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Estimación de la captura y flujo de carbono en silvopastoreo de Acacia mangium asociada con Brachiaria dyctioneura en Colombia

Estimation of the carbon capture and flow in a silvopastoral system of Acacia mangium associated to Brachiaria dyctioneura in Colombia

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. Grupo de Investigación Biorum-Conisilvo. Departamento de Producción Animal
Facultad de Ciencias Agropecuarias. Calle 64 x Carrera 65 Autopista Norte. Telfax. (57) 94-4309045, Medellín-Colombia
E-mail: conisilvo@epm.net.co

El objetivo de esta investigación fue desarrollar un protocolo para la medición de las existencias de carbono en diferentes compartimientos en un sistema silvopastoril (SSP) de Acacia mangium más Brachiaria dyctioneura, a dos densidades de siembra de árboles como un servicio ambiental. Además, se realizaron algunas aproximaciones para la evaluación del flujo de carbono entre los animales en pastoreo y el suelo a través de las heces producidas después del consumo por éstos de la biomasa del sistema. La primera densidad se sembró a razón de 169 árboles/ha (distancia de 8 m x 8 m), denominado de alta densidad (AD), y la segunda a razón de 100 árboles/ha (distancia de 100 m x 100 m), denominado de baja densidad (BD). La metodología usada se basa en la propuesta de Winrock (MacDicken, 1997) y los procedimientos seguidos en Antioquia por el proyecto "Eficiencia de coberturas vegetales en la asimilación de CO₂" (Orrego y Del Valle, 2000). El carbono inmovilizado se estimó en cuatro compartimientos: 1) biomasa aérea de las plantas: comprende la biomasa aérea tanto de los árboles como de las pasturas; 2) biomasa radical: comprende la biomasa de las raíces de los árboles y las pasturas asociadas; 3) carbono en suelo: comprende el carbono almacenado en el suelo en formas húmicas; y 4) carbono en heces. La cantidad de carbono existente en los árboles, las pasturas y el suelo ascendió a 65,80 y 70,59 t de C/ha para la alta y la baja densidad, respectivamente. En los potreros sin árboles se alcanzó 38,07 t de C/ha, incluyendo las pasturas y el suelo. El flujo de carbono a través de las heces producidas por los animales fue de 0,24; 0,21 y 0,21 t de C/UA/ha/año en AD, BD y potreros sin árboles, respectivamente, después de seis años de establecido el sistema.

The objective of this study was to develop a protocol for the measurement of the carbon quantities in different compartments in a silvopastoral system (SPS) of Acacia mangium plus Brachiaria dyctioneura with two sowing densities of trees as an environmental service. Besides, some approximations were made for the evaluation of the carbon flow between grazing animals and the soil through the feces produced after the consumption by the former of the system biomass. The first density was sown at a rate of 169 trees/ha (8 m x 8 m distance), called high density (HD), and the second one at a rate of 100 trees/ha (100 m x 100 m distance), named low density (LD). The methodology used is based on the proposal by Winrock (MacDicken, 1997) and the procedures followed in Antioquia for the project "Efficiency of plant covers in the assimilation of CO2" (Orrego and Del Valle, 2000). The carbon immobilized was estimated in four compartments: 1) aerial biomass of the plants: comprises the aerial biomass of the trees as well as the pastures; 2) root biomass: comprises the biomass of the roots of the trees and the associated pastures; 3) carbon in the soil: comprises the carbon stored in the soil in humic forms; and 4) carbon in the feces. The carbon amount existing in the trees, pastures and the soil increased to 65,80 and 70,59 t C/ha for the high and low density, respectively. In the paddocks without trees there were 38,7 t C/ha, including the pastures and soil. The flow of carbon through the feces produced by the animals was 0,24; 0,21 and 0,21 t C/AU/ha/year in HD, LD and paddocks without trees, respectively, after six years of establishment of the system.

En Colombia, al norte del departamento de Antioquia en la región del bajo Cauca, la actividad económica predominante es la ganadería. Esta se desarrolla en cerca de 280 000 ha y representa un 80% del total de las actividades agropecuarias, la cual se practica en forma extensiva tradicional en suelos ácidos de baja fertilidad que anteriormente se sometieron a actividades de deforestación y explotación minera y actualmente las pasturas están afectadas por el sobrepastoreo y el agotamiento del recurso suelo.

