estimación de las tasas de oxidación de metano en suelos
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Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires
Facultad de Ciencias Exactas
Departamento de Ciencias Físicas y Ambientales
Estimación de las tasas de oxidación de
metano en suelos bajo diferentes coberturas:
aportes a la cuantificación de los cambios
producidos por la introducción de árboles en
sistemas de pastizal
Trabajo Final de Licenciatura en Tecnología Ambiental
Alumno: Ezequiel J. Terán, FCE, UNCPBA
Directora: Dra. M. Eugenia Priano, CIFICEN-CONICET, UNCPBA
Co-directora: Dra. María Elena Fernández, INTA-CONICET
Tandil, marzo de 2018
A mi familia: el “metro cuadrado”, como decimos nosotros; en especial al ángel que me trajo al
mundo y ahora me cuida desde el cielo.
I
Índice 1. Resumen ......................................................................................................................................................... 1
2. Objetivos ......................................................................................................................................................... 3
2.1. Objetivos generales .......................................................................................................................... 3
2.2. Objetivos específicos ........................................................................................................................ 3
3. Introducción .................................................................................................................................................. 4
3.1. Metano como gas de efecto invernadero. Fuentes y sumideros. ................................... 4
3.2. Suelos aireados como sumideros de metano ......................................................................... 7
3.3. Tasas de oxidación de metano en suelos: estudios a nivel mundial y en Argentina
12
4. Puesta a punto de una técnica para calcular la TOM .................................................................. 17
4.1. Introducción ...................................................................................................................................... 17
4.2. Metodología ....................................................................................................................................... 17
4.2.1. Sitio de estudio........................................................................................................................ 17
4.2.2. Extracción y conservación de muestras para incubaciones ................................. 18
4.2.3. Procedimiento de incubación y muestreo de gases ................................................. 19
4.2.4. Análisis cromatográfico de las muestras de aire ...................................................... 20
4.3. Resultados y Discusión .................................................................................................................. 21
4.3.1. Efectividad de las técnicas de extracción de muestras de suelo ........................ 21
4.1.1. Variación de la concentración de CH4 en las cámaras en función de la
cantidad de muestra ................................................................................................................................ 21
5. Metodología aplicada a suelos del sitio de interés para la estimación de tasas de oxidación de metano ......................................................................................................................................... 24
5.1. Sitios de estudio ............................................................................................................................... 24
5.2. Extracción de muestras para la estimación de la TOM .................................................... 25
5.3. Perfiles de concentración de metano in situ ......................................................................... 26
5.4. Cultivo de suelo en laboratorio .................................................................................................. 27
5.5. Estimación de las tasas de oxidación ...................................................................................... 28
5.6. Determinación de parámetros de suelo ................................................................................. 29
5.7. Análisis estadísticos ....................................................................................................................... 30
6. Resultados y Discusión ........................................................................................................................... 32
6.1. Tasas de oxidación de metano ................................................................................................... 32
6.2. Perfiles de concentración in situ de metano ......................................................................... 40
6.3. Parámetros de suelo y su correlación con las TOM ........................................................... 43
7. Conclusiones ............................................................................................................................................... 50
8. Trabajo Futuro ........................................................................................................................................... 52
9. Agradecimientos ........................................................................................................................................ 53
II
10. Bibliografía................................................................................................................................................... 55
11. Anexo I ........................................................................................................................................................... 58
12. Anexo II ......................................................................................................................................................... 62
Índice de Figuras Fig. 3.1: Vías de oxidación de metano. El metano es oxidado a dióxido de carbono por
una secuencia de reacciones catalizadas por la enzima MMO, metano deshidrogenasa
(MDH), formaldehido deshidrogenasa (FADH) y formato deshidrogenasa (FDH). La
metano deshidrogenasa también cataliza la oxidación del amonio a hidroxilamina, la
cual es posteriormente oxidada a nitrito con la formación de óxido nitroso como
producto secundario. Los cofactores NADH (Nicotinamida adenina dinucleótido) y PQQ
(Pirroloquinolina quinona) participan como transportadores de electrones (Topp
&Pattey, 1997) ................................................................................................................................................ 11
Fig. 5.1: Fotos de los sitios (Pastizal y Eucalipto) tomadas durante las distintas
campañas a lo largo del 2017.................................................................................................................... 25
Fig. 5.2: Sonda para la extracción de muestras de la atmosfera subsuperficial, junto con
demás insumos para llevar a cabo esta tarea: capuchón de hierro, masa, manija y jeringa
de polipropileno con válvula de tres vías. ........................................................................................... 26
Fig. 5.3: Dispersión de la concentración de CH4 en función del tiempo, obtenida de la
incubación de la muestra del E2 del sitio EU de la campaña de novimbre. Los colores
rojo y verde son la muestra y su duplicado, respectivamente y el azul replesenta el
blanco. Se indica en cada caso con línea de trazos, los resultados del ajuste lineal: el
valor de la pendiente k y el R2 .................................................................................................................. 29
Fig. 6.1: Distribución de concentraciones de CH4 (ppm) en función del tiempo para la
campaña de mayo para ambos sitios, en cámaras con 100 g de suelo. Los puntos
corresponden a los valores medios y las barras a los desvíos estándar. ................................ 33
Fig. 6.2: Distribución de concentraciones de CH4 (ppm) en función del tiempo para la
campaña de mayo para ambos sitios, en cámaras con 200g de suelo. Los puntos
corresponden a los valores arrojados por el equipo de medición (Er=1%). ........................ 35
Fig. 6.3: Tasa de Oxidación de Metano (TOM) (nmCH4 gS-1 h-1), valores medios y sus
correspondientes desvíos estándar para cada estrato de cada sitio: el sitio Pastizal (P)
está representado con puntos y el eucaliptal (EU) con triángulos. Cada estrato mide 5
cm de profundidad. ....................................................................................................................................... 37
Fig. 6.4: Perfiles de concentración de CH4 in situ. C es la concentración de CH4
normalizada con la concentración del gas en la superficie. P está representado con
círculos y EU con triángulos. ..................................................................................................................... 41
Fig. 6.5: Perfiles de concentración de CH4 in situ. C es la diferencia de concentración de
CH4 entre el tope y la base de cada estrato. P está representado con círculos, y EU con
triángulos. ......................................................................................................................................................... 42
Fig. 11.1: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de
cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 04 de julio del 2017. El sitio P
está representado con puntos y el EU con triángulos. En cada estrato se representan las
dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco. Además, se
indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k y el R2. .... 58
III
Fig. 11.2: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de
cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 28 de agosto del 2017. El sitio P
está representado con puntos y el EU con triángulos. En cada estrato se representan las
dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco. Además, se
indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k y el R2. .... 59
Fig. 11.3: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de
cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 10 de octubre del 2017. El sitio
P está representado con puntos y el EU con triángulos. En cada estrato se representan
las dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco. Además, se
indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k y el R2. .... 60
Fig. 11.4: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 11 de noviembre del 2017. El
sitio P está representado con puntos y el EU con triángulos. En cada estrato se
representan las dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco.
Además, se indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k
y el R2.. ................................................................................................................................................................ 61
Índice de Tablas Tabla 3.3.1: Fuentes y sumideros de gas metano a nivel mundial (IPCC, 2001). ................. 5
Tabla 3.3.2: Tasas de oxidación de CH4 (TOM) encontrados en la bibliografía para suelos
con distintos usos. ......................................................................................................................................... 14
Tabla 5.1: Parámetros de suelo. Datos no publicados cedidos por el grupo de Ecología
Forestal-AER Tandil-INTA.......................................................................................................................... 24
Tabla 6.1: Tasas de oxidación de CH4 promedio calculadas según los sitios, los estratos y
campañas. Resultados del análisis estadístico ANOVA para la TOM. ....................................... 39
Tabla 6.2: Resumen de parámetros de suelo medidos en el pastizal (P) y eucaliptal (EU),
pH, %MO: contenido de materia orgánica y %h: contenido de humedad del suelo. Se
indican los valores medios y entre paréntesis los desvíos, el tipo de test estadístico
utilizado y el valor de significancia p. Los resultados de los test estadísticos de los
estratos dentro de cada sitio se encuentran en el Anexo II. ......................................................... 44
Tabla 6.3: Precipitaciones mensuales y total anual en la estación experimental del INTA
Balcarce en el año 2017............................................................................................................................... 48
Tabla 12.1: Resultados del test estadístico t para muestras pareadas realizado para los
estratos con respecto a los parámetros de suelo y la TOM. Para el porcentaje de
humedad del eucaliptal se utilizó el análisis de Wilcoxon. ........................................................... 62
IV
Abreviaturas %h: Porcentaje/contenido de humedad
%MO: Porcentaje/Contenido de Materia
Orgánica
ARNr: Ácido Ribonucleico Ribosómico
E1: Estrato 1
E2: Estrato 2
E3: Estrato 3
E4: Estrato 4
EU: Eucalipto/Eucaliptal
GEI: Gas de Efecto Invernadero
MMO: Metano Monooxigenasa
P: Pastizal
PCG: Potencial de Calentamiento Global
pH: Medida de Acidez
TOM: Tasa de Oxidación Potencial de Metano
en Laboratorio
1
1. Resumen
El presente trabajo resulta de interés para el mejor entendimiento del proceso de
oxidación de gas metano (CH4) por parte de bacterias metanótrofas en suelos bajo diferentes
coberturas de superficie. Para ello, se puso a prueba una técnica de laboratorio consistente en
la incubación de muestras de suelo para la estimación de Tasas de Oxidación de CH4 (TOM).
Luego, la misma se aplicó a la comparación de este proceso en distintos estratos de un suelo del
partido de Balcarce (Bs. As., Argentina) que posee dos diferentes usos: Pastizal pampeano
naturalizado (P) y Plantación de Eucalyptus globulus sp. de 20 años de edad (EU), bajo la
hipótesis de que la forestación posee mayor TOM. Esta hipótesis se formuló en base a
mediciones del grupo de trabajo realizadas en distintas forestaciones. Las mediciones de TOM
en laboratorio se relacionaron con perfiles de variación de concentración de CH4 in situ del suelo
y parámetros del mismo tales como pH, contenido de materia orgánica (%MO) y contenido de
humedad (%h). Las campañas de muestreo se realizaron durante la temporada invernal (en los
meses de mayo, julio y agosto) y comienzos de la estival (en los meses de octubre y noviembre)
del año 2017. Para efectuar el análisis, en cada fecha se extrajeron 40 testigos de suelo de los
primeros 20 cm de profundidad en cada sitio. Estos se dividieron en estratos de 5 cm de espesor
en relación a su profundidad y se integraron en muestras compuestas representativas de cada
estrato y sitio en cada rango de profundidad determinado. Luego, se realizaron incubaciones de
cada estrato durante 24 horas en cámaras estáticas por duplicado en oscuridad a 22 °C y
concentración atmosférica de O2 (no medido), CO2 y CH4 del aire ambiente. A su vez se preparó
un blanco para cada estrato obtenido por autoclavado (122 °C durante 30 min.). Al cumplirse 24
horas de incubación, las cámaras se cerraron simultáneamente y se monitoreó la concentración
de CH4 a intervalos regulares de tiempo y durante 4 horas, obteniendo así la variación de la
concentración de CH4 dentro de la cámara medida por cromatografía gaseosa. Por último, se
obtuvo la TOM para cada ensayo por regresión lineal de las concentraciones de CH4 en función
del tiempo. Los perfiles de variación de CH4 en el suelo se obtuvieron por extracción de muestras
de la atmósfera interna realizada en las mismas fechas del muestreo para incubación, y posterior
análisis de la concentración de CH4 por cromatografía gaseosa. El %h y %MO se obtuvieron por
gravimetría y el pH por el método de suspensión del suelo en agua destilada (relación 1:2,5) y
análisis del líquido sobrenadante.
En el caso de las TOM no se encontraron diferencias estadísticamente significativas
entre los diferentes estratos de cada sitio (p>0,05). Aun así el estrato más profundo (entre 15 y
20 cm) presentó las mayores TOM tanto en P como en EU, sugiriendo una mayor actividad
2
microbiana a dicha profundidad de suelo. Las TOM estimadas en las distintas campañas
resultaron ser estadísticamente diferenciables (p<0,05) para ambos sitios, siendo la registrada
en noviembre la que presentó mayor TOM en el sitio P y la de octubre en el sitio EU. Los perfiles
de concentración de CH4 in situ presentaron las máximas variaciones promedio de concentración
en el tercer estrato (10-15 cm) y cuarto estrato (15-20 cm), lo que indicaría una elevada difusión
o una fuerte actividad bacteriana a esas profundidades. Se observa que no se producen grandes
diferencias entre los perfiles de concentración de CH4 de ambos sitios, notándose en ellos
comportamientos similares. Además, presentan fuertes variaciones de concentración en los
estratos 3 y 4 en ambos sitios, lo que indicaría una alta actividad bacteriana en esas zonas,
coincidente con lo observado en los resultados de TOM. En cuanto a los parámetros de suelo, el
%h fue el único que presentó una correlación significativa, aunque baja, con la TOM en el sitio P
(R2=0,4, p=0,0017).
Las TOM estimadas sugieren que el cambio de uso de suelo, hasta el momento, no ha
afectado fuertemente la actividad de las comunidades bacterianas e indicaría que la mayor
actividad metanótrofa se encuentra entre los 15-20 cm de profundidad. Los resultados de los
perfiles de concentración de CH4 indicarían una actividad metanotrófica in situ más marcada
entre los 10 y 15 cm de profundidad. El %h resultó ser el parámetro de suelo que guardaría una
relación más estrecha con la TOM, sin embargo, se observa la necesidad de prolongar los
estudios en el tiempo para confirmar los resultados obtenidos.
3
2. Objetivos
2.1. Objetivos generales
Contribuir al conocimiento de la magnitud de las tasas de oxidación de CH4 en función
de la profundidad en suelos bajo diferentes coberturas de superficie, herbácea y leñosa.
2.2. Objetivos específicos
Poner a punto y en funcionamiento una técnica para la estimación de tasas de oxidación
de gas CH4 en laboratorio.
