Instituto Politécnico Nacional Escuela Nacional de Ciencias Biológicas

Maestría en Ciencias Quimicobiológicas

Determinación del flujo de gases de efecto invernadero en suelos agrícolas del altiplano mexicano

Que para obtener el título de Maestro en Ciencias presenta:

Q.B.P. Daniel Alejandro Ramírez Villanueva

Directores de tesis: Dra. María Soledad Vásquez Murrieta Dr. En Tao Wang Hu

México 2012

ii

iii

El trabajo experimental de esta tesis se llevó a cabo en el Laboratorio de Ecología Microbiana de Suelos del departamento de Microbiología de la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional bajo la dirección de la Dra. María Soledad Vásquez Murrieta y el Dr. En Tao Wang Hu, en colaboración con el laboratorio de Ecología de Suelos del Centro de Investigación de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Zacatenco), y el Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT, Int., Texcoco, Edo. De Mex.)

El trabajo de investigación formó parte de los proyectos: 1.- CONACYT-98042 2.- SIP-20120068 3.- ICyT DF- 364

El sustentante fue becario CONACYT con el CVU 385188 y número de becario 256182.

La investigación y trabajo de tesis recibió apoyo de logística, seguimiento y recursos económicos de MasAgro y el CGIAR Research Program on Climate Change, Agriculture and Food Security (CCAFS) a través de CIMMYT.

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El comité tutorial para la revisión de esta tesis estuvo integrado por: •

Dra. Aida Verónica Rodríguez Tovar

•

Dr. Carlos Fabián Vargas Mendoza

•

Dra. Enriqueta Feliciana Amora Lazcano

•

Dr. Luc Dendooven

v

Agradecimientos

Agradecimiento muy especial a la Dra. Soledad Vásquez Murrieta y al Dr. Luc Dendooven por brindarme su confianza, tiempo, recursos y esfuerzo para la realización de este trabajo.

Al comité tutorial, por dedicar parte de su tiempo para llevar a cabo la revisión y correcciones necesarias de este proyecto.

A la Dra. Nele Verhulst y al Dr. Bram Govaerts, por el apoyo de logística y económico para poder realizar gran parte de este trabajo experimental.

A ma y pa por todos sus consejos, apoyo y cariño que siempre me acompañan donde quiera que esté.

A mis amig@s, Carlito, Poncho, Mane, Fey, Isra, Jes, Clau, por todo su apoyo y amistad siempre, en todo momento y circunstancias.

A toda la gente que rodea y abraza mi vida de muchas formas.

vi

Índice Índice de tablas

viii

Índice de figuras

ix

Resumen

1

Abstract

2

1.Introducción

3

1.1. Gases de efecto invernadero (GEI)

3

1.1.1. Dióxido de carbono (CO2)

4

1.1.2. Metano (CH4)

5

1.1.3. Óxido nitroso (N2O)

7

1.2. La agricultura y la mitigación de los gases de efecto invernadero

8

1.2.1. Agricultura de conservación y su efecto sobre la emisión de GEI

9

1.2.2. Potencial de calentamiento global de la agricultura de conservación

11

2. Justificación

12

3. Objetivos

13

3.1. Objetivo general

13

3.2. Objetivos particulares

13

4. Hipótesis

14

5. Materiales y métodos

15

5.1. Diagrama general de trabajo

15

5.2. Descripción del sitio de experimental

15

5.3. Descripción del ensayo en campo

16

5.4. Medición de la emisión de CO2, CH4 y N2O

18

5.5. Muestreo y análisis del suelo

20

5.5.1. Determinación del contenido volumétrico de agua

20

5.5.2. Determinación de nitrógeno mineral del suelo de estudio

21

5.6. Cálculo del potencial de calentamiento global (GWP)

22

5.7. Análisis estadístico de datos

23

6. Resultados y discusión

24

6.1. Contenido volumétrico de agua

24

6.2. Nitrógeno mineral del suelo

26

6.3. Flujos de CO2, CH4 y N2O

29

6.4. Potencial de calentamiento global

32

7. Conclusiones

35

8. Bibliografía

36

9. Apéndice

40

vii

Índice de tablas Tabla 1.

Tratamientos utilizados para la medición de la emisión de GEI en campo.

17

Tabla 2.

Efecto de la agricultura de conservación con retención de residuos (ZTKMW)

26

y la agricultura convencional con remoción de residuos y monocultivo (CTRMM) en el contenido volumétrico de agua (%). Tabla 3.

Determinación de NH4+, NO2-, NO3-, como N inorgánico y la emisión

27

acumulada anual de CO2, N2O, y CH4 para los principales tratamientos agrícolas que corresponden a los tratamientos con cero labranza, retención de residuos y rotación de cultivos (ZTKWM) y labranza convencional, remoción de residuos y monocultivo (CTRMM) del 30 Mayo de 2011 al 23 de Abril de 2012. Tabla 4.

Potencial de calentamiento global en el año 2011-2012 de agricultura de conservación y agricultura convencional.

viii

33

Índice de figuras Figura 1 Figura 2 Figura 3

Figura 4

Emisiones de CO2 causadas por la respiración animal y vegetal (Singh y col., 2010). Emisiones de metano de origen microbiano en el suelo (Singh y col., 2010). Emisiones de N2O provenientes del suelo a partir de la nitrificación y desnitrificación (Singh y col., 2010) Prácticas agrícolas: Agricultura tradicional o convencional vs agricultura de conservación (Revista EnlACe 2011)

5 6 7

10

Figura 5

Diagrama general de trabajo

15

Figura 6

Parcelas del experimento en campo

17

Figura 7

Cámara para muestreo de gases

19

Figura 8

Puerto de muestreo y válvula.