Desde 1995, el grupo de investigación CONISILVO (Consorcio para la Investigación y Desarrollo de Sistemas Silvopastoriles) estableció diferentes sistemas silvopastoriles (SSP) en diez sitios del departamento de Antioquia, Colombia, con distintos arreglos y en diversas situaciones edáficas, climáticas y socioeconómicas. Allí se han evaluado, en forma sistemática, la producción animal durante varios años y sus posibilidades económicas; sin embargo, no se han evaluado los servicios ambientales que podrían aportar estos sistemas a mediano y largo plazo.

Se fijó como objetivo estimar y evaluar el servicio ambiental de captura de carbono en el SSP de acacia (Acacia mangium) con pasto brachiaria (Brachiaria dyctioneura), bajo dos densidades de siembra de árboles (alta y baja), ubicados en el municipio de Caucasia. Para ello se implementaron algunos métodos, adaptados de la literatura para la estimación de la biomasa y, por tanto, del carbono, en diferentes compartimientos identificados en los SSP. Adicionalmente, se propuso evaluar el flujo de carbono desde los bovinos al suelo a través de la producción de heces en un esquema de utilización del sistema bajo el pastoreo de novillas de la raza cebúina.

El bajo Cauca Antioqueño se encuentra localizado en la parte nororiental del departamento de Antioquia, ubicado a orillas del río Cauca entre la Serranía de Ayapel y el piedemonte de la Cordillera (fig. 1).

En la región predomina el clima tropical, con temperaturas medias mensuales que oscilan entre 26 y 28°C. En la zona son frecuentes las llanuras aluviales con pendientes de 0 a 3%. Las zonas de vida, según el sistema de clasificación de Holdridge, son bosque húmedo Tropical (bh-T) y bosque muy húmedo Tropical (bmh-T), (CORANTIOQUIA, 1997).

El SSP se estableció en septiembre de 1997 y combina la especie arbórea (A. mangium) y el pasto brachiaria (B. dyctioneura) sobre dos coberturas de 2 ha cada una con diferentes distancias de siembra, en la primera a razón de 169 árboles/ha (distancia de 8 m x 8 m), denominado de alta densidad (AD), y en la segunda a razón de 100 árboles/ha (distancia de 100 m x 100 m), sistema denominado de baja densidad (BD). Para comparar las existencias de carbono del SSP con la actividad de pastoreo tradicional, se delimitó un potrero sin árboles de 2 ha con pasto brachiaria y en todos los tratamientos se utilizó pastoreo rotacional con una carga de 2 UA/ha (novillas de 262 kg de PV de la raza Brahman). Este último sirvió como sistema testigo o línea base para la estimación de la captura de carbono.

Los SSP combinan varios elementos que, desde el punto de vista de proyectos de captura de carbono, se pueden considerar como compartimientos que almacenan carbono:

Biomasa aérea de las plantas: comprende la biomasa aérea de los árboles y las pasturas.
Biomasa radical: comprende la biomasa de las raíces de los árboles y las pasturas asociadas.
Detritos finos y gruesos: comprende la biomasa de las partes caídas de los árboles y de los pastos.
Carbono en suelo: comprende el carbono almacenado en el suelo en formas húmicas.
Carbono en heces: este compartimiento es de especial consideración, debido a que el pastoreo de bovinos en SSP, imprime una dinámica importante en el flujo de carbono entre los compartimientos.

Se establecieron aleatoriamente tres parcelas permanentes circulares de 500 m² en cada SSP de AD y BD. Los centros de las parcelas se marcaron con tubo PVC debidamente georreferenciado y se delimitó sobre el perímetro de las parcelas los puntos cardinales (N, S, W y E). En todos los casos se realizó corrección por pendiente para verificar el ingreso o no de los árboles en la parcela.

