers on the emission of greenhouse gases of the soil. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Averages with the same letters are not significantly different according to Duncan (p<0.05). GM: green manures; AO: organic mulch; B: fallow; FO: organic fertilization; FQ: fertilization of industrial chemical synthesis; SF: no fertilizer additions. Figura 4 Flujo acumulado de N2O en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Se registró mayor poder calorífico del CO2 emitido del suelo en todos los tratamientos con respecto a los otros gases, y el de N2O fue mayor a los registrados del CH4 en la mayoría de las parcelas (Figura 5).

Figura 5 Potencial del calentamiento global de los gases en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. AV: abono verde; AO: acolchado orgánico; B: barbecho; FO: fertilización orgánica; FQ: fertilización de síntesis química industrial; SF: sin adición de fertilizantes. Figure 5. Global warming potential of the gases in the treatments when evaluating the effect of the green fertilizers on the greenhouse gases emission of the soil. Valle del Cauca, Colombia. 2013. GM: green manures; AO: organic mulch; B: fallow; FO: organic fertilization; FQ: fertilization of industrial chemical synthesis; SF: no fertilizer additions. Figura 5 Potencial del calentamiento global de los gases en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

El CO2 contribuyó con el 99,7 % de los GEI totales del agroecosistema (Figura 6), seguido del óxido nitroso y metano, aunque el que genera mayor potencial de calentamiento global es el N2O, es común encontrar esta secuencia en varios suelos agrícolas.

Figura 6 Aporte porcentual de cada gas emitido del suelo en el estudio, efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Figure 6. Percentage contribution of each gas emitted from the soil in the study; effect of green fertilizers on the emission of greenhouse gases of the soil. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Figura 6 Aporte porcentual de cada gas emitido del suelo en el estudio, efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Porosidad total llena de agua

No se encontraron diferencias significativas entre tratamientos (p<0,05) en la porosidad total llena de agua (Figura 7), debido a la variabilidad en los datos obtenidos durante este ensayo, además, el análisis de correlación de Pearson no mostró relación significativa alguna entre esta variable y cada uno de los GEI analizados en este experimento.

Figura 7 Porosidad total llena de agua (PPA) en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Promedios con las mismas letras no son significativamente diferentes según Duncan (P<0,05). AV: abono verde; AO: acolchado orgánico; B: barbecho; FO: fertilización orgánica; FQ: fertilización de síntesis química industrial; SF: sin adición de fertilizantes. Figure 7. Total porosity full of water (PPA) in the treatments when evaluating the effect of green fertilizers on the emission of greenhouse gases of the soil. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Averages with the same letters are not significantly different according to Duncan (P <0.05). GM: green manures; AO: organic mulch; B: fallow; FO: organic fertilization; FQ: fertilization of industrial chemical synthesis; SF: no fertilizer additions. Figura 7 Porosidad total llena de agua (PPA) en los tratamientos al evaluar el efecto de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Comparaciones específicas entre variables relacionadas al flujo de GEI

Las comparaciones entre las fuentes de variación con respecto a algunas variables (Cuadro 5), indicaron que no existieron diferencias significativas para las variables CO2 y PPA, por el contrario, se incrementó significativamente la producción de CH4 y N2O cuando se agregaron materiales orgánicos (AV y B) al suelo, en comparación a AO, principalmente bajo la condición FQ.

Cuadro 5 Contrastes ortogonales para gases de efecto invernadero y porosidad del suelo llena de agua (PPA) en el estudio sobre los efectos de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Table 5. Orthogonal contrasts for greenhouse gases and porosity of water-filled soil (PPA) in the study on the effects of green manures on the emission of greenhouse gases of the soil. Valle del Cauca, Colombia. 2013. Cuadro 5 Contrastes ortogonales para gases de efecto invernadero y porosidad del suelo llena de agua (PPA) en el estudio sobre los efectos de los abonos verdes sobre la emisión de gases de efecto invernadero del suelo. Valle del Cauca, Colombia. 2013.

Discusión

En los cultivos intercalados los tratamientos generaron efectos similares en el flujo de CO2, en este sistema se encontraron mayores flujos que en los monocultivos (Franzluebbers, 2005; Adiku et al., 2010). Los mismos autores indicaron que es posible que la mayor cobertura en la superficie del suelo, a la cual estuvo sujeta al sembrar cultivos intercalados, permitió mayor respiración autotrófica y heterotrófica, lo que originó la liberación del CO2, tanto de los sistemas radiculares de las plantas como de la actividad de organismos en el suelo al descomponer la compleja MO en compuestos más simples. Los flujos acumulados de CO2 encontrados en este ensayo (0,08 a 0,22 kg m-2), coincidieron e incluso fueron menores que los obtenidos por Ferreira (2008) y Fernández y Bojollo (2008), los cuales oscilaron entre 0,07 y 2,2 kg m-2 año-1.

El flujo de CH4 fue fluctuante, caracterizado por parcelas con la capacidad de ser sumidero y emisor del gas. Se ha registrado que el proceso metanogénico es ocasinado por microorganismos que oxidan el CH4 y las condiciones del suelo, entre ellas, la textura, humedad y porosidad (Hütsch et al., 1994; 1996). Este proceso, se suscita cuando prevalecen condiciones anaeróbicas en el suelo y las poblaciones de bacterias metanogénicas transforman el ácido acético, H2 y CO2 en CH4 (Weber et al., 1984). Caso contrario sucede cuando el medio es más aeróbico, las bacterias metanotróficas oxidan el CH4 y el suelo actúa como sumidero (Jones y Morita, 1983; Glaztel y Stahr, 2001). Kessavalou et al. (1998) demostraron que la perturbación del suelo durante el establecimiento de cultivos aumenta la oxidación del CH4, en el siguiente orden: campo nativo (33 a 44 µg m-2 h-1) > siembra directa (31 a 34 µg m-2 h-1) > preparación convencional (24,5 a 33 µg m-2 h-1).