19

Figura 9

Diagrama de muestreo de suelo para N inorgánico

21

Figura 10

Contenido volumétrico de agua (%) en el año 2011-2012 en los distintos tratamientos de agricultura

25

Concentración de amonio (NH4+) (mg N kg−1 suelo) en el año 2011-2012 en Figura 11

los distintos tratamientos de agricultura. Barras son + una desviación

27

estándar Figura 12

Figura 13

Concentración de nitrato (NO2-) (mg N kg−1 suelo) en el año 2011-2012 en los distintos tratamientos de agricultura. Barras son + una desviación estándar Concentración de nitrato (NO3-) (mg N kg−1 suelo) en el año 2011-2012 en los distintos tratamientos de agricultura. Barras son + una desviación estándar

28

29

Emisión de dióxido de carbono (CO2) (g C ha-1 d-1) en el año 2011-2012 en Figura 14

los distintos tratamientos de agricultura. Barras son + una desviación

30

estándar Figura 15

Figura 16

Emisión de metano (CH4) (g C ha-1 d-1) en el año 2011-2012 en los distintos tratamientos de agricultura Barras son + una desviación estándar Emisión de óxido nitroso (N2O) (g N ha-1 d-1) en el año 2011-2012 en los distintos tratamientos de agricultura. Barras son + una desviación estándar

ix

31

32

Resumen

En la actualidad, se buscan todas las opciones posibles para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), principalmente el dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N2O) y el metano (CH4). Actualmente, las emisiones de GEI originadas por la agricultura a nivel mundial son alrededor del 20% del incremento anual total, por lo que se busca una disminución sustancial de estas emisiones mediante la agricultura de conservación (AC). En este trabajo se realizó la evaluación de la AC y de la agricultura convencional y se determinó el potencial de mitigación de la AC en función de la emisión de gases y su relación con el potencial de calentamiento global (del inglés GWP). Los ensayos de esta tesis dan continuación a un experimento iniciado en 1991 en la estación experimental “El Batán”, del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT) en México. En este trabajo se evaluaron las emisiones de GEI en cultivos de maíz y trigo, durante los meses comprendidos entre mayo de 2011 y abril de 2012. Asimismo, se evalúo el contenido de humedad y el contenido de nitrógeno inorgánico, como factores que pueden verse influenciados por las prácticas agrícolas.

En la evaluación del contenido volumétrico de agua en los distintos tratamientos agrícolas, no es posible observar diferencias significativas que permitan reconocer cuál es la práctica de cultivo que retiene más agua en suelo. El contenido de nitrógeno inorgánico, tanto en forma de amonio (NH4+), así como nitrato (NO3-) y nitrito8 NO2-) entre los distintos tratamientos, no presenta diferencias significativas. Al realizar la evaluación de la emisión de GEI para cada uno de las prácticas agrícolas, no existen diferencias significativas influenciadas por ninguno de los tratamientos analizados. Por último, se determinó el potencial de calentamiento global (GWP) para el sistema de agricultura convencional y por otro lado la agricultura de conservación. En la evaluación se determinó que la agricultura de conservación (AC) presenta un potencial negativo neto de -7863 kg eq CO2 ha-1 año-1, mientras que la agricultura convencional presenta un potencial de calentamiento global neto de 1178 kg eq CO2 ha-1 año-1. Esto nos indica de manera global, que la agricultura de conservación permite mitigar las emisiones netas de CO2 de la agricultura a la atmósfera en el altiplano mexicano.

1

Abstract

Today, we look for all possible options to mitigate emissions of greenhouse gases (GHG), mainly carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O) and methane (CH4). Worldwide, there are several groups that evaluate GHG emissions in agricultural soils in Mexico is unknown what the contribution of agricultural areas, located in central Mexico. Currently, GHG emissions caused by agriculture worldwide is about 20% of the total annual increase, so look for a substantial reduction of these emissions through conservation agriculture (CA). In this paper, the evaluation of CA and conventional agriculture and determined the mitigation potential of CA in terms of greenhouse gas emissions and their relationship to the global warming potential (GWP English). The essays in this thesis give then an experiment begun in 1991 at the experimental station "El Batán", the International Center for Maize and Wheat Improvement (CIMMYT) in Mexico. This study evaluated the GHG emissions in corn and wheat during the months between May 2011 and April 2012. Also evaluated the content of moisture and inorganic nitrogen content as factors that can be influenced by agricultural practices.

In the evaluation of volumetric water content in the different agricultural treatments, it is not possible to observe significant differences to recognizing what is the cultural practice that retains more water in soil. The inorganic nitrogen content, both in the form of NH4+ and NO3- and NO2- between treatments do not show significant differences. In making the assessment of GHG emissions for each agricultural practices, no significant differences influenced by any of the treatments analyzed. Finally, we determined the global warming potential (GWP) for the conventional farming system and on the other side of conservation agriculture. The evaluation determined that conservation agriculture (CA) has a net negative potential of -7863 kg CO2 eq ha-1 yr-1, whereas conventional agriculture has a net global warming potential of 1178 kg CO2 eq ha-

1

year-1. This indicates as a whole, that

conservation agriculture can mitigate net emissions of CO2 from agriculture to the atmosphere in the Mexican highlands.