Las distancias se midieron con una cinta métrica de 0,2 mm de precisión y los puntos cardinales se ubicaron con una brújula marca Suunto. Se identificaron de forma apropiada los árboles incluidos en cada parcela mediante una placa de aluminio con su numeración. El área asignada como testigo (pasto solo) se consideró como única parcela en su totalidad.

Con el propósito de estimar la existencia de carbono en los árboles de acacia se realizó un inventario inicial en el momento de establecidas las parcelas; para ello se midió el perímetro del fuste con una cinta métrica de 0,1 cm de exactitud a 1,3 m sobre el piso, en los árboles con un diámetro mayor que 5 cm. Los sitios de medición en el primer inventario se marcaron sobre los árboles para realizar posteriormente el monitoreo sobre el mismo sitio. A los árboles con un diámetro superior que 5 cm se les colocó tres clavos galvanizados en forma de triángulo 4 cm más abajo del sitio de medición, con el fin de tomar una primera lectura del microdendrómetro. Este instrumento permite, tras sucesivas mediciones, detectar el incremento radial del árbol en milésimas de milímetro (precisión de 0,001 mm). Con esta propuesta se pueden realizar las mediciones de crecimiento con una periodicidad más corta que la anual.

La altura se midió en el 30% de los árboles en cada parcela con un hipsómetro mecánico marca Suunto Tandem. La metodología utilizada se basa en la propuesta de Winrock (MacDicken, 1997) y en los procedimientos seguidos en Antioquia por el proyecto "Eficiencia de coberturas vegetales en la asimilación de CO₂" (Orrego y Del Valle, 2000).

Se utilizó el método de las ecuaciones de biomasa, el cual permite estimar la biomasa aérea total de los árboles de las parcelas con solo medir su diámetro.

Se cosecharon seis árboles por fuera de las parcelas permanentes y se tuvo en consideración su arquitectura, buscando que coincidiera con la que presentaban los árboles de las parcelas y que tuvieran el diámetro más grande. A cada árbol seleccionado se le midió, con una cinta métrica, el perímetro del fuste a 1,3 m sobre el suelo. Los árboles se apearon (cortaron) haciendo un corte a ras del suelo. Una vez cortados, se midió la longitud del fuste con una cinta métrica. Para determinar la masa verde del árbol se trabajó por componentes (hojas, ramas y fuste) y se pesó en el campo en su totalidad, utilizando una balanza tipo grúa de precisión (0,05 kg) de 150 kg de capacidad.

Para determinar el peso seco de los componentes en cada árbol y hallar su contenido de humedad, se tomaron muestras representativas de 500 g aproximadamente. Todo el material de las muestras se secó en horno a 80±1°C hasta alcanzar un peso constante. La materia seca de cada componente por árbol se determinó mediante la relación materia seca-materia verde de las muestras; mientras que la materia seca de cada árbol se obtuvo al sumar todas las relativas a los componentes de cada uno.

Con el propósito de extraer las raíces de los árboles (cosechados), se rastreó el sistema hasta un diámetro mínimo de 5 mm. Con la ayuda de palas, barras y palines se extrajo la mayoría del sistema radical; las raíces que permanecieron enterradas se extrajeron manualmente. Todas las raíces de cada árbol se limpiaron y se pesaron en el campo con una balanza tipo grúa de precisión (0,05 kg) de 150 kg de capacidad. Posteriormente se tomaron muestras para determinar el contenido de humedad y encontrar su peso seco. Con la información del peso seco se construyeron ecuaciones de la biomasa de las raíces utilizando el diámetro como variable explicativa.

Para el muestreo de las raíces en las pasturas se utilizó un barreno de golpe Root Auger Eijkelkamp, que permite obtener cilindros de suelo de 15 cm de longitud y 8 cm de diámetro, los cuales se conservaron a una temperatura de 4°C hasta el momento de su procesamiento. El muestreo se realizó en cada parcela permanente tomando cinco puntos, aleatoriamente, hasta una profundidad de 30 cm (dos muestras por punto). En el potrero asignado como testigo se efectuaron cinco puntos de muestreo hasta 60 cm (cuatro muestras por punto).