Estimar la tasa de oxidación de CH4 en dos sitios que se encuentran sobre la misma
unidad geológica pero que presentan usos diferentes: un pastizal naturalizado y una
forestación madura.
Determinar la profundidad del suelo que, dentro de la zona de raíces, posee mayor tasa
de oxidación de CH4, como estimador de mayor actividad microbiana metanotrófica, y
analizar su variación en el tiempo.
Aportar datos y colaborar en el entendimiento de la relación entre las tasas de oxidación
de CH4 y algunos parámetros fisicoquímicos del suelo tales como contenido de
humedad, contenido de materia orgánica y pH.
4
3. Introducción
3.1. Metano como gas de efecto invernadero. Fuentes y sumideros.
El metano (CH4) es un gas de efecto invernadero (GEI) cuya concentración media en la
atmósfera ha aumentado en un factor de 2,5 desde la era preindustrial, es decir, de 722 ppb en
1750 hasta 1807 ppb en 2011, debido principalmente a ciertas actividades antropogénicas. Su
tiempo de residencia en la atmósfera es de aproximadamente 10 años y su potencial de
calentamiento global (PCG), estimado en 100 años es de 34 veces el PCG del dióxido de carbono
(CO2). Debido a su alto PCG y a su abundancia, el CH4 es considerado el tercer GEI luego del vapor
de agua y del CO2. Su concentración atmosférica proviene tanto de la emisión desde fuentes
naturales como antropogénicas, aunque éstas últimas han duplicado la emisión proveniente de
las primeras, tal como se muestra en la Tabla 3.1. (IPCC, 2013).
5
Tipo Masa de CH4
(Tg año-1) Origen
Fuentes naturales
Humedales 100-231 Biogénico
Termitas 20-29 Biogénico
Océanos 4-15 Biogénico
Clatratos 4-5 No Biogénico
Fuentes geológicas 4-14 No Biogénico
Incendios 2-15 No Biogénico
Animales salvajes 15 Biogénico
Total de fuentes naturales 149-324
Fuentes antropogénicas
Combustibles fósiles 74-106 No Biogénico
Rellenos sanitarios y basurales 35-69 Biogénico
Rumiantes 76-92 Biogénico
Arrozales 31-112 Biogénico
Quema de biomasa 14-88 No Biogénico
Total de fuentes antropogénicas
230-467
Total de fuentes 503-610
Sumideros Tipo de secuestro
OH- troposférico 428-507 No Biológico
Estratósfera (OH-, Cl-, O1D, h) 30-45 No Biológico
Suelos 26-43 Biológico
Total de sumideros 492-577
Tabla 3.3.1: Fuentes y sumideros de gas metano a nivel mundial (IPCC, 2001).
Las fuentes de CH4 corresponden a aquellos sitios en los que el balance entre la
producción y el consumo del gas es positivo, lo que resulta en una emisión neta de este GEI
desde la superficie hacia la atmósfera. En cambio, cuando el balance es negativo, se considera
que el sitio es un sumidero de CH4 (Le Mer & Roger, 2001). El origen de la mayor parte de las
fuentes de CH4 (entre un 70 y 80%) es biogénico, es decir, que la producción de este gas es
debida a la actividad de bacterias metanogénicas. Estas viven en condiciones anaeróbicas o de
bajo potencial redox (Serrano-Silva et al., 2014), emitiendo CH4 durante la descomposición de la
materia orgánica. Un ejemplo de esto son los humedales, como lagos, lagunas y suelos
inundados (ej. pantanos), cuya emisión global se estima entre 100 y 231 Tg de CH4 por año (Tabla
3.2). Los océanos son otro tipo de fuente natural, así como también los termiteros y los
6
rumiantes salvajes. Existen otras fuentes naturales cuyo origen es no biogénico, como las
fuentes geológicas (por ejemplo, volcanes), los incendios y los clatratos1, en las cuales las
emisiones de CH4 se deben a otras causas (combustión incompleta de materia orgánica o
degradación térmica y aplastamiento de material orgánico debido a altas presiones y
temperaturas en zonas profundas de la Tierra) en conjunto, estas fuentes aportan entre un 29 y
53% del total de emisiones. El 41-71% restante, corresponde a fuentes antropogénicas, ya sean
de origen biogénico, como rellenos sanitarios y basurales, o no biogénico, como la quema de
combustibles fósiles y de biomasa. Los rumiantes de cría, que emiten unos 76 a 92 Tg año-1 y los
campos de arroz, que por su parte emiten entre 31 y 112 Tg año-1, son los responsables de entre
el 17 y 33% del total de las emisiones antropogénicas (Le Mer & Roger, 2001, IPCC, 2001).
Debido a que las mayores fuentes de atmosféricas de CH4 están relacionadas
principalmente con actividades humanas se debería poder tener un control sobre ellas. En
efecto, se estima que el calentamiento global podría reducirse en un 25% si se lograra estabilizar
las emisiones de CH4 (Le Mer & Roger, 2001). Sin embargo, el incremento masivo de algunas
fuentes como el número de rumiantes, el uso de combustibles fósiles y la expansión de la
superficie arrocera no colaboran en este sentido. Asimismo, las fuentes geológicas de CH4 (es
decir, la fuga de combustibles fósiles relacionadas con actividades humanas y fugas geológicas
naturales), rondan el 30% del total de las emisiones de CH4 (IPCC, 2013).
En las últimas décadas, el incremento de la concentración de CH4 en la atmósfera ha
sido variable. Las emisiones se mantuvieron relativamente estables en los años ‘90, pero su tasa
de crecimiento aumentó nuevamente en 2007. Las causas de este incremento todavía están en
discusión. Las fluctuaciones en las tasas de emisión de CH4 pueden deberse a que los humedales,
que son una de las fuentes principales, poseen una alta variación interanual en la emisión de
CH4 (IPCC, 2013).
Con respecto a los sumideros no biológicos, el principal de ellos, ocurre en la tropósfera
donde se eliminan entre 428-507 Tg de CH4 año-1 (Tabla 3.1) por oxidación de radicales hidroxilo
(OH-) de acuerdo a l siguiente ecuación:
𝐶𝐻4 + 𝑂𝐻∗ → 𝐶𝐻3 ∗ +𝐻2𝑂 (3.1)
1 Arreglo de moléculas de agua que conforman una estructura cristalina mediante enlaces por
puentes de hidrógeno dando lugar a cavidades en cuyo interior se encuentran moléculas de
metano, pero sin formar enlaces químicos con las moléculas de agua de la estructura.
7
En la estratósfera se elimina entre el 5 y el 7% de las emisiones anuales del CH4 emitido
en un año, mediante la reacción entre este gas y el cloro, proveniente principalmente de cloro-
fluorocarbonos (CFCs) de acuerdo con la reacción:
𝐶𝐻4 + 𝐶𝑙∗ → 𝐻𝐶𝑙 + 𝐶𝐻3 (3.2)
Por último, se encuentran los suelos insaturados o aireados, que secuestran entre 5-7% del CH4
emitido anualmente debido a la presencia de bacterias metanótrofas (Tabla 3.1).
3.2. Suelos aireados como sumideros de metano
Como se ha indicado anteriormente, el CH4 encuentra uno de sus sumideros en suelos
bien oxigenados que se exponen al CH4 troposférico. Este sumidero es de especial interés dado
que es el único sobre el cual el hombre tiene algún tipo de incidencia; por lo tanto, las
actividades que realiza el hombre sobre el suelo repercuten en la magnitud del secuestro,
afectando finalmente el balance global de emisión de este gas.
El secuestro de CH4 llevado a cabo por bacterias metanótrofas consiste en la oxidación
del CH4 a CO2. Estas bacterias conviven, a su vez, con las bacterias metanogénicas que realizan
el proceso contrario (descomponen materia orgánica produciendo CH4). Esta relación
interespecífica resulta tan importante que los suelos cuya actividad metanótrofa es más
eficiente presentan, cada determinado intervalo de tiempo, actividades metanogénicas
significativas debido a que estas últimas generan una importante cantidad de sustrato (CH4)
(Dutaur & Verchot, 2007). De manera inversa, algunos ambientes como rellenos sanitarios y
arrozales, que se clasifican como metanogénicos, presentan tasas potenciales de oxidación de
CH4 elevadas (Dutaur & Verchot, 2007).
Los mayores secuestros de CH4 en el suelo ocurren principalmente en bosques
templados, tropicales y de altas latitudes del hemisferio norte (Dutaur & Verchot, 2007), aunque
existe una alta incertidumbre acerca de su magnitud. Según el modelado de Curry (2007), las
regiones con mayores potenciales de secuestro de CH4 son el sur de Sudamérica, el África
Subsahariana y el centro-sur de Australia, aunque existen pocas mediciones realizadas in situ.
Los hemisferios norte y sur contribuyen con un secuestro de CH4 de 17,4 y 10,6 TgCH4 año-1
respectivamente, presentando ambos una fuerte variación espacio-temporal (Curry, 2007). De
acuerdo a Dutaur & Verchot (2007) y Curry (2007), las tasas de consumo son una función del
ecosistema de cada zona geográfica de estudio. En efecto, los bosques subtropicales
representan los sumideros terrestres más importantes, seguidos por los pastizales y los bosques
tropicales secos junto con las tierras altas y los suelos forestales. La oxidación de CH4 atmosférico
8
también ocurre en ambientes extremos como desiertos y glaciares, en el agua de inundación y
de ríos (Le Mer & Roger, 2001).
El proceso principal por el cual el CH4 llega al suelo desde la atmósfera es la difusión,
que se genera por un gradiente de concentración de CH4 desde la atmósfera hacia el interior del
suelo. El proceso es lento, pero su importancia biogeoquímica es alta debido a que establece el
contacto entre el CH4 atmosférico y las bacterias que habitan la zona superior (aeróbica) del
suelo, promoviendo su oxidación (Serrano-Silva et al., 2014). Si la difusión del CH4 en el suelo es
alta, la magnitud de su oxidación dependerá principalmente de las comunidades bacterianas
capaces de oxidarlo, y sobre su actividad incidirán tanto el tipo de horizonte del suelo como la
presencia de agua en él (Carrillo, 2003; Curry, 2007). La distribución en el suelo de los
microorganismos no es homogénea; en general sigue la distribución vertical de nutrientes pero
se ve afectada por varios factores del suelo como la composición de la atmósfera del suelo, el
pH, la temperatura, la humedad, la cantidad de minerales asimilables y la presencia de
sustancias antimicrobianas, por lo que a su vez, varía de forma importante tanto espacial como
temporalmente (Agnelli et al., 2004; Carrillo, 2003). Actualmente es poco lo que se conoce
acerca de los grupos de microorganismos responsables de estos procesos y de la dinámica de
sus poblaciones en el suelo (Bodelier et al., 2004; Xu et al., 2012), por lo que resulta necesario
realizar más estudios al respecto.
Durante los últimos 50 años, se han publicado diversos trabajos científicos sobre
secuestro de CH4 por parte del suelo que permiten revisar lo que conoce y lo que aún resta
conocer en torno a esta temática, que hoy cobra vital importancia en el marco del fenómeno de
calentamiento global. El trabajo de Dutaur & Verchot (2007), que modela flujos de CH4 a partir
de una recopilación de varios trabajos con mediciones en campo, indica que la variabilidad
geográfica de las tasas de secuestro depende de la interacción de una serie de factores que
regulan el flujo en el suelo (clima, propiedades físicas del suelo como contenido de agua y
porosidad, y las variables biológicas como la comunidad microbiana nativa). En general, el flujo
de CH4 es afectado por dos factores, la difusividad del gas en el suelo y la tasa de oxidación de
CH4 (TOM) y/o producción. El primer factor se relaciona con parámetros dinámicos, como el
contenido de agua y la temperatura, de manera que este coeficiente varía de forma importante
en profundidad, con el tiempo y con parámetros estructurales, como la densidad y la porosidad
(Smith et al., 2003; Von Fischer et al., 2009, Fest et al., 2015). El segundo factor depende del tipo
y cantidad de bacterias presentes en el suelo responsables de estos procesos (metanótrofas),
que son por lo general aeróbicas obligadas. Estas bacterias pertenecen al grupo de las
metilótrofas, que son capaces de oxidar compuestos tales como CH4, metanol, formaldehido,
9
aminasmetiladas, metanos halogenados y compuestos metilados que contienen azufre (Price et
al., 2004). Se clasifican en base a la secuencia de generación del 16S ARNr, que permite
diferenciarlas en dos grupos. Las tipo I son las Gammaproteobacterias, también llamadas de
“alta afinidad al CH4” por su cinética, utilizan la vía de la ribulosamonofostafo (RMP) (Fig. 3.1).
Las metanótrofas del tipo II, de “baja afinidad al CH4”, son las Alfaproteobacterias que
metabolizan de acuerdo a la vía de la serina. A partir de estos estudios, se han determinado 3
órdenes, 4 familias, 21 géneros y 56 especies de bacterias metanótrofas (Serrano-Silva et al.,
2014). Las poblaciones de metanótrofas, en general, se encuentran en los más diversos
ecosistemas terrestres logrando sobrevivir en climas templados y en temperaturas extremas (ya
sean altas o bajas) como así también bajo un amplio rango de pH, que va desde los 2 a los 11
puntos (Dedysh et al., 1998). Sin embargo, se ven afectadas por un gran número de factores
ambientales como la humedad, temperatura, pH, tipo y concentración de fuentes de Nitrógeno
(N), variaciones en la concentración de CH4 y O2. Price et al. (2004) indican que un pH de suelo
natural cercano a 4,4 resultó óptimo para la oxidación de metano. Además, agregan que las
metanótrofas están especialmente adaptadas a ese valor de pH. Esto resulta cierto también para
suelos arbóreos, pero el pH en este caso resultó ser algo más alto, de unos 6,2 (Dunfield et al.
1993). En general toleran un amplio rango de contenido de agua del suelo, pero la TOM depende
fuertemente de él (Price et al., 2004). En ambientes con patrones de precipitación estacional,
las tasas de secuestro de CH4 presentan dependencias lineales e inversas (Dutaur & Verchot,
2007). Hou et al. (2012) han observado en suelos desérticos, un incremento en el secuestro de
CH4 por parte de las bacterias metanótrofas unas pocas horas luego de un evento lluvioso para
luego retomar a valores similares a los presentados anteriormente a dicho evento. Cuando el
suelo se seca al aire, la TOM cae prácticamente a cero. Las metanótrofas pueden sobrevivir con
un contenido bajo de agua durante mucho tiempo en forma de quistes y su actividad se
reestablece cuando el suelo se humedece (Price et al., 2004).