2

1. Introducción

El distinguido científico victoriano John Tyndall (1820–1893) fue uno de los primeros en apreciar que algunos gases, que constituyen la atmósfera, actúan como los llamados gases de efecto invernadero (GEI). La concentración atmosférica de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), así como otros gases ha ido en aumento continuo desde comienzos de la revolución industrial (alrededor del año 1850) (Conrad, 1996; Lokupitiya y Paustian, 2006). Este aumento se ha originado principalmente por actividades humanas (Reay y col., 2007), como la industria, basada en el consumo de combustibles fósiles y la agricultura, basada en la deforestación y conversión a suelos cultivables, que involucran el uso intensivo de fertilizantes o de abonos animales (Lal, 2002). De acuerdo a Cole y colaboradores (1997), las emisiones agrícolas combinadas de CO2, CH4 y de N2O, suman alrededor de 20% del incremento anual de GEI a la atmósfera. De manera especial, los suelos agrícolas son una de las principales fuentes de emisión de los gases mencionados anteriormente. (Lokupitiya y Paustian, 2006).

1.1. Gases de efecto invernadero (GEI)

Aunque las concentraciones de los otros gases (CH4 y N2O) que tienen un efecto invernadero, son pequeñas en comparación al CO2, son más efectivos en la absorción de radiación infrarroja y por lo tanto, en la contribución al calentamiento global de acuerdo a lo siguiente: Un kg de CH4

tiene un potencial de

calentamiento global (GWP, del inglés Global Warming Potential) 23 veces mayor que uno de CO2, mientras que un kg de N2O, es casi 300 veces mayor en comparación al CO2 (Smith y col., 2003). El CO2, el CH4 y el N2O, tienen tiempos relativamente largos de vida en la atmósfera y por lo tanto son los mayores contribuyentes en el calentamiento global (Jhonson y col., 2007).

3

1.1.1. Dióxido de carbono (CO2) El CO2 es el gas de mayor importancia en la contribución al cambio climático (Unger y col., 2009). El aumento se debe principalmente a la quema de combustible fósil, actividades industriales y a los cambios del uso de suelo, como por ejemplo, la deforestación y el uso de estos suelos para la agricultura (PonceMendoza y col., 2006). A partir de los dos últimos siglos, las emisiones han contribuido al incremento del CO2 atmosférico de un nivel preindustrial de 280 ppm a más de 380 ppm en 2006 (Doney y Schimel, 2007). Algunas de las estimaciones internacionales se llevan a cabo conforme al protocolo de Kyoto, en donde se involucra la reducción de la emisión de los GEI asociada a la producción agrícola, además de mejorar el potencial de captura de carbono a través de estos suelos (Mondini y col., 2006). El aumento de CO2 ocasionado de manera antropogénica es claro; sin embargo, el efecto climático a futuro es incierto (Breecker y col., 2009).

Los ecosistemas terrestres se conectan estrechamente a los niveles de CO2 atmosférico, a través de la fijación de CO2 a través de la fotosíntesis, secuestro de carbono por la biomasa en el suelo, y por la subsecuente emisión de CO2 a través de la respiración y descomposición de la materia orgánica (Drigo y Kowalchuk, 2008; Smith y col., 2008). La emisión de CO2 resultante de la vegetación y de la respiración, que se lleva a cabo en el suelo, es de 10 a 15 veces mayor que las emisiones originadas por la quema de combustibles fósiles (Figura 1) (Smith y col., 2003). De manera general, se reconoce que las emisiones de CO2 a partir de los suelos, son uno de los mayores flujos en el ciclo del carbono, por lo que, ligeros cambios en la magnitud de emisión de CO2 de la superficie de los suelos, pueden tener un gran impacto en la concentración de este gas en la atmósfera (Schlesinger y Andrews, 2000).

4

Figura 1. Emisiones de CO2 causadas por la respiración animal y vegetal (Singh y col., 2010).

Se ha propuesto un gran número de estrategias para mitigar los efectos del calentamiento global. La capacidad de los diferentes tipos de suelos (p. ej. bosques, pastizales y suelos arables) para almacenar carbono son diferentes y se han sugerido para el almacenamiento de carbono, por lo que esta opción ha recibido un interés científico considerable (Singh y col., 2010). La capacidad de los suelos para secuestrar carbono orgánico no sólo depende de las características inherentes de los suelos, también depende de las características de la materia orgánica así como de las prácticas de cultivo (Mondini y col., 2006). De esta manera sería posible mitigar el incremento del CO2 por acción humana (Woodward y col., 2009).

1.1.2. Metano (CH4) El CH4 es el segundo GEI más importante después del CO2 y 20 veces más potente, en función de su potencial de calentamiento global (Beerling y col., 2007). Las emisiones naturales de este gas están dominadas por la metanogénesis microbiana, un proceso que se lleva a cabo principalmente por un grupo de bacterias anaeróbicas presentes en pantanos, océanos, intestinos de rumiantes y

5

termitas (Singh y col., 2010). Más del 50% de las emisiones de metano presentes son de origen antropogénico (Frannkenberg y col., 2005), principalmente por el cultivo de arroz, disposición de desechos, extracción de combustibles fósiles así como por la ganadería y agricultura. Sin embargo, dejando de lado la extracción de combustible fósil, todas las demás actividades en donde hay emisión de este gas, se llevan a cabo por microorganismos (Figura 2) (Singh y col., 2010).

Figura 2. Emisiones de metano de origen microbiano en el suelo (Singh y col., 2010).

La producción de metano se debe en su mayoría, a la degradación de materia orgánica bajo condiciones anóxicas. Las inundaciones temporales, aparentemente producen más CH4 que aquellos lugares en donde de manera permanente el suelo está inundado.