Con el fin de descongelar los cilindros y facilitar la separación de las raíces del suelo, éstos se envolvieron en tela de muselina y se sumergieron en agua durante aproximadamente seis horas. Tras repetidos lavados el material radical del pasto quedó en el interior de la tela. Las raíces se secaron en estufa de aire forzado a 801ºC hasta alcanzar un peso constante.

Para estimar la biomasa de la pastura se cosechó el forraje que se encontraba disponible exactamente sobre los puntos de muestreo de las raíces; de este modo es posible establecer las respectivas relaciones entre la biomasa aérea y radical. El pasto, una vez cosechado y debidamente empacado, se llevó al laboratorio para determinar su contenido de humedad y peso seco en una estufa de aire forzado a 80±1ºC.

Una muestra representativa para la determinación del carbono en el suelo se obtuvo de 20 puntos de muestreo aleatorio por parcela, siguiendo el esquema propuesto por Moreno y Lara (2003), y posteriormente se validó el tamaño de muestra óptimo. En cada punto se utilizó un barreno sacabocado para extraer seis muestras de 15 cm de alto hasta alcanzar 90 cm de profundidad. Se establecieron los siguientes estratos en el suelo: 0-15, 15-30, 30-45, 45-60, 60-75 y 75-90 cm. Las muestras de suelo en cada estrato se homogenizaron separadamente en recipientes para obtener muestras representativas.

La determinación del contenido de carbono en el suelo se realizó en el Laboratorio de Suelos de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, mediante el método de combustión húmeda, conocido como procedimiento de Walkley & Black (Jackson, 1964).

Para el cálculo de la existencia de carbono edáfico por hectárea (C t ha^-1) se utilizó la fórmula:

Donde: a es el área en hectáreas, d es la densidad aparente del suelo en toneladas por metros^-cúbicos, Pm la profundidad de muestreo en metros y fc la fracción de carbono (%C/100) obtenida en cada profundidad.

La densidad aparente se calcula relacionando la masa de suelo (MS) en toneladas, con el volumen de suelo (V) en metros cúbicos. La masa de suelo se obtiene como el peso de la muestra de suelo seca en horno a 110±1ºC durante 72 horas y expresada en toneladas (MacDicken, 1997). El volumen es el del barreno para estudios de raíces (750 cm³). El peso de las muestras de suelo secas se determinó en una balanza digital con exactitud de 0,01 g. Las estimaciones de la cantidad de carbono almacenado en los tejidos vegetales se asumieron como 50% de la materia seca (IPCC, 1996; Brown, 1997).

Con el fin de estimar el carbono en las heces y el flujo de este desde los animales al suelo, se monitorearon ocho novillas de levante de la raza Brahman, con un peso promedio de 261,8±4 kg de PV, las cuales pastorearon en forma secuencial en los tres tratamientos de AD, BD y el potrero testigo, y se tomó una muestra diaria de heces frescas directamente del recto de cada animal, en una cantidad aproximada de 140 g, durante un período de tres días consecutivos. Para estimar la cantidad de heces producidas por cada animal en pastoreo, se utilizó como marcador interno la fibra en detergente ácido indigerible, propuesto por Cochran, Adams, Wallace y Galyean (1988), usando la siguiente fórmula propuesta por Lascano (1990):

Producción de heces (kg de MS/100 kg de PV) = %FDAi del forraje/%FDAi de las heces (2)

Donde: %FDA_i es la fibra en detergente ácido indigerible del forraje consumido, y %FDA_i es la fibra en detergente ácido indigerible de las heces.

Para la estimación de la FDA_i del forraje se tomaron manualmente cinco muestras al azar de cada potrero por medio de la técnica Hand Pluck, la cual simula la selectividad de los animales, acorde con lo propuesto por Euclides, Macedo y Oliveira (1962). Posteriormente las muestras fueron incubadas en el rumen de dos bovinos adultos provistos de cánulas ruminales. Para ello se utilizó la técnica de la bolsa de nailon, propuesta por Ørskov, Hovell y Mould (1980) y estandarizada para los forrajes tropicales por Giraldo (1996); se usaron tres bolsas fabricadas con nailon de 18 x 9 cm, con una apertura de poro de 52±10 mm, y se depositaron 20 g de MS/bolsa. Estas se incubaron intrarruminalmente durante 144 horas (seis días), procedimiento recomendado por Waller (1980).