Con respecto a la temperatura, la respuesta de las metanótrofas varía de forma
exponencial entre los 5 y 12 °C. Según una cuantificación realizada mediante la ecuación de
Arrhenius, no presenta variaciones significativas entre los 12 y 30 °C, y decae a cero a los 30 °C
(Paul & Clarck, 1989). Sin embargo, el efecto de la temperatura es bajo. La TOM presenta un
incremento en los meses de verano debido principalmente a la disminución del contenido de
humedad y sólo secundariamente por el incremento de la temperatura. Esta baja respuesta a
cambios en la temperatura se atribuye principalmente a limitaciones impuestas por el
suministro de CH4 (Smith et al., 2003).
10
El alcance de los efectos del clima es tal que determina si la población local de
metanótrofas está dominada por las tipo I o las tipo II. Las primeras prevalecen en ambientes
con concentraciones de CH4 cercanas a la atmosférica (<12 ppm) mientras que las tipo II lo hacen
a concentraciones superiores a 40 ppm. Por ejemplo, las tipo I dominan en ambientes ricos en
nutrientes y las tipo II están mejor adaptadas para sobrevivir en ambientes donde el N escasea
(Le Mer & Roger, 2001; Serrano-Silva et al., 2014).
A nivel mundial, existen varios estudios acerca de la filogenia y bioquímica de las
bacterias metanótrofas de baja afinidad, dado que pueden ser cultivadas en el laboratorio. Sin
embargo, existe escasa información acerca de las bacterias metanótrofas de alta afinidad debido
a la complejidad de su cultivo en laboratorio (Serrano-Silva et al., 2014).
Por otra parte, las metanótrofas compiten por el O2 con las bacterias oxidantes de
amonio (NH4+), dado que ambas lo usan como aceptor de electrones (ver Fig. 3.1). La enzima
MMO es capaz de unirse al NH4+ y reaccionar con él, dado que NH4
+ y CH4 son similares en
tamaño y estructura. Por esta razón, se considera que los fertilizantes con base de NH4+ inhiben
la oxidación de CH4 (Serrano-Silva et al., 2014). Sin embargo, se han encontrado resultados
contradictorios en diferentes suelos y condiciones. Mientras las metanótrofas de tipo II se
inhiben por la adición de N, las de tipo I resultan estimuladas. En consecuencia, el efecto
inhibidor del fertilizante NH4+ será menor en presencia de una comunidad metanotrófica
diversa. En algunos suelos, el consumo de NH4+ por los organismos nitrificadores es
relativamente rápido, con lo que se reduce o elimina el efecto inhibitorio de NH4+ sobre la
oxidación de CH4 (Serrano-Silva et al., 2014).
11
Fig. 3.1: Vías de oxidación de metano. El metano es oxidado a dióxido de carbono por una secuencia de reacciones catalizadas por la enzima MMO, metano deshidrogenasa (MDH), formaldehido deshidrogenasa (FADH) y formato
deshidrogenasa (FDH). La metano deshidrogenasa también cataliza la oxidación del amonio a hidroxilamina, la cual es posteriormente oxidada a nitrito con la formación de óxido nitroso como producto secundario. Los cofactores
NADH (Nicotinamida adenina dinucleótido) y PQQ (Pirroloquinolina quinona) participan como transportadores de electrones (Topp &Pattey, 1997)
Por otro lado, a nivel global o de biomasa, la textura del suelo se considera un factor
importante que afecta la TOM debido a que realiza controles sobre la biogeoquímica de la
oxidación de CH4 en el suelo (flujos de CH4 desde y hacia el suelo, y la concentración que resulta
finalmente disponible para su oxidación por parte de bacterias). A nivel mundial, los suelos de
texturas intermedias predominan y son responsables del 60% del secuestro de CH4. Sin embargo,
la textura del suelo presenta sus efectos más importantes en los bosques de zonas templadas
(Dutaur & Verchot, 2007). En este sentido, se ha postulado que las altas variaciones entre los
ecosistemas se deben a factores asociados con la naturaleza del suelo, que determina la
composición de la flora y fauna del sistema. Dutaur & Verchot (2007) y Smith et al. (2003) indican
que la oxidación es más eficiente en suelos forestales con textura gruesa y un buen desarrollo
de su estructura, de modo que los gases puedan difundir con facilidad hacia las zonas donde se
encuentran desarrolladas las comunidades bacterianas. Los pastizales naturales y las
forestaciones (ecosistemas que se estudian en este trabajo) son dos ejemplos de sistemas en los
que los poros del suelo, por lo general, se presentan insaturados. Es decir, existen zonas óxicas
(poros llenos de aire) y anóxicas (poros llenos de agua), en las cuales se produce secuestro y
emisión de CH4, respectivamente (Serrano-Silva et al., 2014). En general, los suelos como los de
los bosques, que presentan capas superiores con alta cantidad de materia orgánica, alta biomasa
12
microbiana, baja densidad aparente y alta porosidad, alcanzan altas tasas de consumo de CH4
en sus perfiles. Cuando la actividad biológica es alta y baja la densidad global, la difusión del CH4
atmosférico en los suelos resulta ser rápida (Curry, 2007).
Los cambios en el uso del suelo alteran la estructura del mismo y generan
modificaciones en los flujos de CH4, dado que provocan cambios en el pH, la retención de agua,
la materia orgánica, la disponibilidad de nitrógeno, la densidad aparente y la porosidad, entre
otros, produciendo en consecuencia, alteraciones en las comunidades bacterianas responsables
de dichos flujos (Dutaur & Verchot, 2007). Sin embargo, aún no es del todo claro cuál es la
magnitud del cambio en el flujo de CH4 ni su dirección debido a ciertos usos del suelo. Tate
(2015) indica que una reforestación con Eucalyptus globulus ssp. en un sitio dedicado a la
siembra de pastura para el ganado en un clima mediterráneo incrementó su consumo de CH4 en
un 100% con respecto al que tenía el sitio antes de la plantación de los árboles. Contrariamente,
Chan & Parkin (2001) presentaron un trabajo en que las TOM estimadas en las praderas de
Doolittle y Roadside (centro de Iowa, EEUU), resultaron ser superiores (0,0911 y 0,074.6 nmolCH4
gs-1 h-1, respectivamente) a las estimadas en el suelo de un bosque cercano (bosque de
McFarland), cuya TOM resultó ser de 0,0243 nmolCH4 gs-1 h-1.
3.3. Tasas de oxidación de metano en suelos: estudios a nivel mundial y en
Argentina
En general la estimación de las TOM se realiza en laboratorio con testigos intactos de
suelo extraídos y conservados bajo refrigeración hasta su análisis. De esta forma se obtiene una
muestra integrada de suelo de cada estrato que, previamente tamizada, se coloca en una
pequeña cámara de incubación. Luego de cerrar la cámara, se extraen muestras sucesivas del
aire interior para determinar posteriormente la concentración de CH4 mediante cromatografía
gaseosa. Por lo general los cultivos se realizan en oscuridad. Sin embargo, no se han encontrado
demasiadas coincidencias en la estratificación de los testigos. El tiempo de monitoreo también
varía de un trabajo a otro; algunos son durante un lapso de horas (Price et al., 2003; Price et al.,
2004; Zhang et al. 2011), mientras que otros durante varios días (Hütsch, 1998; Prajapati &
Jacinthe, 2014; Adamsen & King, 1993; Hou et al., 2012).
Esta técnica permite independizarse de los procesos difusivos que gobiernan el flujo de
CH4 atmosférico hacia las capas inferiores del suelo, y somete a todas las bacterias situadas
originalmente en distintas profundidades, a la misma concentración de CH4 para observar su
respuesta y poder comparar entre ellas. A su vez, permite controlar la magnitud de algunos
parámetros como la temperatura y la humedad del suelo, entre otros. Por ejemplo, respecto de
13
la temperatura, los ensayos se realizan teniendo en cuenta la temperatura del suelo de donde
se extrajo el material, que generalmente se encuentra dentro del intervalo comprendido entre
los 10 y 27 °C, y las muestras se incuban durante 24 o 48 horas.
Con el fin de estudiar la cinética del consumo de CH4 por parte de las poblaciones
metanotróficas, algunos autores varían de forma controlada la concentración inicial de CH4
(sustrato) de la cámara de cultivo (Hütsch, 1998; Prajapati & Jacinthe, 2014; Adamsen & King,
1993). Adamsen & King (1993), Bárcena et al. (2014), Prajapati & Jacinthe (2014) y Price et al.
(2003) utilizan modelos de decaimiento exponencial, logarítmicos, lineales o derivados de la
cinética de Michaelis-Menten, para la estimación de las TOM. Otros trabajos utilizan
concentraciones ambientales (Price et al., 2003; Price et al., 2004; Zhang et al. 2011; Hou et al.,
2012), como se realizó en el presente trabajo. El ajuste de la variación de concentración en
función del tiempo se realiza mediante regresiones lineales, como en los trabajos de Hütsch
(1998), Zhang et al. (2011), Adamsen & King (1993), dado que trabajan con diferentes
concentraciones de CH4 y estos ensayos permiten obtener información acerca de la cinética de
la reacción. Para ello, los autores representan las concentraciones de CH4 medidas distintos
tiempos de muestreo y luego realizan una aproximación de los datos. En general, las TOM se
miden en unidades de g C Kgsuelo-1 día-1 (Hütsch, 1998), gCH4-C
-1 Kg-1 hora (Prajapati & Jacinthe,
2014), gCH4 g-1 hora (Price et al., 2003; Price et al., 2004). Finalmente, al repetir el procedimiento
para muestras de diferentes estratos, se obtiene el perfil de TOM del sitio de estudio. La Tabla
3.2 presenta un resumen de las TOM encontradas en la bibliografía, en las unidades que se
utilizan en el presente trabajo.
14
Ubicación Uso de suelo Estratos
(cm) TOM
(nmolCH4 gs-1 h-1) Referencias
Bruchköbel, Alemania
Arado
0-5 3,47E-04*
Hütsch, 1998
5-10 5,21E-04*
10-15 8,68E-04*
15-20 7,98E-04*
20-30 1,56E-03*
30-40 3,82E-03*
Barbecho
0-5 1,74E-03*
5-10 1,67E-03*
10-15 1,63E-03*
15-20 2,08E-03*
20-30 2,60E-03*
30-40 3,12E-03*
Siembra Directa
0-5 2,08E-03*
5-10 6,07E-03*
10-15 6,18E-03*
15-20 3,47E-03*
20-30 2,60E-03*
30-40 4,17E-03*
Bosque
0-5 6,94E-02*
5-10 2,26E-01*
10-15 9,72E-02*
15-20 2,08E-02*
20-30 1,04E-02*
30-40 6,94E-03*
Ohio, EEUU
Plantación Arbórea 0-10 1,99E-02
Prajapati & Jacinthe 2014
10-20 2,25E-02
Suelo no arado 0-10 1,37E-02
10-20 1,56E-02
Suelo arado 0-10 1,73E-03
10-20 1,73E-03
Canadá
Tundra elevada
0-3 -5E-02*
Adamsen & King, 1993
3-6 2,8E-02*
6-9 1,4E-02*
9-12 2,7E-02*
Bosque mixto de coníferas
0-3 2,4E-02*†
3-6 1,9E-02*†
6-9 2,7E-02*†
9-12 4,9E-02*†
Vestskoven, Dinamarca
Robledo (42 años) 0-5 7,5E-03*†
Bárcena et al. 2014 5-15 8,3E-3*†
Sur de los Alpes
Bosque de montaña
0-5 0*
Price et al., 2003
5-10 1,42*
10-15 4,2E-1*
15-20 7E-2*
20-25 0*
25-30 0* * Valores obtenidos de gráficos. † Valores medios.
Tabla 3.3.2: Tasas de oxidación de CH4 (TOM) encontrados en la bibliografía para suelos con distintos usos.
15
Los resultados indican que las capas de suelo superficiales (0-7 cm) presentan en general
las TOM más bajas. La mayor actividad de consumo de CH4 se encuentra principalmente entre
los 10 y 20 cm, donde se llega a valores de 0,2 nmolCH4 gs-1 h-1, como las encontradas en una
plantación arbórea de Ohio, EEUU (Prajapati & Jacinthe, 2014). Los perfiles de TOM presentan
un declive a profundidades mayores de los 30 cm hasta concentraciones muy pequeñas,
cercanas a cero (Price et al., 2003).
La mayoría de los resultados reportados en la Tabla 3.2. se desarrollaron en zonas
templadas del hemisferio norte, entre los 40° y 55° N, con excepción del estudio de Adamsen &
King (1993) que estudiaron una región fría del mismo hemisferio. A pesar de esta diferencia
geográfica respecto del resto, sus resultados fueron similares a los hallados por Hütsch (1998),
Prajapati & Jacinthe (2014), Bárcena et al. (2014) y Price et al. (2003). Esto permite pensar que
las diferencias geográficas no determinan grandes variaciones en las TOM, sino que ellas están
más relacionadas con el tipo de uso de suelo (Curry, 2007). Hütsch (1998), muestra en su estudio
una diferencia de hasta tres órdenes de magnitud de las TOM obtenidas en un bosque
centenario respecto de las de un suelo arado. Price et al. (2003) reportan TOM elevadas
provenientes de un bosque del sur de los Alpes de una antigüedad aproximada de 3 o 5 mil años.
Sin embargo, no se hallaron datos de TOM de suelos provenientes del Hemisferio Sur, donde se
estima se encuentran los mayores secuestros de CH4 (Curry, 2007; Dutaur & Verchot, 2007).