En el debate político del cambio climático, los proyectos de captura de metano obtuvieron mucha aceptación por la capacidad de mitigar la emisión de GEI. La captura de metano, generalmente es con el propósito de utilizarlo como fuente de energía, la cantidad de metano capturado de cada sistema de donde se obtenga, dependerá de los desarrollos legislativos, regulaciones, economía y de la tecnología presente (Bracmort y col., 2011).

6

1.1.3. Óxido nitroso (N2O) Ningún otro elemento importante para la vida adquiere tantas formas en el suelo como el nitrógeno (N); sin embargo, varias de las formas que adopta también pueden ser contaminantes. Teniendo en cuenta estas transformaciones, es primordial comprenderlas, con la finalidad de tener ecosistemas productivos y saludables (Conrad, 1996). Las transformaciones microbianas del N que se llevan a cabo en el suelo, contribuyen alrededor del 70% en la emisión anual de N2O (McLain y Martens, 2005). Estas emisiones son el resultado principal de dos fenómenos que están interactuando entre si, la producción y consumo que se llevan a cabo en el suelo (Figura 3) (Conrad, 1996; Martin y col., 2008; Singh y col., 2010). La emisión de N2O a partir de los suelos por efecto de la desnitrificación, así como de la nitrificación no sólo depende de los factores ambientales o de los factores del manejo agrícola, tales como las lluvias, temperatura, fertilización, irrigación y acumulación de metales pesados, algunas propiedades del suelo, como el pH, el contenido de materia orgánica y el tamaño de partícula también están involucrados (Cheng y col., 2004).

Figura 3. Emisiones de N2O provenientes del suelo a partir de la nitrificación y desnitrificación (Singh y col., 2010).

7

Debido a la creciente concientización de la importancia de las emisiones de N2O y NOx de los suelos (Liu y col., 2007), así como la necesidad de estimar las emisiones regionales y globales en la atmósfera (su contribución al efecto antropogénico de los GEI se ha estimado en 6%) (IPCC, 2007), se realizan una gran cantidad de acciones y estudios que permitan obtener un inventario de las emisiones de este gas (Wang y col., 2004).

1.2. La agricultura y la mitigación de los gases de efecto invernadero

Los métodos para la mitigación de la emisión de CO2 en los agroecosistemas pueden dividirse en: la disminución de emisiones y en aumento en el almacenamiento de carbono (Guo y Zhou, 2007). La emisión de GEI provenientes de los sistemas agrónomos es altamente dependiente del manejo que se lleve a cabo en estos suelos. La manipulación de la agricultura puede mitigar el balance radiactivo e incrementando el carbono orgánico en suelo, de manera tal que disminuirían las emisiones de GEI (Liebig y col., 2005).

El mejoramiento en el secuestro de carbono requiere de un incremento en la productividad primaria, sin un incremento equivalente en la mineralización de los residuos o de materia orgánica. La materia orgánica del suelo (MOS), no solo contribuye de manera directa y muy fuerte en la fertilidad del suelo, también tiene una intervención importante en lo concerniente al secuestro de carbono. Pequeños cambios locales en las reservas de la MOS pueden potenciar un aumento significativo, además, algunas fracciones de la MOS son relativamente dinámicas y pueden verse influenciadas por las diferentes prácticas agrícolas (Liu y col., 2007).

Las distintas prácticas de labranza tienen la capacidad de mitigar el calentamiento global, ya que es susceptible del mejoramiento de secuestro de carbono. No obstante, la labranza también puede incrementar bajo ciertas circunstancias las emisiones de N2O, contrarrestando los beneficios del secuestro

8

de carbono. En resumen, la pérdida histórica de carbono de los suelos originada por cultivos muy antiguos puede estar ligada directamente a la tendencia actual del calentamiento global. Como consecuencia, el mayor reto para el sector agrícola es aumentar el carbono secuestrado y disminuir las emisiones de N2O a través de nuevas prácticas de manejo de suelos (Lee y col., 2009). Los cambios en las prácticas de labranza, el manejo de residuos y la rotación de cultivos han tenido la mayor influencia alterando en número y composición la flora y fauna, incluyendo a los organismos tanto benéficos como a las plagas (Govaerts y col., 2007).

1.2.1. Agricultura de conservación y su efecto sobre la emisión de GEI

La agricultura de conservación (AC), con base en la mínima labranza, retención de residuos de cosecha así como la rotación de cultivos, se ha propuesto como una vía para la sustentabilidad de los sistemas de producción agrícola y como un sistema alternativo combinado, benéfico para el productor y con ventajas para la sociedad (Figura 4) (CASA, 2005; Govaerts y col., 2009b).

La reducción de la labranza en combinación con la retención de los residuos en la superficie de los suelos puede aumentar la infiltración de la humedad, reducir la erosión y aumentar la eficiencia del uso del agua en comparación con la agricultura tradicional o convencional (Govaerts y col., 2009a); además se preservan las condiciones semi-naturales debido a los disturbios originados por el cultivo, minimizando la degradación fisicoquímica (Oicha y col., 2009).

9

Figura 4. Prácticas agrícolas: Agricultura tradicional o convencional vs agricultura de conservación (Revista EnlACe 2011).