En general, las condiciones del suelo y prácticas agrícolas también influyen en la emisión de CH4 (Ussiri et al., 2009); nótese, que no existió un patrón definido en la emisión del gas, lo cual pudo deberse tanto a las diferentes condiciones ambientales, antes mencionadas, como a la disponibilidad de N del suelo, la densidad aparente (varió entre 1,1 y 1,7 g cm-3) y la humedad volumétrica (varió entre 17 y 33 %) en las diferentes parcelas durante las etapas de evaluación; factores que han sido señalados como influyentes en la absorción o emisión de CH4 (Czóbel et al., 2010; Escobar, 2011; Omonode et al., 2011).

Entre las prácticas agronómicas, la fertilización nitrogenada regula la absorción del CH4. En algunos suelos la oxidación de CH4 disminuyó, ya que el NH4 + disponible actuó como inhibidor de la reacción porque compite con el CH4 por la enzima mono-oxigenasa, producida vía oxidación del NH4 + (Boeckx et al., 1997; Wang e Ineson, 2003; Zanatta et al., 2010). En trabajos realizados por otros autores se confirmó que esta práctica redujo de forma directa la oxidación del CH4 por la inhibición competitiva e indirectamente, a largo plazo, la acidificación del suelo modifica el pH óptimo para el establecimiento de poblaciones metanotróficas (Hütsch, 1998; Kravchenko, 2002). Sin embargo, para Glaztel y Stahr (2001), esta práctica agrícola no afectó la emisión del gas, y obtuvieron valores muy cercanos de emisión en un experimento conducido durante diez años, al comparar el efecto de la fertilización nitrogenada y sin fertilización. Cuando se compararon los tratamientos que recibieron diferentes dosis de urea, no se obtuvo efecto alguno en la oxidación de CH4 (Ruser et al., 1998).

En el presente estudio se pudo verificar la dinámica del CH4 en el suelo, expresado de forma significativa en la absorción o emisión del gas, entre los factores señalados están la disponibilidad del N vía fertilización, las propiedades físicas como la textura, la humedad y la porosidad que condicionan la actividad de los microorganismos involucrados, de manera que, existe un desafío latente para encontrar las relaciones entre el N y CH4 y las bacterias intermediarias en el proceso.

En las parcelas con FQ existió mayor desnitrificación que las manejadas con FO, tendencia similar a la registrada para el proceso de nitrificación, especialmente en la etapa de floración de los cultivos. Varias investigaciones en sistemas de producción agrícola demostraron que el N2O emitido es respuesta a la fertilización mineral nitrogenada (Kaye et al., 2004; Omonode et al., 2011), más cuando esta sucede en periodos lluviosos (Ferreira, 2008; Pastrana et al., 2011; Escobar, 2011). Aparte de los cambios en la humedad y temperatura del suelo, el flujo de N2O también es influenciado por la disponibilidad de N, pH y la textura del suelo (Horváth et al., 2008; Czóbel et al., 2010).

En sistemas agroforestales de Honduras, el flujo de N2O mostró valores alrededor de 300 y 620 mg m-2 (Ferreira, 2008). En Colombia, cultivos de arroz emitieron flujos de 300 mg N2O m2 año-1 (Rondón et al., 2002), mientras que, en pasturas de Brachiaria humidicola en el valle del Sinú se reportaron valores menores de 4 mg m-2 h-1 (Pastrana et al., 2011). En suelos desnudos y sembrados con soya del Valle del Cauca encontraron valores que no superaron los 420 mg N2O m-2 año-1 (Subbarao et al., 2009).

Los resultados corroboran que la metanogénesis y desnitrificación son procesos influenciados por la mineralización de la MO, fertilización mineral nitrogenada y condiciones del suelo, en especial la humedad. La disposición de la MO sobre el suelo (AO), generó menor emisión de CH4 y N2O en comparación a AV y B. Al manejar la MO en forma de acolchado, se redujo la velocidad de la mineralización, por el menor contacto del sustrato con la biota del suelo en comparación a AV, paralelamente, mejoró la circulación del agua y aire en el suelo, regulando de forma más estable el suministro de los nutrimentos C y N como la variación de la temperatura y humedad (Smets y Poesen, 2009; Zribi et al., 2011).

La producción de GEI está estrechamente relacionada con la actividad de microorganismos y condiciones del suelo como la humedad, densidad y porosidad (Horváth et al., 2008; Ciarlo, 2009; Czóbel et al., 2010), de tal manera que los tratamientos influenciaron de forma similar el flujo de CO2 y PPA, y si bien existió alguna coherencia en los resultados obtenidos entre la disponibilidad de N mineral con el flujo de N2O (Kaye et al., 2004; Omonode et al., 2011; Pastrana et al., 2011), para el CH4 fue fluctuante como lo señalan resultados de trabajos realizados por Hellebrand et al. (2003), Dunfield (2007), Visscher et al. (2007) y Zanatta et al. (2010).

Conclusiones

El flujo de CO2 se incrementó en los cultivos intercalados adicionados con AV/AO en comparación con los monocultivos. En las parcelas principales: abonos verdes, acolchado orgánico y barbecho, el uso de fertilizantes de síntesis química industrial estimuló significativamente los flujos de N2O y CH4. Estos resultados señalan la necesidad de planificar y ejecutar sistemas de cultivos con mayor complejidad y duración que, además, de ventajas socio-económicas, y actúen como sumideros de C y N.