En Argentina, aún es escasa la información acerca de los flujos de CH4 en suelos aireados
y más aún en lo que respecta a las medidas de TOM. Dado que el CH4 es el segundo gas de
importancia, dentro del balance nacional de emisiones de GEIs, resulta necesario conocer la
magnitud de los secuestros de CH4 en los diferentes ambientes y en los distintos usos de suelo
(República Argentina, 2015). Dicha información permitiría establecer estrategias de mitigación
para distintos escenarios y regiones. En cuanto a flujos de CH4, existe el antecedente de De
Bernardi et al. (2017), perteneciente al mismo grupo de trabajo donde se desarrolló el presente
estudio, en el que encontraron un mayor flujo negativo (consumo neto) de CH4 en suelos
forestados con distintas densidades de plantación en comparación con sistemas herbáceos,
tanto pastizal naturalizado como agricultura.
En este trabajo se presentan resultados de las TOM estimadas en diferentes estratos de
suelo provenientes de dos sitios adyacentes en las cercanías de la ciudad de Balcarce que
presentan similares características edafológicas pero diferentes usos: una plantación pura de
eucaliptos y un pastizal naturalizado que se utiliza como sistema de referencia. En base a los
antecedentes medidos in situ donde las forestaciones presentan un mayor flujo negativo que el
16
sistema de pastizal, se planteó como hipótesis para éste trabajo final que se obtendrá un valor
de TOM mayor en los estratos extraídos de la forestación en comparación con los del pastizal,
pudiendo explicar –al menos en parte- las diferencias en los flujos de CH4 observadas por De
Bernardi (2017) en la región de estudio. Esto implicaría que dichas diferencias se deben no sólo
a cambios físico-estructurales del suelo que afectan la difusión de gases, sino también a cambios
en las comunidades microbianas que habitan esos suelos.
17
4. Puesta a punto de una técnica para calcular la TOM
4.1. Introducción
En este apartado se detalla la puesta a punto de la técnica de estimación de tasas de
oxidación de CH4 (TOM) que se utilizó a lo largo de este trabajo final. Las tareas que se
desarrollaron consistieron, inicialmente, en evaluar el diseño del muestreador de suelos y de las
pequeñas cámaras estáticas de cultivo a utilizar. Una vez evaluado este punto, se ensayó la masa
de suelo a colocar en las camaritas y el intervalo de tiempo de medición a considerar con el
objetivo de que la variación en la concentración de CH4 estuviera por sobre la sensibilidad del
cromatógrafo con el que se realizaron las medidas. Para cumplir con todas estas tareas se
extrajeron muestras de suelo de un sitio distinto al de estudio que se encuentra dentro de la
ciudad de Tandil, que es objeto de estudio del Grupo de Fisicoquímica Ambiental del IFAS.
4.2. Metodología
4.2.1. Sitio de estudio
El sitio de estudio corresponde a un bosque cultivado mixto caducifolio, ubicado en el
piedemonte de las Sierras de Tandil (50 – 250 m s. n. m.), en las cercanías de la ciudad de Tandil
(37°19´00”S 59°08´00”W). El suelo se clasifica como un argiudol petrocálcico según el manual
de la NRCS (Priano, 2017). Las especies arbóreas implantadas más conspicuas son: Celtis sp.,
Eucalyptus camaldulensis (eucalipto rojo), Eucalyptus viminalis (Eucalipto viminalis), Laurus
nobilis (laurel), Quercus robur (roble europeo o común) y Cedrus sp (cedro), siendo árboles
maduros.
Fig. 4.1: Ubicación del sitio de estudio utilizado para la puesta a punto de la técnica para la estimación de TOM. A la izquierda, el predio del Instituto Superior de Formación Docente N° 75 (Estancia Sans Soucí), en el que la posición del
sitio de muestreo se encuentra marcada con un punto azul. A la derecha, una fotografía tomada en el sitio de muestreo.
18
4.2.2. Extracción y conservación de muestras para incubaciones
Para la extracción de testigos de suelo se utilizó un muestreador de suelos de uso
manual, cuyo extremo inferior consta de un tubo de acero inoxidable de 2,4 cm de diámetro
interno y 20,5 cm de largo, que se introduce verticalmente en el suelo y permite obtener testigos
intactos de ⅞” (2,22 cm) de diámetro y 20 cm de longitud. Para facilitar la obtención de los
testigos, se coloca en el interior del muestreador un tubo plástico de 20 cm de longitud, ⅞” de
diámetro interno y 0,85 mm de espesor (Fig.4.2.a). Los tubos fueron rotulados previamente con
marcador indeleble cada 5 cm para luego, en el laboratorio, poder cortar tramos iguales a los
que denominamos estratos (Fig. 4.2.b). En adelante, por simplicidad se referirá a cada estrato
con la letra “E” seguida del número de estrato al que se hace referencia. Así el estrato 1 (E1)
corresponde a la capa más superficial del suelo que va desde los 0 hasta los 5 cm; el E2
corresponde al tramo de 5 a 10 cm, el E3 al tramo de 10 a 15 cm y el E4 representa el tramo de
15 a 20 cm de profundidad. Además, se utilizaron rectángulos de placas radiográficas o
tomográficas de 20 cm de largo y 6,98 cm de ancho que se colocaron dentro del muestreador,
en lugar del tubo de plástico, cada vez que se deseaba obtener un testigo. La utilización de este
material permitió la separación del testigo en estratos directamente en campo y la reutilización
del material (Fig. 4.2.c). Sin embargo, a lo largo de los muestreos se utilizaron ambos materiales
dado que en ciertas ocasiones uno de ellos no lograba recolectar una muestra completa de 0 a
20 cm de profundidad.
De esta manera, se obtuvieron 20 de testigos del sitio de manera aleatoria con el
objetivo de obtener una muestra compuesta de suelo para cada estrato. Una vez extraídos, los
testigos se refrigeraron a 4 °C a los efectos de minimizar los procesos biológicos propios de los
organismos micro- y macroscópicos (insectos, anélidos, brotes y raíces) que habitan la muestra
y evitar el congelamiento (Price et al., 2004). Bajo estas condiciones, las muestras poseen una
validez de aproximadamente seis meses a partir del momento de su extracción (Price et al.,
2004); las incubaciones se realizaron dentro de los cuatro meses posteriores al muestreo.
19
Fig. 4. 2: Instrumental de campo para la obtención de testigos de suelo intactos: Muestreador (a), tubos plásticos y rectángulos de lámina radiográfica, junto con la sección inferior del muestreador (b) y testigo de suelo recién
extraído en campo (c).
4.2.3. Procedimiento de incubación y muestreo de gases
Para la incubación del suelo se utilizaron cámaras estáticas de PVC de 16 cm de diámetro
y 10 cm de alto, las cuales constan de una base y una tapa removible, ambas del mismo material.
La tapa posee, en su parte superior, una válvula para la extracción de muestras de aire. Dentro
de cada cámara se colocó una cantidad definida de suelo previamente tamizado con una malla
de 2 mm. Se ensayó con 25 gr (por duplicado sólo para el E1), 50 g y 75 g de suelo por duplicado
para cada estrato (de E1 a E4). Una vez colocada la muestra de suelo, se incubaron las cámaras
durante 24 horas a una temperatura de 22 °C, en oscuridad y a concentración ambiental de CH4.
Luego de transcurrido el tiempo de cultivo, las cámaras se cerraron en simultáneo.
Inmediatamente se recolectó la primera muestra de aire mediante jeringas de polipropileno de
20 ml con válvula de 3 vías, previamente sometidas a un proceso de limpieza con nitrógeno de
alta pureza (99,9%), mediante el uso del retículo de vacío del laboratorio. En cada toma se
realizaron dos insufladas de aire para favorecer el mezclado, y luego se obtuvo la muestra que
se conservó en la misma jeringa hasta ser analizada por cromatografía gaseosa. Dichas muestras
pueden conservarse a sobrepresión en las mismas jeringas hasta 72 hs. como máximo. (Priano
et al., 2014; Priano et al., 2017).
20
Bajo las mismas condiciones de cultivo se extrajeron muestras de aire del interior de
cada cámara en intervalos de una hora durante 70 horas para el caso del E1 y durante 30 horas
para el resto de los estratos. Los muestreos se hicieron hasta observar que la concentración de
CH4 no variaba significativamente con el tiempo. Durante todo el ensayo se registró la
temperatura ambiente fuera y dentro de las cámaras cada 30 minutos mediante un colector
automático de datos Sibutton DS1921G. Asimismo, se colectó mediante jeringa, una muestra
del aire del interior del laboratorio para corroborar la concentración ambiental de CH4, bajo la
cual se realizaron las incubaciones.
Fig. 4.3: Elementos necesarios para el cultivo de muestras de suelo en laboratorio a fin de estimar TOM. Cámara de PVC junto con su tapa, la cual tiene adosada una válvula (a), jeringa de polipropileno 20 ml con válvula de tres vías
(b), Cámara cerrada y en pleno proceso de toma de muestra gaseosa a analizar (c).
4.2.4. Análisis cromatográfico de las muestras de aire
Las muestras de aire se almacenaron en las mismas jeringas a temperatura ambiente y
a sobrepresión hasta el momento de ser analizadas mediante un cromatógrafo gaseoso Agilent
7890 A que posee un detector de ionización de llama (FID, por sus siglas en inglés: flame
ionization detector) que permite la determinación de la concentración de CH4.
Los valores de concentración de CH4 registrados, se calcularon mediante un software
conectado al equipo de medición que asocia el área bajo la curva de respuesta del equipo con
la concentración de CH4 en la muestra. Dicho software utiliza una curva de calibración que se
obtuvo con patrones de 0,2; 0,7; 1,44; 2,09 y 3,07 ppm de CH4. Para la determinación de
21
concentraciones entre 1,44 y 3,07 ppm, como las que se utilizan en el presente trabajo, el error
se reduce a menos del 1%.
Fig. 4.4: Cromatógrafo gaseoso GC Agilent 7890 A (IFAS, UNCPBA)
4.3. Resultados y Discusión
4.3.1. Efectividad de las técnicas de extracción de muestras de
suelo
Mediante los ensayos con ambos materiales internos al muestreador, cilindros plásticos
y rectángulos de placas radiográficas, se determinó que los dos resultan útiles y necesarios. Esto
se debe a que cada uno de ellos presenta ventajas y desventajas, que cobran mayor peso bajo
distintas condiciones que puede presentar e suelo (por ejemplo humedad, penetrabilidad,
textura, etc) y por lo tanto, no es posible independizarse de ninguno de ellos. Un claro ejemplo
es que, si bien los tubos plásticos presentan un mayor rozamiento, que provoca que las muestras
en muchos casos deban ser descartadas debido a la compactación del testigo de suelo, el
cuidado que ofrecen a la hora de extraerlas es muy superior al que proporcionan las láminas
dado que estas últimas poseen más probabilidad de seccionamiento y/o desgrane del testigo.
Otra ventaja que presentan es la obtención del testigo intacto directamente en campo,
permitiendo la reutilización del material, previa limpieza y lavado.
4.1.1. Variación de la concentración de CH4 en las cámaras en
función de la cantidad de muestra
En la Fig. 4.1 se presentan las concentraciones de CH4 en función del tiempo obtenida
de las incubaciones realizadas. Cada gráfico corresponde a un estrato analizado, y en cada uno
de ellos se representan los valores medios y sus correspondientes desvíos obtenidos para cada
masa de suelo incubada.
22
Fig. 4.5: Variaciones de concentración de CH4 dentro de las cámaras de cultivo. Las diferentes masas utilizadas se diferencian por color. Las concentraciones son medias aritméticas y las barras, sus desviaciones estándar (n=2).
En general se observó que las cámaras con más cantidad de muestra (75 g) registraron
menores desviaciones estándar producto de una menor variación de valores entre las réplicas.
Este fenómeno sería atribuible al hecho de que la relación entre el volumen de la cámara y la
masa de suelo dentro de la misma disminuye. Sin embargo, las diferencias entre mediciones de
tiempos consecutivos, rara vez superaron el 1% detectable por el cromatógrafo, por lo que sería
recomendable aumentar aún más la cantidad de muestra dentro de las cámaras de cultivo en
busca de amplificar las posibles diferencias entre mediciones realizadas en tiempos
consecutivos.
En los estratos E2 a E4, durante las primeras 6 horas de monitoreo se observan
comportamientos similares a los hallados en los trabajos de Adamsen & King (1993), Bender &
Conrad (1993) y Price et al. (2003), con una leve disminución de la concentración de CH4 a lo
largo del tiempo y desviaciones estándar pequeñas. Luego de ese periodo de tiempo, las curvas
tienen comportamientos más variables y en general las desviaciones estándar aumentan. Por el
contrario, en el E1 la concentración de CH4 aumentó en el tiempo de manera continua,
alcanzando un plateau recién a las 70 horas de muestreo. Por otro lado, en todos los estratos se
observó un aumento de la concentración de CH4, detectado entre las 5 horas y las 69 hs. de
23
incubación para el caso del E1, y entre las 5 y las 6 horas para el resto de los estratos, luego del
cual el aumento continúa, pero con una pendiente muy inferior y un comportamiento más
fluctuante. No es claro por qué se produce un cambio en la variación de concentración luego de
este primer periodo de 6 horas; se puede suponer que existe un cambio en alguna variable como
la humedad del suelo, la temperatura o la cantidad de oxígeno presente, que genera un cambio
en la actividad bacteriana dando como resultado una curva con pendiente opuesta a la
esperada, indicando emisión de CH4. El aumento continúa, pero con una pendiente muy inferior
y un comportamiento más fluctuante. Se concluyó que para la determinación de las TOM se
debe realizar el monitoreo de las cámaras durante las primeras 4 horas posteriores al cerrado.
24
5. Metodología aplicada a suelos del sitio de interés para la
estimación de tasas de oxidación de metano
5.1. Sitios de estudio
Los muestreos se realizaron en dos parcelas adyacentes ubicadas dentro de la Unidad
Integrada Balcarce (37°45'40"S 58°17'55"W) en la que se encuentra la Estación Experimental
Agropecuaria Balcarce del Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Los suelos de
ambas parcelas corresponden a la misma unidad geológica pero presentan distintos tipos de
usos del suelo; la primera corresponde a un ensayo de clones de Eucalyptus globulus sp.y la
segunda es un pastizal naturalizado, que se utiliza como sistema de referencia. La temperatura
media anual de la zona es de 13,5 °C, con mínimos de -5.4 °C y máximos de 36 °C, obtenidos del
Servicio Meteorológico Nacional. La precipitación media anual es de 1008 mm y el suelo es del
tipo Argiudol típico. En la Tabla 5.1 se presenta un resumen de parámetros de suelo de los sitios
de estudio.