Los microorganismos del suelo pueden degradar moléculas orgánicas complejas presentes en el mismo, dependiendo de su disponibilidad (White, 2000). Entre mayor sustrato esté disponible en el suelo, mayor será la materia orgánica que se puede descomponer y subsecuentemente la emisión de CO2 será mayor (Mosier y col., 2006). La disponibilidad de sustratos se ve influenciada por dos factores principalmente; el primero de esos factores es la labranza, y determina la accesibilidad de la materia orgánica. En los sistemas agrícolas donde no se practica la labranza, los macroagregados son más estables en comparación a los sistemas donde el suelo lleva un proceso de labranza (Lichter y col., 2008), por lo tanto, la materia orgánica se queda en el interior de los agregados y no es accesible para degradación microbiana (Christensen, 2001). El segundo de los factores que determina la disponibilidad de los sustratos es el manejo de los residuos del cultivo, la retención de residuos incrementa la actividad microbiana y la emisión de CO2 (Govaerts y col., 2007). Sin embargo, la tasa de descomposición de estos residuos es dependiente de si se lleva a cabo la técnica de labranza o no, ya que por medio de la labranza, los residuos se incorporan en el suelo, lo que maximiza el contacto de la materia orgánica con el suelo y por lo tanto, existe una rápida degradación de los residuos (Drury y col., 2006). Por el contrario, a lo que sucede con el sistema sin labranza, los residuos permanecen

10

en la superficie del suelo, teniendo un menor contacto con el mismo, lo que origina una descomposición más lenta de los residuos (Douglas y col., 1980).

Se han sugerido estudios, donde la conversión de la agricultura convencional a la agricultura de conservación puede secuestrar CO2 atmosférico, a una tasa de 0.1% ha-1 por año a una profundidad de 0- 5 cm en el suelo (Sainju y col., 2010). El perfeccionamiento en el manejo de los suelos agrícolas puede incrementar la capacidad para el almacenamiento de carbono mientras se reduce la emisión de CO2. El uso de prácticas agrícolas donde no hay labranza reducen las emisiones de CO2, además de mejorar la calidad del suelo (Guo y Zhou, 2007). Sin embargo, no se puede garantizar que el cambio de la agricultura convencional a la agricultura de conservación logrará la mitigación de las emisiones de los GEI. En algunas regiones, se puede lograr un aumento en el almacenamiento o secuestro de carbono, mientras que hay una disminución en el GWP mediante un apropiado ajuste de la agricultura de conservación (Synder y col., 2009)

1.2.2. Potencial de calentamiento global de la agricultura de conservación

El balance general en el intercambio neto de CO2, CH4 y N2O entre el suelo y la atmósfera, constituye el potencial de calentamiento global (GWP) de un sistema de producción agrícola. (Robertson y Grace, 2004). El GWP de estos sistemas es más sensible a cambios en la emisión de N2O y de CH4 que a los cambios originados por las emisiones de CO2 (IPCC, 2001). Diversos

estudios

han

concluido

que

los

sistemas

de

agricultura

convencional son una mayor fuente de GWP en comparación con los sistemas de agricultura de conservación, los cuales se consideran como sumideros del GWP (Robertson y col., 2000; Mosier y col., 2006).

11

2. Justificación

Los suelos agrícolas son una fuente de emisión importante de los denominados GEI. Sin embargo, este tipo de suelo también se puede utilizar como almacenes de los precursores de estos gases, al mismo tiempo que se mejora la calidad y cantidad

de

los

productos

cultivables

procedentes

de

estos

suelos.

Desafortunadamente a la fecha, no existen datos suficientes que nos permitan conocer cuál es el comportamiento de emisión de GEI en suelos cultivables del altiplano mexicano. De manera tal, que teniendo un mejor entendimiento de la emisión de estos gases en suelos mexicanos, será posible proponer y desarrollar nuevas prácticas de manejo y/o tecnologías que nos permitan en un futuro, mitigar los efectos adversos que ocasionan las emisiones de los gases con efecto invernadero, al mismo tiempo que se favorece la producción de granos para uso y consumo humano.

12

3. Objetivos

3.1. Objetivo general

Evaluar y analizar la emisión de GEI proveniente de suelos agrícolas bajo diferentes prácticas de manejo ubicados en el altiplano mexicano.

3.2. Objetivos particulares

•

Analizar la emisión de N2O, CH4 y CO2 en agroecosistemas bajo agricultura

convencional y agricultura de conservación. •

Evaluar la mineralización de nitrógeno en suelos agrícolas con diferentes

prácticas de manejo. •

Determinar el contenido volumétrico de agua en suelos agrícolas con

diferentes prácticas de manejo •

Calcular el potencial de calentamiento global (GWP) causado por GEI

provenientes de suelos agrícolas con diferentes prácticas de manejo.

13

4. Hipótesis

Ha.- La agricultura de conservación aplicada en los agroecosistemas contribuirá a la mitigación de los efectos adversos de los GEI durante el ciclo anual de siembra y cosecha.

H0.- La agricultura de conservación aplicada en los agroecosistemas no contribuirá en la mitigación de los efectos adversos de los GEI durante el ciclo anual de siembra y cosecha.

14

5. Materiales y métodos

5.1. Diagrama general de trabajo

En la figura 5 se presenta el diagrama general de trabajo para la realización del presente estudio.