A las muestras de forraje se les efectuaron análisis de FDA en un digestor Ankom 2000^®, siguiendo los procedimientos de la técnica de Van Soest (1982), tanto antes como después de ser incubadas en el rumen de los animales fistulados; se obtuvo así la FDA del forraje fresco y la FDA de los residuos, valores que se utilizaron para cuantificar la FDA indigerible. En los procedimientos para cuantificar la FDA indigerible de las heces se tomaron las muestras de cada animal en forma individual y se les efectuó el análisis de FDA en el digestor Ankom 2000^®, de manera que su valor es la FDA indigerible de las heces, después de haber sufrido todos los procesos digestivos en el tracto gastrointestinal de los animales.

Posteriormente, con los estimados de MS de las heces producidas por los animales en cada tratamiento se halló la cantidad de carbono, asumiendo que, como promedio, el 50% de la materia vegetal (materia orgánica) es carbono, después de removida el agua (MacDicken, 1997). Se efectuaron los cálculos para llevar estos valores a cantidad por año, de acuerdo con el ciclo de pastoreo en el manejo del sistema.

Para las estimaciones de las ecuaciones de biomasa se empleó el modelo alométrico. Este modelo es uno de los más usados para estos propósitos, especialmente utilizando el diámetro del fuste como variable explicativa (Brunig, 1983; Scatena, Silver, Siccama, Jonson y Sánchez, 1993; Chave, Riera y Dubois, 2001). La estimación del modelo alométrico en su forma lineal para A. mangium fue:

Donde Bt es la biomasa aérea en kilogramos y D es el diámetro normal en centímetros.

Con el modelo anterior se puede estimar la biomasa aérea de los árboles considerando únicamente su diámetro normal. Al igual que para la ecuación de la biomasa aérea, se utilizó el diámetro como variable explicativa para estimar la ecuación de biomasa para las raíces de los árboles. El modelo obtenido para las raíces es el siguiente:

Donde BR es la biomasa radical total de un árbol en kilogramos y D es el diámetro del fuste medido en centímetros. El modelo (5) se utilizó en su forma no lineal para predecir la biomasa total del sistema radical hasta 5 mm de diámetro en todos los árboles de cada parcela y posteriormente su equivalente en carbono por hectárea. En la tabla 1 se presentan las estimaciones de las existencias de carbono por parcela en la parte aérea de los árboles a partir de las estimaciones de biomasa realizadas con las ecuaciones.

Las estimaciones del carbono por hectárea en el sistema radical hasta 5 mm de diámetro representaron, en promedio, el 45,8% del carbono almacenado en la parte aérea en el SSP de AD y el 26,6% del carbono almacenado en la parte aérea del SSP de BD. Los porcentajes de carbono almacenados en las raíces en los dos SSP, superaron entre 10 y 15% el rango de valores propuesto en la literatura para hacer estimaciones conservadoras del carbono en este compartimiento (MacDicken, 1997).

En la figura 2 se presentan las estimaciones de la existencia de carbono en la parte aérea y radical del pasto B. dyctioneura, tanto en el potrero testigo como en las parcelas del SSP. La existencia de carbono en la parte radical de los SSP de BD y AD no difirió significativamente de las encontradas en el potrero testigo.

La densidad aparente del suelo no presentó una tendencia clara con la profundidad, debido a la heterogeneidad del suelo de este sitio; es común encontrar capas de depósitos rocosos en el perfil del suelo y además el intervalo de muestreo es corto. Estas variaciones en la densidad aparente del suelo afectaron también las tendencias de contenido de carbono en el perfil (fig. 3).

En el tratamiento AD se estimaron 16,674 t C ha^-1 en los primeros centímetros de suelo (0-5 cm); en cambio, el carbono edáfico de los primeros centímetros en el SSP de BD fue de 19,675 t C/ha, sin diferir de lo encontrado en el potrero testigo (20,406 t).