Profundidad (cm)
CE (S cm-1) Componentes (ambos sitios)
Eucalipto Pastizal % Arcilla % Limo % Arena Textura
0-20 113 (9) 130 (20) 27,41 42,59 30 Franco
20-40 120 (20) 110 (10) 32,5 42,5 25 Franco arcilloso
40-60 130 (50) 120 (60) 35 32,5 32,5 Franco arcilloso
60-80 110 (20) 90 (20) 27,5 37,5 35 Franco arcilloso
80-100 110 (9) 100 (30) 20 42,5 37,5 Franco
100-120 130 (40) 120 (40) 10,18 47,41 42,41 Franco
Promedio 120 (9) 110 (10) 25,431 40,833 33,735 Franco
CE: Conductividad eléctrica
Tabla 5.1: Parámetros de suelo. Datos no publicados cedidos por el grupo de Ecología Forestal-AER Tandil-INTA
La parcela de Eucaliptus (EU) se instaló en el año 1997 a través del Programa de
Mejoramiento Genético del INTA, contando con 30 clones. Por lo tanto, para el muestreo
realizado en este trabajo, y dado que las campañas se realizaron desde mayo de 2017, los
árboles alcanzaban los 20 años de antigüedad, dado que las campañas comenzaron en mayo del
2017. El distanciamiento es de 4 m entre filas y 2 m entre árboles dentro de cada fila. La densidad
de la plantación es de 1250 árboles ha-1. La preparación de la arboleda al momento de su
plantación consistió en arada cruzada, rastra y cincelado posterior. El control de malezas fue
mecánico y químico. La supervivencia del ensayo fue de un 96% (Gelid et al., 2001). Durante
todo este tiempo, no ha estado sometido a manejo forestal (más allá de los cuidados iniciales a
la plantación), pero sí a mediciones periódicas de distintas variables. Debajo de la forestación,
el estrato herbáceo está dominado por Dactylis glomerata (pasto ovillo) que representa más del
25
90% de la cobertura herbácea en el sotobosque. La Fig. 5.1 presenta el estado de la vegetación
durante los muestreos.
La parcela correspondiente al pastizal naturalizado (P) corresponde a una zona dentro
del predio experimental que se ha mantenido intacta durante al menos 20 años. Presenta una
variabilidad de especies de gramíneas típicas de los pastizales de la región pampeana dominadas
en abundancia por Dactylis glomerata (pasto ovillo), pero además hay gran proporción de otras
gramíneas como Bromus catharticus (cebadilla criolla), Avena sativa (avena) y Paspalum spp.
Además, en menor abundancia hay plantas de hoja ancha como Leontodon taraxacoides (diente
de león) y Circium vulgare (cardo). En la Fig. 5.1 se pueden observar varias fotos con la
vegetación presente.
Fig. 5.1: Fotos de los sitios (Pastizal y Eucalipto) tomadas durante las distintas campañas a lo largo del 2017
5.2. Extracción de muestras para la estimación de la TOM
Para el desarrollo de este trabajo se realizaron 5 campañas de muestreo durante el año
2017 en las siguientes fechas: 29 de mayo, 04 de julio, 28 de agosto, 10 de octubre y 28 de
noviembre.
Se extrajeron 40 testigos intactos de 7/8” de diámetro de los primeros 20 cm del suelo
de cada sitio (P y EU) por cada campaña de muestreo. Los mismos se sellaron en ambos extremos
26
y se refrigeraron inmediatamente a 4 °C aproximadamente. Luego, en el laboratorio, se los
dividió en cuatro estratos de 5 cm de espesor y se los numeró de manera tal que el E1 represente
el estrato más somero (0-5 cm) y el E4 el más profundo (15-20 cm). De esta manera se obtuvo
por cada estrato de cada sitio una muestra integrada que se almacenó en heladera (4 °C) hasta
el momento de su análisis.
Utilizando el mismo muestreador de suelos previamente descripto, se extrajeron cinco
testigos para la determinación de pH, humedad y contenido de materia orgánica (MO), que
fueron inmediatamente refrigerados hasta su posterior análisis en laboratorio.
Por otra parte, se recolectaron datos de precipitaciones mensuales en los sitios
estudiados a partir de la estación meteorológica de la Estación Experimental Agropecuaria
Balcarce-INTA.
5.3. Perfiles de concentración de metano in situ
Se obtuvieron muestras del aire subsuperficial del suelo en ambos sitios con el fin de
analizar in situ la variación de la concentración de CH4 con la profundidad. Para este ensayo se
utilizó una sonda hueca de acero inoxidable sin costura de 800 mm de largo, 7,94 y 4,67 mm de
diámetro externo e interno respectivamente, que posee en su extremo inferior 3 orificios
laterales equidistantes de diámetro menor a 0,5 mm que permiten la extracción de muestras de
aire. Está graduada cada 5 cm de longitud lo que posibilita extraer muestras del aire
subsuperficial hasta una profundidad de 75 cm (Fig. 5.2).
Fig. 5.2: Sonda para la extracción de muestras de la atmosfera subsuperficial, junto con demás insumos para llevar a cabo esta tarea: capuchón de hierro, masa, manija y jeringa de polipropileno con válvula de tres vías.
27
El muestreo se realizó en cada parcela y en cada campaña, donde se introdujo la sonda
5 veces de manera aleatoria en cada uno de los muestreos. En cada punto se procedió de la
misma forma: inicialmente se tomó una muestra del aire al ras del suelo con jeringa de
polipropileno de 20 ml que posee válvula de 3 vías y que fue previamente sometida a un proceso
de limpieza con nitrógeno de alta pureza (99,9%). Inmediatamente, se procedió al clavado de la
sonda cada 5 cm de profundidad y en cada punto se extrajeron y descartaron muestras de 15
ml, con las mismas jeringas, para limpiar el aire interior de la sonda y luego, mediante el uso de
la válvula, se extrajeron otras muestras similares que se conservaron a sobrepresión para su
posterior análisis en laboratorio (Priano et al., 2017). En dos de los muestreos, la sonda de
introdujo hasta 25 cm y en los tres restantes se lo hizo sólo hasta los 15 cm de profundidad.
Las concentraciones de CH4 de todas las muestras se determinaron mediante
cromatografía gaseosa de acuerdo a lo descripto en 4.2.4. Los valores obtenidos para cada perfil
se normalizaron respecto de la concentración medida al ras del suelo, de modo que ésta sea 1.
A demás, con el fin de presentar los datos en términos de variación de concentración de CH4 en
cada estrato, se utilizó la siguiente expresión:
∆𝐶𝑛 = [𝐶𝐻4]𝑇𝑒𝑛 − [𝐶𝐻4]𝐵𝑒𝑛 (5.1)
donde ∆𝐶𝑛es la variación de concentración normalizada en el estrato n, [𝐶𝐻4]𝑇𝑒𝑛es la
concentración de CH4 normalizada en el tope de estrato n y [𝐶𝐻4]𝐵𝑒𝑛es la concentración de CH4
normalizada en la base del estrato n. A partir de la ecuación 5.1, se puede decir que un valor
positivo de ∆𝐶 en los perfiles indica que la concentración de CH4 disminuye a lo largo del estrato
n. Por el contrario, un ∆𝐶 negativo indica un aumento de la concentración de CH4 a lo largo del
estrato. Un ∆𝐶 igual a cero señala que no hubo variaciones de concentración de CH4 en ese
intervalo de profundidad (estrato).
5.4. Cultivo de suelo en laboratorio
En cada uno de los ensayos se utilizó una muestra integrada de suelo de 200 gramos,
previamente homogeneizada y tamizada con tamiz de 2 mm, que se colocó en una cámara
cilíndrica de PVC de 10 cm de alto y 8 cm de radio para su incubación. Se utilizaron dos cámaras
por estrato (muestra y duplicado). Además, se utilizó una tercera cámara como blanco y que
contenía en su interior una muestra integrada de suelo del mismo estrato pero previamente
sometida a una esterilización húmeda por autoclave a 122 °C durante 30 min (Acosta Peñaloza
et al., 2013). Es decir que por cada estrato de cada sitio se contó con un conjunto de tres
cámaras, obteniendo de esta manera un total de 12 cámaras por sitio.
28
En cada ensayo se incubaron las cámaras abiertas (expuestas al aire del laboratorio) y al
abrigo de la luz durante 24 hs. a 22 °C dentro del laboratorio del grupo de Fisicoquímica
Ambiental del IFAS. Finalizado el tiempo de cultivo, las cámaras se airearon durante 5 min con el
aire exterior, y se cerraron de manera sincronizada para la extracción inmediata de la primera
muestra de aire. Además, al momento del cierre de las cámaras se tomaron muestras de aire
del interior del laboratorio y del exterior (aire ambiente). Durante las 4 horas siguientes, las
cámaras se conservaron en las mismas condiciones que para su incubación (a 22 °C) dentro del
laboratorio. Se extrajeron muestras de aire de cada una de ellas a intervalos de una hora. De
esta manera, se obtuvieron cinco muestras de aire por cada cámara en cada ensayo.
5.5. Estimación de las tasas de oxidación
Como se ha explicado anteriormente en el apartado 4.2.4, la determinación de la
concentración de CH4 se realizó mediante cromatografía gaseosa en el laboratorio.
Posteriormente se realizó una conversión de unidades de ppm a moles de CH4, utilizando la ley
general de gases ideales (ecuación 5.2):
[𝐶𝐻4]𝑚𝑜𝑙 =𝑃𝑉𝐶𝐻4𝑅𝑇
(5.2)
donde 𝑃 es la presión dentro de la cámara (1 atm), 𝑉 es el volumen de aire dentro de la cámara
en litros, 𝑅 la constante de gases ideales (0,082 atm l mol-1 °K-1) y 𝑇 la temperatura registrada
durante la medición en °K. El volumen (𝑉𝐶𝐻4) de CH4 dentro de la cámara se calculó mediante la
ecuación 5.3.
𝑉𝐶𝐻4(𝑙) = 𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒[𝐶𝐻4]10−6 (5.3)
𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒(𝑙) = 𝜋𝑟𝑐2(ℎ𝑐 − ℎ𝑠) (5.4)
donde 𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 es el volumen total de aire dentro de la cámara de cultivo, calculado según la
ecuación 5.4, donde 𝜋 se consideró igual a 3,1416, 𝑟𝑐 es el radio de la cámara (0,8 dm), ℎ𝑐 es la
altura de la cámara (1 dm) y ℎ𝑠 es la altura del suelo dentro de la cámara (0,15 dm); y [𝐶𝐻4]10−6
es la fracción de 𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 correspondiente a gas CH4. Luego, se redujo la concentración obtenida en
un factor de 10-9 (nanomoles) para que estos resultados parciales se adecúen a los reportados
en la bibliografía (Adamsen & King, 1993; Chan & Parkin, 2001) y queden expresados en términos
de nmolCH4 luego de la aplicación de la ec. (5.2).
Los valores de concentración de CH4 de cada cámara se representaron en un plano cartesiano
colocando en el eje de las ordenadas la concentración de CH4 (nmoles) y en el de las abscisas el
tiempo entre la toma de la muestra y el cierre de la cámara (en horas) (Fig. 5.3). Cada
distribución se aproximó con una curva de primer orden (lineal) con el objetivo de obtener la
29
pendiente (k) de la misma, que representa los nmoles de CH4 metabolizados por hora en cada
cámara de cultivo. Si las pendientes obtenidas presentan valores negativos, indican que se
produce la oxidación de CH4 (secuestro) por parte del suelo cultivado, debido a la acción de
bacterias metanótrofas. En caso contrario, se reconoce un proceso de emisión de CH4 dentro de
la cámara atribuible a la acción de bacterias metanogénicas. Como criterio de significancia de
las aproximaciones lineales, se tomó un coeficiente de determinación R2≥ 0,7. Las pendientes
calculadas que no alcanzaban dicho valor de significancia se desestimaron (Price et al., 2004).
Fig. 5.3: Dispersión de la concentración de CH4 en función del tiempo, obtenida de la incubación de la muestra del E2 del sitio EU de la campaña de noviembre. Los colores rojo y verde son la muestra y su duplicado, respectivamente y el azul representa el blanco. Se indica en cada caso con línea de trazos, los resultados del ajuste lineal: el valor de la
pendiente k y el R2
Por último, se obtuvo la TOM al considerar los gramos de suelo colocados en cada
cámara, de acuerdo a:
𝑇𝑂𝑀[𝑛𝑚𝐶𝐻4𝑔𝑠−1ℎ−1] =
−𝑘
𝑚𝑠𝑠 (5.4.)
donde 𝑘 es la pendiente de la aproximación lineal en términos de (nmCH4 h-1) y 𝑚𝑠𝑠 es la masa
de suelo seco dentro de la cámara de cultivo expresada en (g) (Price et al., 2003).
5.6. Determinación de parámetros de suelo
En cada campaña, se extrajeron muestras para el análisis de parámetros de suelo
básicos: contenido de humedad, contenido de materia orgánica y pH. La determinación del
contenido de humedad del suelo se realizó en cada muestra integrada de cada estrato antes y
después de realizar la incubación. De esta manera, se consideró al contenido de humedad con
un parámetro control del tiempo de muestreo en cada ensayo.
Para la determinación de la humedad, se pesaron 10 gr de la muestra integrada de cada
estrato y se los colocó en un crisol de 10 ml para llevarlo a estufa a 105 °C durante 24 hs.
30
Finalizado dicho intervalo, las muestras se enfriaron en desecador hasta alcanzar temperatura
ambiente. Luego, se registró el peso final de la muestra y el contenido de humedad gravimétrica
se obtuvo a partir de la siguiente ecuación:
%ℎ =𝑀ℎ−𝑀𝑠
𝑀𝑠100 (5.2)
donde 𝑀ℎ es la masa de suelo húmedo y 𝑀𝑠 es la masa de suelo seco de la muestra (Paul, 2007).