*

Figura 5. Diagrama general de trabajo. *Descripción CT R MM

Labranza convencional, remoción de residuos, monocultivo

CT R MW

Labranza convencional, remoción de residuos, rotación de cultivos

CT K MW

Labranza convencional, retención de residuos, rotación de cultivos

ZT R MW

Sin labranza, remoción de residuos, rotación de cultivos

ZT K MW

Sin labranza, retención de residuos, rotación de cultivos

5.2. Descripción del sitio de experimental

El campo experimental donde se realizó el estudio, se encuentra en las instalaciones del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT), en las inmediaciones de El Batán, localizado muy cerca del ex-lago de Texcoco, ubicado en el altiplano semi-árido y subtropical del centro de México a una altitud

15

de 2240 msnm (19.31° N, 98.50° O), con una temperatura promedio mensual de 12.5°C a 17.5°C. El promedio de precipitación pluvial anual es de 600 mm, de los cuales, 520 mm caen entre los meses de mayo y octubre, lluvias intensas y cortas seguidas de semanas secas caracterizan la temporada lluviosa provocando un potencial de evapotranspiración de 1900 mm (Govaerts y col., 2007). El suelo se clasifica, de acuerdo al Sistema de Referencia Mundial (del inglés WRB; IUSS Working Group WRB, 2006), como Phaeozem Cumulic o como Haplustoll Cumulic con base al Sistema Taxonómico del Suelo de USDA. El suelo tiene la característica de mantener una buena condición química y física para la agricultura, teniendo como limitantes periodos largos de sequía, lluvias excesivas de temporada y erosión eólica e hídrica (Govaerts y col., 2009a). Este estudio parte de una investigación a largo plazo que comenzó en 1991 con la finalidad de experimentar los efectos de diferentes prácticas de labranza y siembra, rotaciones de cultivo, así como el manejo de residuos para el mejoramiento de cultivos de maíz y de trigo bajo condiciones de riego de temporal en parcelas de 7.5 x 22 m (Govaerts y col., 2008). El diseño experimental consta de 32 prácticas de manejo distintas aleatorizadas con duplicados, ubicadas en dos bloques; para este trabajo se tomaron en cuenta 5 de estas prácticas de manejo (Figura 6).

5.3. Descripción del ensayo en campo

Las diferentes prácticas de manejo consideradas en este experimento involucran la aplicación de labranza convencional (CT, conventional tillage) o cero labranza (ZT, zero tillage). La retención de residuos en la parcela (K, keep) o la remoción de los residuos de la parcela (R, removed). Además de la rotación anual de los cultivos, tanto de maíz (Zea mays) como de trigo (Triticum aestivum), ya sea monocultivo (MM), o rotación maíz-trigo (MW) Para este periodo se llevo a cabo el cultivo de trigo en las parcelas con rotación (Tabla 1).

16

Tabla 1. Tratamientos utilizados para la medición de la emisión de GEI en campo.

Tipo de labranza

Manejo de residuos

Cultivo

Labranza convencional (1)

Sin remoción

Maíz y trigo

(CT)

(K)

(MW)

Labranza convencional (2)

Remoción

Maíz y trigo

(CT)

(R)

(MW)

Labranza convencional (3)

Remoción

Maíz

(CT)

(R)

(MM)

Sin labranza (4)

Remoción

Maíz y trigo

(ZT)

(R)

(MW)

Sin labranza (5)

Sin remoción

Maíz y trigo

(ZT)

(K)

(MW)

N

1

4

2

3 94m

1

5 4 2

3

120m

Figura 6. Parcelas del experimento en campo

17

5

En el tratamiento de labranza convencional (CT), los residuos producidos por el crecimiento de la planta, denominados rastrojo, se retiran después de la cosecha; mientras que en el tratamiento sin labranza (ZT), el rastrojo se deja en la superficie de manera que forme una cama regular. En la agricultura convencional, se realizan operaciones después de llevar a cabo la cosecha, que consisten en la aplicación de un desbastador agrícola a una profundidad de 30 cm, seguido por dos aplicaciones con una grada de discos a una profundidad de 20 cm y dos aplicaciones con una grada de dientes de 10 cm de profundidad. La grada de dientes se utiliza cuando se requiere controlar la maleza durante la temporada de sequía. Esta operación de labranza se realiza tanto en diciembre, como en el mes de mayo, con la finalidad de preparar la cama para las semillas. En el tratamiento ZT, el control de la maleza durante la temporada de sequía se realiza mediante la aplicación de un herbicida adecuado, sólo si es necesario. El cultivo, tanto de maíz como de trigo, dependen del comienzo de las lluvias en verano, usualmente entre el 5 y 15 de junio (Govaerts y col., 2008).

Las prácticas de siembra para este estudio, son las que actualmente se recomiendan para el cultivo de maíz a 25 kg de semillas por ha-1, con un espaciado de 75 cm entre cada perforación, mientras que el trigo se siembra a 110 kg de semillas por ha-1, con un espaciado de 20 cm entre cada una de las perforaciones. Ambos cultivos se fertilizan con urea a una tasa de 150 kg N/ha-1. Para el caso de trigo, la aplicación de urea se realiza después de la aparición del primer nodo de la plántula, mientras que para el cultivo de maíz, la urea se aplica después de la aparición del desarrollo de la quinta o sexta hoja de la planta.

5.4. Medición de la emisión de CO2, CH4 y N2O El monitoreo del flujo de GEI comenzó el día 30 de mayo de 2011 y se realizó dos veces por semana entre los meses de mayo a septiembre de 2011 y una vez por semana de octubre de 2011 al mes de abril de 2012. Las emisiones de CO2, CH4 y N2O se registraron de manera simultánea mediante tres cámaras

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cilíndricas de PVC, dispuestas de manera lineal y equidistantes entre el tercer y cuarto surco de cada una de las parcelas que constituyen el experimento (Figura 7). Las cámaras tienen una altura de 25 cm y un diámetro interno de 20 cm a sugerencia de Parkin y col. (2003). Tienen una cubierta plástica de PVC removible que cuenta con puerto de muestreo con un tapón de goma de butilo y una válvula de venteo (Figura 8). Válvula

Puerto de muestreo

Figura 7. Cámara para muestreo de gases.