La tabla 2 muestra la producción estimada de heces, en kg de MS/100 kg de PV. Esta fue superior en el SSP de AD, con diferencias significativas respecto a los demás tratamientos; no se presentaron diferencias entre el SSP de BD y el potrero testigo. En este trabajo no se evaluó la tasa de descomposición e incorporación de las heces al suelo; sin embargo, los trabajos realizados por Soca, Simón, Sánchez y Gómez (2002) han mostrado una incorporación más rápida de las heces en los sistemas silvopastoriles, comparado con los potreros sin árboles.

En la tabla 3 se resumen los datos estimados de la cantidad de carbono excretado por animal por día, kilogramo por hectárea por ciclo de pastoreo y kilogramo por hectárea por año. La cantidad de carbono que fluyó en el sistema a través de las heces fue mayor en los SSP; en el tratamiento AD se encontró 30,4 kg/ha/año y en BD 27,39 kg/ha/año; en el monocultivo este valor fue menor (27,12 kg/ha/año).

La tabla 4 resume la información acerca de las existencias de carbono. Esta cuantificación se debe realizar cada año (mediante monitoreo), con el propósito de estimar el incremento en la captura de carbono y determinar las diferencias de carbono con respecto al potrero testigo y así poder cuantificar la adicionalidad ambiental (diferencia de carbono entre la línea base: potrero testigo, y la situación con proyecto: SSP bajo los delineamientos de proyectos de MDL) (IPCC 2001).

Se pudo proponer y probar una de las primeras propuestas metodológicas de cuantificación del carbono en los diferentes compartimientos en SSP de Colombia. Su mayor virtud radica en la precisión y la intensidad para efectuar dichas determinaciones.

La biomasa aérea y radical de los árboles es el compartimiento del que se espera una mayor asimilación de carbono atmosférico, ya que marcó las diferencias en existencia de carbono con respecto al potrero testigo. La mayor proporción de raíces del pasto se encontró en los primeros 15 cm del suelo; de igual modo, la mayor proporción de raíces finas de los árboles se presentó en los primeros 15 cm.

El compartimiento biomasa de pasturas mostró una disminución en su existencia de carbono cuando se asoció con árboles bajo SSP en las densidades probadas, especialmente en el sistema radical; sin embargo, se demostró que el SSP posee ventaja en cuanto a su capacidad de almacenar carbono y presentar más altas tasas de asimilación que el sistema de pastoreo sin árboles.

El compartimiento suelo se presentó como el más importante reservorio en cuanto a cantidad de carbono dentro de los sistemas. Las mayores proporciones de carbono orgánico del suelo se encontraron en la parte más superficial (30 cm).

Es necesario realizar un cauteloso monitoreo de la biomasa de los árboles, puesto que es un compartimiento muy dinámico, es decir presenta flujos de captura más rápidos y de mayor magnitud que cualquier otro compartimiento.

La estimación de la producción de heces de los animales corrobora que el componente animal en estos sistemas acelera los flujos de carbono entre compartimientos y, por tanto, las determinaciones de la existencia de carbono en la vegetación deben involucrar la interacción de esta con los rumiantes como producto del manejo impuesto al SSP.

La estimación de la producción de heces bajo el manejo del pastoreo en SSP es un primer paso, pero seguro, para estimar un balance de carbono en los SSP, que involucre las emisiones por las heces y el metano producto de la fermentación ruminal de la dieta consumida por los animales (pasto más arbórea), así como la captura (en suelo, pastura y árboles).

Se logró demostrar la adicionalidad ambiental de los SSP vistos como potenciales propuestas para desarrollar proyectos bajo el MDL; no obstante, es necesario demostrar cómo la evaluación económica de estos sistemas en la región cumple con la adicionalidad financiera.

A la Universidad Nacional de Colombia, Vicerrectoría Académica, Dirección Nacional de Investigación (DINAIN) por la financiación del proyecto "Determinación y monitoreo de algunos servicios ambientales de sistemas silvopastoriles en Antioquia". A COLCIENCIAS por su apoyo con el programa Jóvenes Investigadores.

1. Brown, S. 1997. Los bosques y el cambio climático: El papel de los terrenos forestales como sumideros de carbono. Congreso Forestal Mundial, Turquía

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