Este ensayo se desarrolló por triplicado para cada estrato de cada sitio muestreado y en
cada una de las campañas realizadas.
El porcentaje de materia orgánica (%MO) se determinó mediante la extracción de 5 gr
de muestra integrada de cada estrato, previamente tamizada con malla de 500 m que se colocó
en estufa durante 24 hs. a 105 °C. Luego, se las dejó enfriar hasta temperatura ambiente, se
registró el peso y se colocó en mufla a 360 °C durante 4 hs. Nuevamente, las muestras se
enfriaron en desecador y se registró el peso final. El contenido porcentual de materia orgánica
se calculó mediante la siguiente ecuación:
%𝑀𝑂 =𝑀𝑒−𝑀𝑚
𝑀𝑚100 (5.3)
Donde 𝑀𝑒 es la masa de suelo registrada luego del secado en estufa, 𝑀𝑚 es la masa de suelo
registrada luego del secado en mufla (Burt, 2004).
Este ensayo se desarrolló por duplicado para cada estrato de cada sitio muestreado
durante las campañas de mayo, agosto y noviembre.
La determinación del pH se realizó de acuerdo a Burt (2004). Se pesaron 5 gr de muestra
integrada de cada estrato, previamente tamizada con malla de 2 mm, y se colocaron en un vaso
de precipitados de 25 ml. Se agregaron 12,5 ml de agua descarbonatada, se agitó la mezcla unos
segundos y se la dejó reposar durante 40 min. Posteriormente se determinó la acidez de la
mezcla agua-suelo con un peachímetro de laboratorio, previamente calibrado en cada ocasión.
Este ensayo se desarrolló por duplicado para cada estrato de cada sitio muestreado
durante las campañas de mayo, agosto y noviembre.
5.7. Análisis estadísticos
Para cada una de las variables analizadas, TOM, parámetros de suelo y concentración
de CH4 in situ, se determinó el valor medio y su correspondiente desviación estándar a partir de
la muestra y duplicados utilizados, para cada estrato de suelo y fecha de muestreo.
Posteriormente, se empleó la prueba Shapiro-Wilk para evaluar la distribución normal de los
datos. Se utilizó el test no paramétrico Kruskal-Wallis para establecer diferencias en las TOM
31
entre campañas dentro de un mismo sitio (n=32) y entre sitios (n=64). Lo mismo se realizó para
los parámetros de suelo: un análisis descriptivo, la prueba de normalidad y el ANOVA o Kruskal-
Wallis, dependiendo de los resultados de la prueba de normalidad, para la comparación entre
sitios (n=40). Se consideró la variable estratos como una variable apareada por lo que para
evaluar las diferencias entre estratos, tanto de los valores de TOM como de los parámetros de
suelo de cada sitio, se utilizó el test “t” para muestras pareadas, salvo en el caso de los datos de
humedad del sitio EU, que por no presentar una distribución normal, se utilizó el test no
paramétrico de Wilcoxon para muestras pareadas (n=36). Finalmente, se aplicó análisis de
correlación (test de Pearson) para determinar la relación entre las TOM y los parámetros de
suelo. Se utilizó el software Origin, versión 8.0 Pro y un nivel de significancia de 0,05 para todos
los análisis.
32
6. Resultados y Discusión
6.1. Tasas de oxidación de metano
Durante la primera campaña (mayo 2017) se ensayó nuevamente la cantidad de masa
de suelo a utilizarse en cada cámara, dado que con los resultados obtenidos en 4.3.2 se
reconocía la necesidad de recolectar más cantidad de muestra. La Fig. 6.1 presenta valores
medios de la concentración de CH4 en función del tiempo registrados en las cámaras de cultivo
al colocar 100 g de muestra.
33
Fig. 6.1: Distribución de concentraciones de CH4 (ppm) en función del tiempo para la campaña de mayo para ambos sitios, en cámaras con 100 g de suelo. Los puntos corresponden a los valores medios y las barras a los desvíos
estándar.
34
Se puede apreciar que la distribución de datos provenientes de ensayos en los que se
usó 100 g de suelo presenta poca variación de la concentración de CH4 en el tiempo, aunque con
desviaciones estándar elevadas en algunos casos. Debe recordarse que la desviación se estima
para dos muestras (cámaras) por lo que al presentar pocos grados de libertad aumentan de por
sí la desviación estándar, pero a la vez, cada muestra resulta de un pool de muchos puntos en el
sitio original, por lo que integra la variación o heterogeneidad existente a campo. Las variaciones
pocas veces superan los 0,06 ppm, por lo que es posible pensar que la misma se mantiene
prácticamente constante dentro de la cámara a lo largo del experimento, con valores bastante
cercanos al inicial. Las concentraciones registradas en los estratos 1 y 2 son levemente más altas
que las halladas en los estratos inferiores. Sin embargo, en ninguna de ellas es posible detectar
un descenso de concentración de CH4 a lo largo del intervalo medido.
El sitio EU presenta variaciones de concentración de CH4 similares a las del sitio P, y con
desviaciones estándar mayores. En este caso, el E1 presentó las concentraciones más altas,
variando en el tiempo medido dentro de un valor cercano a 2,035 ppm. El E2 del sitio EU registró
un comportamiento similar al del sitio P, cuyas concentraciones fueron siempre mayores a 2,00
ppm y con mayores desvíos. Un caso similar ocurrió con el E3 y el E4, cuyas concentraciones
fueron generalmente menores a 1,97 ppm, al igual que en P, salvo algunos casos en los que se
registraron valores algo superiores al mencionado. Es posible pensar que este comportamiento
registrado tanto en P como en EU se deba a que todavía no se cuenta con suficiente cantidad de
masa de suelo como para observar un marcado descenso o ascenso de la concentración de CH4
a lo largo del intervalo de tiempo considerado.
En general, tanto en el sitio P como en el EU las diferencias entre las mediciones son de
alrededor del 1%, mayormente en los estratos 1 y 2, por lo que, de acuerdo a lo mencionado
anteriormente, esta variación se encuentran dentro del error de detección del equipo. Una
variación levemente más marcada se registra en los estratos inferiores, quizás atribuible a una
mayor actividad bacteriana en esas profundidades. A partir de estos resultados se concluyó que
debía incrementarse aún más la masa de suelo para poder calcular las TOM.
La Fig. 6.2 presenta los resultados del ensayo con 200 g de muestra de suelo.
35
Fig. 6.2: Distribución de concentraciones de CH4 (ppm) en función del tiempo para la campaña de mayo para ambos sitios, en cámaras con 200g de suelo. Los puntos corresponden a los valores arrojados por el equipo de medición
(Er=1%).
36
Similar a lo observado en la Fig.6.1, el E1 tanto del sitio P como del EU, registró las
mayores concentraciones de CH4, pero en este caso resultaron más altas las del sitio P, donde
se observó un leve aumento de concentración con el tiempo durante las dos primeras horas de
medición y durante las tres primeras horas en el sitio EU. Los E2 de ambos sitios presentaron
variaciones similares entre sí, pero el sitio P presentó un máximo de concentración de CH4 luego
de las tres horas del cierre de las cámaras. Sin embargo, en los E3 y E4 de ambos sitios se registró
una leve disminución de la concentración de CH4 luego de transcurrida una hora del cerrado de
las cámaras. Los valores finales fueron similares en ambos casos y cercanos a 1,94 ppm para el
sitio P y a 1,96 ppm para el sitio EU, siendo menores a la concentración inicial en ambos casos.
A diferencia de lo que se observó en la Fig.6.1, las variaciones de concentración a lo largo del
tiempo medido (4 horas) fueron en general mayores al 1%, por lo que pueden ser diferencias
detectables por el equipo de medición. Estos resultados indican que para una mejor
determinación de las TOM es necesario colocar al menos 200 gr de suelo en las cámaras
diseñadas. Por lo tanto, esa fue la masa utilizada en todos los ensayos posteriores.
A continuación, en la Fig. 6.3., se presentan los valores de TOM (valores medios y sus
correspondientes desvíos), obtenidos para cada estrato de cada sitio y durante las campañas de
julio, agosto, octubre y noviembre de 2017. En el Anexo I se presentan las regresiones lineales
obtenidas para cada sitio y estrato en cada una de las campañas. El único ensayo que se
desestimó, fue el correspondiente al E1 del sitio EU en la campaña de julio (ver Anexo I), dado
que su R2 resultó ser inferior al coeficiente de correlación mínimo establecido (R2≥0,7).
37
Fig. 6.3: Tasa de Oxidación de Metano (TOM) (nmCH4 gS-1 h-1), valores medios y sus correspondientes desvíos
estándar para cada estrato de cada sitio: el sitio Pastizal (P) está representado con puntos y el eucaliptal (EU) con triángulos. Cada estrato mide 5 cm de profundidad.
En la campaña de julio ambos sitios presentaron los valores más bajos de TOM en el E1;
el P registró en promedio una emisión neta de CH4 de -0,0189±0,007 nmCH4 gS-1 h-1 y EU un
secuestro de 0,006±0,001 nmCH4 gS-1 h-1. Estos resultados concuerdan con los observados en los
trabajos de Hütsch (1998), Prajapati & Jacinthe (2004), Adamsen & King (1993) y Price et al.
(2003), en los que los autores reportan TOM mínimas (algunas de ellas negativas, indicando
emisión neta) en los primeros centímetros del suelo. El P registró un incremento continuo de la
TOM desde el primer al tercer estrato, luego del cual se mantuvo en un valor cercano a 0,02
nmolCH4 gS-1 h-1 en E4. Por el contrario, el sitio EU registró un perfil más variable, con aumentos
de TOM hacia el E2 y E4 y disminuciones de las tasas en E1 y E3. La máxima TOM del pastizal se
registró en el E3 (0,024±0,001nmolCH4 gS-1 h-1) mientras que en el EU, en el estrato E2
(0,026±0,001 nmolCH4 gS-1 h-1). Similares resultados a los hallados en EU se reportan en Bárcena
et al. (2014) para robledos de 42 años de antigüedad.
Durante la campaña de agosto no se registraron grandes diferencias de las TOM a lo
largo del perfil en cada sitio, ni tampoco grandes diferencias entre sitios. En este caso, el sitio
EU alcanzó su máxima TOM (0,0216±0,0001 nmCH4 gS-1 h-1) en el E1, característica que no se
38
presenta en las demás campañas y llama la atención dado que en ninguno de los trabajos de la
Tabla 3.2 se reporta un máximo de TOM en el primer estrato. Por el contrario, el sitio P registró
su máxima TOM de 0,022±0,003 nmCH4 gS-1 h-1 en el E4, coincidentemente con lo reportado en
Prajapati & Jacinthe (2014).
En octubre, el sitio P registró un perfil de TOM similar al de julio pero con un aumento
apreciable y continuo de las TOM con la profundidad, siendo su valor máximo de 0,0416± 0,0006
nmCH4 gS-1 h-1 en el E4. Este continuo incremento en la TOM no se observó en ninguna otra
campaña pero coincide con reportado por Hütsch (1998) en la misma porción de una columna
de suelo, de un sitio bajo siembra directa. Por otra parte, el sitio EU registró un perfil de TOM
también similar al obtenido en julio, pero registrando TOM mayores. La máxima TOM registrada
en este caso fue de 0,041± 0,004 nmCH4 gS-1 h-1, nuevamente en el E2. Este resultado concuerda
en orden de magnitud con el trabajo de Adamsen & King (1993) donde se determinó la TOM del
suelo de un bosque de coníferas a una profundidad similar (6-9 cm). Price et al. (2003) también
estimaron una TOM máxima a los 5-10 cm de profundidad en el suelo de un bosque alpino
milenario.
En la campaña de noviembre, el sitio P registró las mayores TOM de todas las campañas
en los dos primeros estratos, con un máximo pronunciado en el E2 de 0,058±0,001 nmCH4 gS-1 h-
1.
A continuación se presenta un resumen de los valores de TOM obtenidas a lo largo de
todo el trabajo (Tabla 6.1).
39
Sitio 𝑻𝑶𝑴(nmolCH4 gS-1 h-1) Estadístico (p)
Valores medios en profundidad
Estratos 1 2 3 4
P 0,01(0,02) 0,02 (0,02) 0,024 (0,008) 0,029 (0,009) --
EU 0,01 (0,01) 0,02 (0,01) 0,017 (0,006) 0,021 (0,005)
Valores medios temporales Kruskal-Wallis
Campañas Jul Ago Oct Nov
P 0,01 (0,01) 0,013 (0,006) 0,02 (0,01) 0,03 (0,01) <0,05
EU 0,01 (0,01) 0,019 (0,002) 0,02 (0,01) 0,01 (0,01) >0,05
Valores medios totales
P 0,017 (0,003) >0,05
EU 0,011 (0,002) 𝑻𝑶𝑴̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅: Tasa de oxidación de CH4 promedio Tabla 6.1: Tasas de oxidación de CH4 promedio calculadas según los sitios, los estratos y campañas. Resultados del
análisis estadístico ANOVA para la TOM.
Como se puede observar, en el sitio P, el estrato que registró la máxima TOM promedio
fue el E4 con un valor de 0,029±0,009 nmCH4 gS-1 h-1 y la mínima TOM media fue de 0,01±0,02
nmCH4 gS-1 h-1 en el E1, sin hallarse diferencias estadísticamente significativas entre los estratos,
como se indica en la Tabla 12.1 (p>0,05) (Anexo II). Sin embargo, se observa un perfil de TOM
media que va en aumento con la profundidad. De manera similar, en el sitio EU, la TOM media
máxima fue de 0,021±0,005 nmCH4 gS-1 h-1 en el E4 y la mínima de 0,01±0,01 nmCH4 gS
-1 h-1 en el
E1, donde sí se hallaron diferencias estadísticamente significativas entre los estratos (test t para
muestras pareadas, p<0,05, ver Anexo II). En general, estos resultados concuerdan con lo
reportado por Bárcena et al. (2014) y Zhiyong et al. (2013), quienes indican que las TOM de
distintos sitios en los primeros 5 cm de suelo no presentan valores elevados ni grandes
variaciones, alcanzan su máximo en los primeros 20 cm de profundidad, y comienzan a decrecer
hasta los 150 cm, donde son prácticamente nulas.