Figura 8. Puerto de muestreo y válvula.

Las cámaras se insertaron en el suelo a una profundidad de 5 cm, teniendo una altura final de 20 cm entre la superficie del suelo y la parte superior de la cámara. En el momento de la siembra o de la aplicación de labranza, las cámaras se removieron momentáneamente, colocándose en el mismo lugar una vez terminado el procedimiento correspondiente.

El muestreo de gases se realizó entre las 9:00 y 10:00 am, regularmente dos veces por semana en la temporada de lluvias (junio – octubre), y una vez por semana en la temporada seca (noviembre – abril), ya que se espera mayor variación en los datos en la temporada lluviosa en comparación a la temporada de sequía. Al momento del muestreo, se colocaron las cubiertas de las cámaras y se sellaron con cinta adhesiva. Se tomaron muestras a través del puerto de muestreo de cada una de las cámaras a los 0, 20, 40 y 60 minutos con una jeringa de 20 ml. Cada una de estas muestras se depositó en frascos viales de 15 cm3, sellados y

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con previo vacío. Las muestras se guardaron hasta su análisis antes de transcurrir tres días.

El análisis de CO2 y de N2O se realizó en un cromatógrafo Agilent Technology 4890D provisto de un detector de captura de electrones (ECD), una columna HP-PLOT Q 30m con temperaturas del detector, inyector y del horno a 225, 100 y 35°C respectivamente. Se utilizó nitrógeno como gas acarreador a 6 ml min-1. El análisis CH4 se realizó en un cromatógrafo Agilent Technology 4890D, provisto con un detector de ionización de flama (FID), equipado con una columna PORAPAC Q 80/100 12’ x 18’ x 0.085” con una temperatura de detector de 310°C, inyector a 100°C y de horno a 32°C, utilizando He como gas acarreador a 25 ml min-1. Las concentraciones de CO2, N2O y CH4 se calcularon comparando las áreas bajo la curva de cada muestra, contra una curva estándar de concentración conocida de cada uno de los gases, ya sea, CO2, N2O ó CH4. El periodo de muestreo para este experimento, concluyó el día 23 de abril de 2012, con un total de 59 días de muestreo entre mayo de 2011 y abril de 2012.

5.5. Muestreo y análisis del suelo

5.5.1. Determinación del contenido volumétrico de agua

Para la determinación del contenido volumétrico de agua, se tomaron muestras de suelo de 0–20 cm con una barrena y se colocaron en cajas de aluminio, se pesaron y después se secaron a 105°C por 24 h en horno. El contenido volumétrico de agua se calculó una vez obtenido el peso seco por gravimetría. La toma de estas muestras se realizó regularmente dos veces por semana durante la temporada de lluvias, y una vez cada dos semanas posterior a la temporada de lluvias (Ruíz-Valdiviezo y col., 2010).

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5.5.2. Determinación de nitrógeno mineral del suelo de estudio

El muestreo de suelo para la determinación de N inorgánico, constituido por NH4+, NO2- y NO3-, se llevó a cabo de tres a cuatro veces por mes, entre los meses de mayo a septiembre de 2011 y de una a dos veces por mes, entre los meses de octubre de 2011 al mes de abril de 2012. El muestreo consistió en la inserción de una barrena hasta una profundidad máxima de 20 cm para obtener una muestra de suelo de 0-20 cm, la muestra resultante, se depositó en cajas de aluminio previamente identificadas con el número correspondiente de la parcela. Este procedimiento se realizó por duplicado entre el tercer y cuarto surco, aproximadamente a 1.5 m. de distancia tomando en cuenta la parte externa de la parcela hacia el centro de la misma alternando entre muestras la ubicación de los surcos (Figura 9) Muestra 2

Muestra 2

Parcela (muestreo “n”)

Parcela (muestreo “n+1”)

Muestra1

Muestra1

Figura 9. Diagrama de muestreo de suelo para N inorgánico.

Una vez obtenida la muestra de suelo, se tomaron 20 gr de cada muestra y se depositaron en botellas plásticas de 250 ml, una para cada muestra. Se agregaron 100 ml de K2SO4 0.5 M, y se agitaron por 30 minutos. Se filtraron a través de papel filtro Whatman® número 42 y se congelaron a -20°C hasta su análisis por colorimetría en un analizador automático San Plus System-SKALAR (USA) (Ruíz-Valdiviezo y col., 2010).

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5.6. Cálculo del potencial de calentamiento global (GWP)

El cálculo para la determinación del GWP, se realizó siguiendo el procedimiento descrito por Robertson y col. (2000) y los valores de West y Marland (2002), tomando en cuenta el secuestramiento de carbono (∆C suelo), la emisión de GEI del suelo (flujo N2O suelo + flujo CH4 suelo) las emisiones de GEI a partir del combustible utilizado para las operaciones agrícolas (labranza, cosecha, aplicación de fertilizantes y pesticidas) (flujo GEI operaciones agrícolas), así como la producción de fertilizantes y semillas (flujo GEI de entrada )de acuerdo a la siguiente fórmula:

*Net GWP = ∆C suelo + (flujo N2O suelo + flujo CH4 suelo) + flujo GEI operaciones agrícolas + flujo GEI de entrada * Net GWP

