MODELADO DE LA DINÁMICA DEL
CARBONO ORGÁNICO EN SUELOS
USANDO INFORMACIÓN ISOTÓPICA:
APLICACIÓN EN PASTIZALES FORESTADOS
Esteban G Jobbágy – Marcos G Rizzotto
Grupo de Estudios Ambientales – Instituto de Matemática Aplicada San Luis Universidad
Nacional de San Luis & CONICET
Gervasio Piñeiro – Jose M. Paruelo
IFEVA, Facultad de Agronomía - Universidad de Buenos Aires & CONICET
Robert B Jackson
Department of Biology - Duke University, North Carolina
El problema ecológico
El problema metodológico
750 Gton
Suelo: 2100 Gton C
Conjunto quimicamente
heterogéneo
500 Gton
Mas que
atmósfera + biota
Muchos procesos
simultáneos
componentes
y dinámica?
Fácil medir cajas
Difícil medir flujos….
?
2100 Gton (*)
Que papel juega en
el ciclo global del C?
Como podemos
favorecer el
secuestro de C
en el suelo?
Pero…
experimentos
“naturales”
trazadores
“naturales”
* jobbagy & jackson – 2000 Ecol Appl
pastizal
especies C3 y C4
(mezcla 50:50)
menor discriminación
de 13C
pastizales forestados
de la pampa húmeda
el “truco” del tiempo x espacio…
forestación
Eucaliptus sp.
especie C3
mayor 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)?
1
prod primaria
-aerea y subt- en estrato 1
-subt – en estrato >1
2
respiración
Ingresos (I)
Perdidas (P)
Stock C
orgánico
del suelo
(S)
4 No hay transporte vertical
5 No hay erosión
6 Cambio instantáneo en t0
y valor constante luego para
I, rI y k
3
P = S*k
I, P, S corresponden a 12C+13C (Kg/m2)
13C/12C de estas variables se definen como rI, rP, rS
7 Mezcla perfecta en S
8 No hay discriminación en
el suelo
Una solución analítica para representar el sistema
Para 12C
En nuestro caso,
para tiempo = 0 (establecimiento)
y para tiempo = X (edad al muestreo)
conocemos S y S*
Además conocemos rI (I*/I)
dS/dt = I – k S(t)
rI
=
rS
Para 13C
dS*/dt = I* – k S*(t)
 S
1
X
k  
ln  
X
  S o

  rI  rS X

  rI  rS
o

  1  rS X

  1  rS
o

Queremos averiguar I y k,
y así proyectar S en otras tiempo/condiciones




1




 S X .rS X  S o .rS o exp(  kX ) 
I  k



rI
1

exp(

kX
)


Solución 100% analítica, exacta, sin parámetros ajustables
Profundidad (cm)
0
C orgánico en suelo - Kg C / m3
20
40
60
C orgánico en suelo - Kg C / m3
0
20
40
60
80
0
0
20
20
40
CASTELLI (50 años)
60
40
GUERRERO (97 años)
60
pastizal (t=0)
80
forestación (t=50 o 97 años)
80
diferencias significativas p<0.05
100
100
(rS y rI) ∂13C ‰
-16
-20
(rS y rI) ∂13C ‰
-24
-28
-32
-16
-20
-24
-28
0
Profundidad (cm)
0
(rI)
(rI)
100
100
Aplicación del modelo
Estrato
(cm)
Ingreso (I)
t renov. (1/k)
(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
• 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
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)
I = 497±90
1/k = 255±800
Se remueven X-4 y X-5
I = 512±10
1/k = 84±23
0.8
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
4-4
5-4
2-4
-2000
-1000
5-5
0
1000
1/k
4-5 2-5
2000
I
3-4
I
1-4
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
3000
0.3
140
0
20
40
60
80
1/k
100
120
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 renovación
Ingresos bajos en relación a productividad (<10%).
explicables por
herbivoría o saprofitismo?
fracción lábil (1/k < 50 años) con pobre transferencia a fracciones estables?
•
Modelo de dos cajas (solución analítica disponible – sin parametros ajustables)
Ingresos (I)
Perdidas rápidas (P r)
k1
Perdidas lentas (P l)
transferencia
(S r)
rapida
k2
(S l)
lenta
k3
•Las forestaciones no serian muy efectivas secuestrando C en el suelo
[email protected]
[email protected]
Fin!
∂15N ‰
depth (cm)
0
4
6
7
8
9
0
20
20
40
40
60
60
80
80
Castelli (50 years)
100
0
depth (cm)
5
∂15N ‰
4
5
6
7
8
4
0
20
20
40
40
60
60
6
7
8
9
Guerrero (97 years)
100
9
5
4
5
6
7
8
9
grassland
80
80
100
America (48 years)
100
tree plantation
Chascomus (48 years)
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