En cuanto a la época de muestreo, en el caso del sitio P, se registró un aumento de sus
TOM de julio a noviembre; la mínima fue de 0,01±0,01 nmCH4 gS-1 h-1 en el mes de julio y la
máxima de 0,03±0,01 nmCH4 gS-1 h-1el mes de noviembre con diferencias estadísticamente
significativas entre los meses analizados (Kruskal-Wallis, p<0,05). Por el contrario, el sitio EU no
registró fuertes variaciones a lo largo de las campañas (p>0,05); se observó un descenso de sus
TOM en noviembre, respecto de los meses previos, con valores mínimos de -0,005±0,004 nmCH4
gS-1 h-1 en el E1 (indicando emisión de CH4) y de 0,016±0,002 nmCH4 gS
-1 h-1 en el estrato 4. Su
TOM media máxima fue en octubre con un valor de 0,02±0,01 nmCH4 gS-1 h-1 Este
comportamiento general del sitio EU es similar al observado por Barcena et al. (1993) en una
tundra elevada de Canadá. Estos resultados indicarían la existencia de una variación temporal
en las TOM, posible de confirmar con un estudio más extendido en el tiempo.
40
Por último, no se hallaron diferencias estadísticamente significativas entre las TOM
promedio de los distintos sitios (p>0,05) considerando el conjunto de fechas y estratos de suelo.
Resultados similares se reportan en Nazaires et al. (2011), quienes indicaron que las poblaciones
metanótrofas en un pastizal reforestado en suelos volcánicos de climas templados se
diferenciaron del pastizal de referencia recién luego de 47 años, por lo que se podría pensar que
la edad del sitio EU es aún temprana para observar diferencias importantes en las TOM con
respecto a las del sitio P. Lo mismo indican Barcena et al. (1993), quienes además afirman que
las TOM y el tamaño de las comunidades metanotróficas aumentan conjuntamente con la edad
de la forestación debido a que el desarrollo de estos suelos se caracteriza por la disminución de
la densidad global y el aumento del carbono orgánico total. Estos dos parámetros son los que
ellos señalan que tienen mayor correlación con la TOM. En principio se cuenta aún con escasos
datos como para poder confirmar que no habría una diferencia significativa en las TOM de
ambos sitios. Si esta similitud fuera cierta, podría indicar que, dado que los sitios poseen
similares características edafológicas, el cambio de uso de suelo no ha afectado fuertemente las
comunidades de metanótrofas presentes, al menos durante los primeros 20 años de la
plantación de Eucaliptos. Quizás en los sitios que se estudian en este trabajo es necesario
esperar unos años para poder encontrar fuertes diferencias.
6.2. Perfiles de concentración in situ de metano
En la siguiente figura (Fig. 6.4), se presentan los perfiles de concentración de CH4
obtenidos desde mayo a noviembre del año 2017 para ambos sitios, pastizal y eucaliptal. Como
se aclaró en la metodología, los valores obtenidos se normalizaron a la concentración
atmosférica de la superficie del suelo.
41
Fig. 6.4: Perfiles de concentración de CH4 in situ. C es la concentración de CH4 normalizada con la concentración del gas en la superficie. P está representado con círculos y EU con triángulos.
De la Fig. 6.4, se observa que en general la concentración de CH4 disminuyó con el
aumento de la profundidad en ambos sitios, especialmente hasta los 15 cm, evidenciándose la
acción de bacterias metanótrofas o una pobre difusión del gas en el suelo. En profundidades
inferiores, entre los 15 y 20 cm, se aprecian fuertes variaciones en el comportamiento general
de las curvas con respecto a la zona más cercana a la superficie, comenzándose a evidenciar
procesos de metanogénesis por el aumento de la concentración respecto del estrato anterior.
Ya entre los 20 y 25 cm de profundidad, la concentración de CH4 en general casi no varía, siendo
generalmente un 50% inferior a la concentración de CH4 en la superficie. Para poder observar la
magnitud de las variaciones de la concentración de CH4 en cada estrato estudiado, se presenta
a continuación la Fig. 6.5. Los resultados se obtuvieron luego de aplicar la ecuación 5.1.
42
Fig. 6.5: Perfiles de concentración de CH4 in situ. C es la diferencia de concentración de CH4 entre el tope y la base de cada estrato. P está representado con círculos, y EU con triángulos.
En la campaña de mayo no se registraron fuertes variaciones de la concentración de CH4
(C<±0,05) en los primeros dos estratos del sitio P y en el estrato 4 del sitio EU. Sin embargo, en
los estratos 3 y 4 del sitio P se observan valores negativos, de -0,1±0,9 y -0,2±0,5
respectivamente, lo que indica que hubo un aumento de la concentración de CH4 (entre un 10 y
un 20% respecto de la concentración hallada en el estrato anterior de acuerdo a la ec. 5.1.),
posiblemente debido a la presencia de bacterias metanogénicas en esas zonas. Un resultado
similar se observó en el estrato 4 del sitio EU, pero con valores mucho más bajos. En este sitio
se observaron variaciones notables principalmente en los estratos 1 (C=0,1±0,1) y en el E2
(C=0,2±0,1), contrariamente a lo hallado en el sitio P.
Los perfiles correspondientes a los meses de julio y agosto fueron muy similares para el
sitio P, ambos registraron un aumento de la variación de la concentración de CH4 con la
profundidad cuyo máximo se observa en el estrato 4, es decir entre los 15 y 20 cm, ambos con
un valor de diferencia proporcional con el perfil de referencia de 0,2±0,2. Esto podría indicar
que el CH4 se está difundiendo a lo largo del perfil o que se producen procesos de oxidación en
esos estratos, o es el resultado de ambas cosas. Al comparar estos resultados con las TOM
43
obtenidas en laboratorio (Fig. 6.5), se observa un comportamiento similar, por lo que en este
caso, el perfil de concentraciones de CH4 estaría reflejando la actividad bacteriana, que se
concentra mayormente entre los 15 y 20 cm de profundidad. Por el contrario, en el sitio EU se
observa una disminución de la variación de concentración con la profundidad hasta el estrato 4
(C=-0,1±0,2) para el mes de julio y hasta el 3 (C=0,0±0,4) para el mes de agosto, indicando la
presencia de procesos de emisión de CH4 en esas zonas más profundas.
En los meses de octubre y noviembre se registraron comportamientos similares para
ambos sitios, con un aumento en la variación de la concentración de CH4 con la profundidad
hacia el estrato 3 (10-15 cm), alcanzando valores cercanos a 0,4 en ambos sitios, es decir, que
en este estrato la concentración disminuyó un 40% respecto de la hallada en el estrato anterior.
En el estrato 4 se registró una disminución de la concentración de CH4 para ambos sitios; incluso
el sitio P registró valores negativos C=-0,2±0,5 en noviembre y mayo, que indican la presencia
de procesos de metanogénesis.
En general, se observó que no se producen grandes diferencias entre los perfiles de
concentración de ambos sitios de estudio, notándose en ellos comportamientos similares en la
mayoría de las campañas; las variaciones registradas presentaron fuertes desvíos en los estratos
3 y 4 en ambos sitios, lo que podría indicar una fuerte actividad bacteriana en esas zonas,
coincidente con lo observado en los resultados de TOM. La campaña más contrastante entre
ambos sitios fue la de julio, donde los perfiles presentaron un comportamiento espejado. En el
trabajo de Adamsen & King (1993), se reportaron comportamientos similares en los perfiles de
concentración de CH4. Ellos registraron poco o ningún consumo neto de CH4 en los horizontes
orgánicos superiores y observaron, ocasionalmente, producción de CH4 cerca de la superficie, lo
que es coincidente en especial con lo que sucede en el sitio P. A profundidades del suelo mayores
a 5 cm, observaron un consumo neto de CH4. Luego, indican que las tasas de consumo
aumentaron junto con la profundidad del suelo, hasta alcanzar los 10-15 cm, donde se
registraron, al igual que en este caso, la mayor concentración de actividad metanótrofica.
6.3. Parámetros de suelo y su correlación con las TOM
La siguiente tabla (6.2) presenta un resumen de los valores de pH, materia orgánica y
contenido de humedad del suelo obtenidos para cada estrato de cada campaña en ambos sitios.
44
Sitio Campaña Estrato
Promedio Estadístico ANOVA(p) 1 2 3 4
pH
P
Mayo 6,08 (0,04) 6,49 (0,01) n.d. n.d. 6,2 (0,2)
>0,05 Ago 6,33 (0,04) 6,535(0,007) 6,75 (0,02) 6,39 (0,02) 6,5 (0,1)
Nov 6,49 (0,01) 6,635 (0,007) 6,51 0,09) 6,245 (0,007) 6,4 (0,1)
Promedio 6,3 (0,1) 6,55 (0,06) 6,6 (0,1) 6,32 (0,08) 6,4 (0,1)*
EU
Mayo 5,6 (0,3) 5,6 (0,3) n.d. n.d. 5,5 (0,2)
>0,05 Ago 6,06 (0,02) 5,375 (0,007) 5,445 (0,007) 5,38 (0,02) 5,5 (0,3)
Nov 5,99 (0,04) 5,65 (0,05) 5,68 (0,02) 5,66 (0,01) 5,7 (0,1)
Promedio 5,8 (0,2) 5,5 (0,2) 5,5 (0,1) 5,5 (0,1) 5,6 (0,2)*
%MO
P
Mayo 10,342 (0,09) 7,0 (0,2) n.d. n.d. 8 (1)
>0,05 Ago 14,937 (0,08) 12,3 (0,1) 8,3 (0,9) 7,120 (0,007) 10 (3)
Nov 11,02 (0,02) 9,01 (0,09) 6,77 (0,01) 6,376 (0,006) 8 (1)
Promedio 12 (2) 9 (2) 7 (1) 6,7 (0,4) 9 (2)*
EU
Mayo 25 (3)† 6,038 (0,06) n.d. n.d. 15 (11)
>0,05 Ago 10,2 (0,3) 6,3 (0,3) 8,1(0,3) 6,65 (0,09) 7 (2)
Nov 10,18 (0,01) 6,167 (0,003) 5,92 (0,02) 5,4 (0,5) 6 (2)
Promedio 15 (8) 6 (0,2) 7 (2) 6,0 (0,7) 9 (6)*
% Humedad
P
Mayo 39 (2) 10,2 (0,7) 7 (1) 8,4 (0,5) 16 (15)
<0,05
Jul 33 (2) 30,8 (0,5) 36 (1) 32 (0,5) 31 (2)
Ago 35,1 (0,3) 29,4 (0,5) 29,0 (0,2) 29 (1) 30(2)
Oct 37 (2) 23 (1) 22,9 (0,6) 22,2 (0,1) 26 (4)
Nov 28,6 (0,3) 24,8 (0,3) 24,3 (0,2) 22,9 (0,1) 24 (1)
Promedio 34 (3) 25 (6) 25 (7) 23 (6) 27 (7)*
EU
Mayo 14,1 (1) 19,3 (0,4) 16,3 (0,6) 20,5 (2) 17 (2)
>0,05‡
Jul 43 (5) 50 (3) 33,4 (0,1) 26,6 (0,1) 40 (7)
Ago 43,09 (0,05) 40,1 (0,3) 35,5 (0,3) 32 (6) 37 (4)
Oct 38 (3) 31,5 (0,1) 27,8 (0,5) 26,8 (0,1) 31 (4)
Nov 25,9 (0,4) 19,5 (0,2) 23 (4) 20,9 (0,3) 22 (2)
Promedio 35 (10) 33 (12) 29 (7) 27 (5) 31 (9)*
*Promedio general del sitio. † Valor anómalo desestimado. ‡ ANOVA no paramétrico (Kruskal-Wallis)
Tabla 6.2: Resumen de parámetros de suelo medidos en el pastizal (P) y eucaliptal (EU), pH, %MO: contenido de materia orgánica y %h: contenido de humedad del suelo. Se indican los valores medios y entre paréntesis los desvíos, el tipo de test estadístico utilizado y el valor de significancia p. Los resultados de los test estadísticos de los estratos
dentro de cada sitio se encuentran en el Anexo II.
De acuerdo a los valores que se observan en la Tabla 6.2, el sitio P presentó un suelo
ligeramente ácido, según la clasificación de Burt (2004) con un promedio general de 6,4 y el sitio
EU un suelo moderadamente ácido con un valor medio de 5,6; ambos casos con similar
dispersión pero con diferencias estadísticamente significativas entre ellos determinada por el
análisis ANOVA de Kruskal-Wallis (p<0,05). Este parámetro es muy dependiente del tipo de uso
del suelo observándose una acidificación del suelo por parte de la plantación de eucaliptos. El
sitio P presentó una mayor variación de pH con la profundidad, aumentando levemente hacia el
45
E3, donde se llega a un máximo de 6,6 y luego disminuye hacia el estrato 4 donde se registraron
valores cercanos a 6,3. En los primeros 2 estratos las campañas de mayo y agosto registraron los
valores más bajos, mientras que la campaña de noviembre es la que presenta los valores más
altos. La situación se revierte en los estratos inferiores, en los que en agosto se registraron los
valores más altos. Por el contrario, el sitio EU registró un valor de pH de 5,8 en el primer estrato
que luego disminuye levemente con la profundidad hasta alcanzar valores promedio de 5,5 a
una profundidad de entre 15 y 20 cm. Este comportamiento de disminución del pH con la
profundidad contrasta con la idea de que la misma sea producto del aporte de hojarasca de los
eucaliptos. Durante el mes de agosto se registraron los valores más bajos para todo el perfil,
excepto en el E1, que presentó el mayor valor de pH del sitio EU. A pesar de las tendencias
mencionadas, no se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre los sitios en
cada época de muestreo (ANOVA, p>0,05). Sin embargo, dentro de cada sitio, algunos estratos
se diferenciaron estadísticamente entre sí (test t pareado, p<0,05), especialmente en el caso del
sitio P (ver anexo II).