Potencial de calentamiento global neto

∆C suelo GWP

Secuestro de carbono en suelo

flujo N2O suelo

Emisión de GEI del suelo

flujo CH4 suelo

Emisión de GEI del suelo

flujo GEI operaciones agrícolas

Emisión de GEI originadas por labranza, aplicación de fertilizantes, pesticidas y cosecha

flujo GEI de entrada

Producción de fertilizantes y semillas

Robertson y col. 2000

El carbono secuestrado (expresado como CO2) en el suelo, se calculó tomando en cuenta la diferencia de carbono orgánico entre los tratamientos de agricultura convencional y agricultura de conservación y dividiendo por el número de años después de iniciado el experimento de acuerdo a los datos reportados por Dendooven y col. (2012). Las emisiones asociadas a los flujos de entrada y operaciones agrícolas se calcularon de acuerdo a los valores reportados por West y Marland (2002). El potencial de calentamiento global de los gases emitidos se realizó tomando en cuenta el equivalente en CO2 para N2O de 298 y de 25 para CH4, y tomando en cuenta el flujo anual neto para estos gases (IPCC, 2007, Dendooven y col. 2012)

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5.7. Análisis estadístico de datos

A los datos de emisión de CO2, CH4 y N2O se les realizó regresión lineal a partir del tiempo transcurrido de 0, 20, 40 y 60 minutos, utilizando un modelo lineal que pasa por el origen, pero permitiendo distintas pendientes (tasas de producción). Los datos correspondientes a los gases atmosféricos al tiempo 0 minutos, tanto de CO2, como de CH4 y N2O se restan de los valores medidos. Las emisiones de CO2, CH4, y N2O de los tratamientos estuvieron sujetas a un análisis de varianza utilizando el programa PROC GLM (SAS, 1989) para la determinación de diferencias significativas entre los distintos tratamientos mediante la prueba de Tukey.

Los datos del contenido de N inorgánico así como los de contenido volumétrico de agua, estuvieron sujetos a un análisis de varianza PROC GLM (SAS, 1989), para la determinación de diferencias significativas entre los tratamientos mediante la prueba de Tukey.

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6. Resultados y discusión

Al realizar el análisis de los resultados obtenidos para contenido volumétrico de agua, nitrógeno mineral, así como la emisión de GEI, no fue posible encontrar diferencias significativas entre los 5 tratamientos distintos a evaluar de acuerdo al método estadístico utilizado en este proyecto, por lo que se decidió discutir los resultados obtenidos, a partir de los tratamientos que corresponden a la agricultura convencional con labranza, remoción de residuos y sin rotación de cultivos (CTRMM), y el tratamiento de agricultura de conservación sin labranza, retención de residuos y rotación de cultivos (ZTKWM), ya que estos tratamientos son los más representativos de cada uno de los tipos de técnicas agrícolas que se utilizan en la actualidad. Sin embargo, los resultados estadísticos a partir de la comparación entre los distintos tratamientos, se encuentran ubicados en el anexo de este trabajo.

6.1. Contenido volumétrico de agua

El contenido volumétrico de agua más alto se presentó entre los meses de junio, julio y agosto (Figura 10), después de estos meses, el contenido volumétrico se mantiene relativamente constante en cada uno de los tratamientos, alrededor de un 10% para la agricultura de conservación con retención de residuos y de un 5% para la agricultura convencional con remoción del rastrojo.

24

30

CTKMW CTKR

25

ZTRMW ZTRR ZTKMW ZTKR

20

%

CTRMW CTRR

15

CTRMM CTRM

10 5 0 17/4/11

6/6/11

26/7/11 14/9/11 3/11/11 23/12/11 11/2/12

1/4/12

21/5/12

Figura 10. Contenido volumétrico de agua (%) en el año 2011-2012 en los distintos tratamientos de agricultura. *Descripción CT R MM

Labranza convencional, remoción de residuos, monocultivo

CT R MW

Labranza convencional, remoción de residuos, rotación de cultivos

CT K MW

Labranza convencional, retención de residuos, rotación de cultivos

ZT R MW

Sin labranza, remoción de residuos, rotación de cultivos

ZT K MW

Sin labranza, retención de residuos, rotación de cultivos

De acuerdo a los resultados obtenidos para este ensayo, el contenido volumétrico de agua en suelo no mostró diferencia significativa entre los tratamientos de agricultura convencional y agricultura de conservación, debido probablemente al periodo tan corto de lluvia ocurrido en el año 2011-2012 y a la cantidad de agua depositada pluvialmente en comparación al año anterior 20102011, donde si se observó una diferencia significativa entre los tratamientos principales de agricultura de conservación con cero labranza, retención de residuos y rotación de cultivos (ZTKWM) y la agricultura convencional caracterizada por la labranza convencional, remoción de residuos y monocultivo (CTRMM) (Dendooven y col., 2012) (Tabla 2). La retención de los residuos en la parte superior del suelo mejora la capacidad de retención de agua y la estabilidad de los agregados del mismo, por lo tanto, se facilita la infiltración de agua además de prevenir la desecación (Zibiliske y Bradford, 2007). Por otro lado, la aplicación de la labranza incrementa el empaquetamiento del suelo y modifica su estructura,

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de manera tal que la precipitación se filtra más rápido en la agricultura de conservación que en los sistemas con agricultura convencional reduciendo la pérdida de agua por evaporación (Licht y Al-Kaisi, 2005). Tabla 2. Efecto de la agricultura de conservación con retención de residuos (ZTKMW) y la agricultura convencional con remoción de residuos y monocultivo (CTRMM) en el contenido volumétrico de agua (%).

2011-2012

Contenido volumétrico de agua (%)

CTRMM

ZTKWM

F valor

P valor

7.6

9.1

0.67

0.61

SAS PROC GLM - HSD (1989) (P