Price et al. (2004) determinaron que existe una correlación lineal significativa entre los
valores de pH y las TOM estimadas, e indicaron que las mayores TOM se dan para valores de pH
cercanos a 4,4. Sin embargo, para este caso, no se observó una correlación significativa entre
TOM y pH en ninguno de los sitios (p>0,05) al analizar el total de los datos. Podría ser necesario
contar con un número mayor de datos para observar una correlación significativa en nuestro
caso.
Respecto al contenido de materia orgánica (MO), el sitio P presentó un valor levemente
superior al de EU, con excepción de la campaña de mayo. Las diferencias más fuertes entre
ambos sitios se presentaron en el E1 dado que el sitio P es un suelo densamente poblado de
especies herbáceas que continuamente alimentan el mantillo superior del suelo. En cambio, en
el sitio EU existe escasa variedad en la cobertura del suelo por parte de gramíneas y se observa
gran cantidad de restos vegetales proveniente de los eucaliptos, de más lenta descomposición.
Sin embargo, en el promedio general de ambos sitios, no se observaron diferencias
estadísticamente significativas entre ellos (test no paramétrico Kruskal-Wallis, p>0,05), ambos
registraron un contenido de MO promedio de 9 %, lo que podría ser un efecto de la dominancia
del pasto ovillo en ambos sitios o indicar que el cambio de uso de suelo no lo estaría alterando
fuertemente, al menos hasta el momento. En ambos usos del suelo se midió una disminución
progresiva de la MO con la profundidad, esperable para este parámetro, aunque en general para
el sitio EU no se puede afirmar que los estratos sean estadísticamente diferenciables (anexo II).
Distinto es el caso del sitio P, en el que los estratos son estadísticamente diferenciables, salvo el
46
caso del E3 en comparación con el E4 (p>0,05, Anexo II). La variación temporal del %MO no
resultó estadísticamente diferenciable por el test ANOVA (p>0,05, Tabla 6.2) para ninguno de
los sitios.
Es posible afirmar que en los sitios existe una gran actividad biológica macro y
microscópica en las cercanías de la superficie del suelo que va disminuyendo con la profundidad.
Dicho efecto se puede asociar con la disponibilidad de oxígeno en cada estrato, que
comúnmente sucede en los suelos. Al comparar estos datos de MO de ambos sitios con las TOM
obtenidas, este parámetro no presenta una correlación lineal estadísticamente significativa
(R2=0,001, p>0,4) y tampoco se han reportado fuertes relaciones en la bibliografía entre %MO y
las TOM, sino más bien con el carbono orgánico total. Sin embargo, Barcena et al. (2014) y
Adamsen & King (1993) se refieren indirectamente a este parámetro cuando hablan del grado
de desarrollo del suelo arbóreo. Barcena et al. (2014) indican que el incremento del carbono
orgánico total se asocia con la madurez de un suelo arbóreo y también con la TOM, debido a
que es un factor que promueve el crecimiento de las comunidades metanótrofas y sentencia
que, junto con la densidad aparente, son los dos factores que presentan mayor correlación con
el incremento de las TOM. Esto se ve reflejado en sus resultados, donde muestran un constante
incremento de las TOM conforme aumenta la edad de las arboledas muestreadas. Sin embargo,
Adamsen & King (1993) reportaron un aumento del consumo de CH4 junto a la profundidad, que
es inverso a lo que sucede con el contenido de MO.
En relación al contenido de humedad del suelo, el sitio EU registró un valor promedio
total de 31% (levemente superior al de P) a lo largo de toda la columna de suelo estudiada.
Según el test no paramétrico Kruskas-Willis, los sitios no presentan diferencias estadísticamente
significativas (p>0,05) en cuanto a su contenido de humedad, considerando el conjunto de
fechas analizadas. Este similar contenido de agua promedio en el eucaliptal que en el pastizal
contrasta con numerosos reportes de patrones de agua en suelo entre pastizales y bosques, en
los que siempre en estos últimos el contenido de agua es menor que en los sistemas herbáceos
tanto por uso de agua de los árboles como por interceptación de las precipitaciones (Hütsch,
1998). Es posible que la alta densidad de raíces de las gramíneas en los primeros 10-20 cm de
suelo sea responsables de un alto consumo de agua en estos horizontes superficiales en el
pastizal, mientras que en el eucaliptal la mayor desecación se verifique por debajo de esta
profundidad.
Durante el mes de julio el suelo presentó valores de humedad de saturación o cercanos
a ellos, prácticamente en todo el perfil de suelo en ambos sitios, lo que puede deberse a que la
campaña se realizó el día posterior a un evento de lluvia importante. En general, los mayores
47
valores de humedad se registraron en el primer estrato, siendo el máximo de 39 % en el mes de
mayo para el sitio P y de 43,09% en el mes de agosto para el sitio EU. Luego, en el caso del sitio
P, se observó una disminución marcada del %h entre el primer y segundo estrato, con poca
variación a lo largo del resto del perfil en casi todas las campañas con un valor promedio de 23%
a los 20 cm de profundidad, y consecuentemente el único estrato estadísticamente diferenciable
de los demás, según el test t, es el E1 (p<0,05) con la salvedad del E2 respecto del E4 (anexo II).
Distinto es el caso del sitio EU, que resultó ser más homogéneo en cuanto a su %h a lo largo del
perfil estudiado, en este caso (según el test de Wilcoxon), en general los estratos son
estadísticamente diferenciables, salvo el caso del E2 con respecto al E1 y al E3 (ver anexo II).
Estas escasas diferencias en el contenido de humedad con la profundidad indican que el suelo
del sitio tiene una buena capacidad de drenado y de evapotranspiración, impulsada fuertemente
por los eucaliptos. En mayo se registraron los valores más bajos para ambos sitios y en el mes
de julio el sitio EU registró su máxima de 50% en el E2. Un caso particular es el sitio P en julio,
que registró un porcentaje de humedad mayor en los últimos dos estratos respecto de los
primeros. Sin embargo, dado que el muestreo se realizó el día posterior a un evento de lluvia,
este resultado se encuentra dentro de las posibilidades esperables. Se observó a lo largo de los
muestreos una variación del contenido de humedad del suelo estadísticamente significativa en
el sitio P (p<0,05) y no estadísticamente significativa para el caso del sitio EU (p>0,05), Tabla 6.2.
De acuerdo a la siguiente tabla (6.3), y comparando las precipitaciones entre los meses
en los que se realizaron los muestreos, agosto fue el mes más lluvioso y mayo el mes con
menores precipitaciones.
48
Mes Precipitación (mm)
Enero 98,7
Febrero 82,8
Marzo 87,7
Abril 249
Mayo 36,2*
Junio 86,7
Julio 62,3*
Agosto 98,4*
Septiembre 79,2
Octubre 62,7*
Noviembre 85*
Diciembre 99,9
Anual 928,8
*Mes muestreado Tabla 6.3: Precipitaciones mensuales y total anual en la estación experimental del INTA Balcarce en el año 2017.
Comparando las Tablas 6.2 y 6.3 es posible decir que en general, el contenido de
humedad de las muestras analizadas sigue el patrón impuesto por las lluvias mensuales. Por otro
lado, es posible encontrar variaciones en los porcentajes de humedad debido a eventos lluviosos
sucedidos uno o dos días antes de las campañas. Tal es el caso de los muestreos realizados en
los meses de julio y agosto.
Por otra parte, se evaluó el contenido de humedad de las muestras luego de la
incubación y se lo comparó con el inicial para determinar si, durante el intervalo de incubación
y medición (28 horas), este parámetro sufría alguna variación importante. Los resultados de este
análisis arrojaron que la diferencia de humedad entre las muestras fue en promedio de 3±3 %.
Esto permite afirmar que la pérdida de humedad de las muestras no es significativa durante el
ensayo. Por otra parte, es necesario aclarar que debido al carácter preliminar de este estudio y
al tiempo que los mismos demandarían, en el presente trabajo no se realizaron ensayos de
cultivo de suelo con humedad controlada. En relación con la TOM, el sitio EU no presentó
correlación significativa con la humedad a lo largo de todo el perfil (p>0,05). Se registraron casos
en que para un mismo %h (cercano del 50%) la TOM fue cercana a la media (campaña de julio,
E2) y en otros casos la TOM fue la mínima registrada (campaña de noviembre, E2). En cambio,
esto no ocurre en el sitio P, donde sí se determinó una correlación significativa (R2=0,41, p<0,05)
entre la TOM y la humedad del suelo: la máxima TOM (0,058±0,001 nmCH4 gS-1 h-1) se observó
para un %h de 24,8±03 % (campaña noviembre, E2) y la mínima (-0,018±0,007 nmCH4 gS-1 h-1) con
un %h de 33±2%. En general, se puede observar que las máximas TOM del sitio P se presentan
49
principalmente para un rango de humedad promedio que se encuentra entre los 20 y 25 %. Por
su parte, Adamsen & King (1998) obtuvieron TOM mínimas en muestras con un %h del 50% y
máximas cuando %h era del 11%. Price et al. (2004), estimaron TOM máximas al 50% de la
capacidad de campo de sus muestras y agregan que las TOM caen prácticamente a cero cuando
las muestras se secan al aire.
De los parámetros que se contrastaron en este análisis con la TOM (pH, %MO y %h), el único
que muestra una correlación estadísticamente significativa es la humedad (m=-172, R=0,6,
p<0,00005), siendo la misma negativa, es decir, a menor humedad mayor TOM. En la literatura
se suelen hacer menciones a este parámetro, pero no siempre se lo presenta como uno de los
que tiene mayor correlación con las TOM. Sin embargo, Price et al. (2003) indican que la
humedad es la principal fuerza reguladora de la TOM. Zhiyong et al. (2013) observaron un
aumento del consumo de CH4 con la profundidad asociando esto al incremento del porcentaje
de humedad a lo largo de la columna de suelo. La humedad en la superficie del sitio de estudio
reportado en dicho trabajo era cercana al 10% y con el aumento de la profundidad, el %h se
acercó a valores más favorables para que las colonias de metanótrofas prosperen. Adamsen &
King (1998) también manifiestan una gran dependencia entre la TOM y este factor, agregando
que con él se podrían justificar variaciones de corto plazo en las TOM como respuesta a las
precipitaciones y en el largo plazo, variabilidades de estas tasas en conjunción con cambios en
los regímenes de lluvia a escala regional o global.
50
7. Conclusiones
El desarrollo de este trabajo, en primer lugar, permitió poner a punto una técnica de
cámaras estáticas de incubación para estimar la tasa de oxidación de metano (TOM) en
laboratorio a partir de testigos de suelo extraídos de los primeros 20 cm de profundidad. Se
definió la masa mínima de suelo necesaria para el análisis (200 g) y el tiempo de muestreo luego
del periodo de incubación (4 horas). Esta metodología permitió evaluar la TOM en diferentes
estratos de suelo y durante distintas épocas del año, arrojando valores congruentes con los
reportados en la bibliografía para estos tipos de sistemas.
En segundo lugar, se determinaron las TOM en distintos estratos de suelo de dos sitios
de estudio contiguos que poseen similares características edafológicas pero diferentes usos: uno
es una plantación de clones de Eucalyptus globulus (EU) y el otro es un pastizal pampeano
naturalizado (P). De acuerdo a los antecedentes bibliográficos y a las mediciones de flujos de
metano en suelos realizados in situ por el grupo de trabajo, se esperaba una mayor TOM en el
sistema forestado. Sin embargo, en promedio, el sitio P presentó una TOM de 0,017±0,01
nmolCH4 gs-1 h-1, y el EU 0,015± 0,009 nmolCH4 gs
-1 h-1 a lo largo de todo el perfil, sin diferencias
estadísticamente significativas entre ellos, siendo tasas similares a las reportadas en la
bibliografía. Estos valores promedio indican una similitud notable entre los sitios de estudio,
atribuible probablemente a que poseen el mismo tipo de suelo de origen. Es importante resaltar
que la metodología empleada trabaja con muestras de suelo disturbadas (tamizadas), que
eliminan la heterogeneidad posible en los patrones de difusión de gases que puedan darse en
condiciones naturales de campo. De esta manera, se mide la TOM a concentración atmosférica
debida a la presencia de bacterias y bajo el contenido de agua del suelo, pH y contenido de
materia orgánica propios de las condiciones de campo, sin tomar en cuenta la densidad,
estructura y porosidad del suelo.
En cuanto a la profundidad de suelo donde se registró la mayor actividad biológica, en
ambos sitios se registró la máxima TOM media en el estrato 4, es decir, entre los 15 y 20 cm de
profundidad. Estos resultados son coincidentes con los perfiles de concentración de CH4
obtenidos: en general se observa en todos ellos una disminución de la concentración a lo largo
del perfil, con poca variación en los primeros centímetros, que puede estar asociada a procesos
difusivos del CH4 en el suelo. Asimismo, las mínimas TOM promedio se encontraron en ambos
sitios en el estrato más superficial (0-5 cm) con valores muy cercanos a cero; reportándose
algunos casos valores negativos indicando una neta emisión de CH4 en este estrato superficial,
coincidente también con lo hallado en la bibliografía. Luego, se presentó una fuerte variación en
51
la concentración de CH4 alrededor de los 15 y 20 cm, lo que podría indicar que en esas zonas se
concentra mayormente la actividad bacteriana, tanto de las poblaciones de metanótrofas (que
oxidan metano) como las metanogénicas (productoras de metano).
Se encontró una correlación lineal negativa significativa entre las TOM y el %h, aunque
sólo en el sitio P. Las mayores TOM se registran con un valor de humedad que se encuentra
entre el 20 y 25 %. Con respecto al resto de los parámetros medidos, no se encontraron
correlaciones significativas, aunque debería aumentarse el número de muestras, sitios y
situaciones para poder ser conclusivo en este aspecto. Asimismo, se podrían incluir otras
variables de suelo, tales como el carbono orgánico total y el contenido de N, que son parámetros
que, según la bibliografía, regulan las TOM.
Los resultados muestran la necesidad de extender el estudio a forestaciones de otras
especies, edades dentro de una misma especie, en otros tipos de suelos y con otros usos de la
tierra (como agricultura), a fin de obtener conclusiones más amplias acerca del efecto del
cambio de uso de suelo sobre las tasas de oxidación de metano en ecosistemas templados del
hemisferio sur. Esto permitirá contar con información localmente recabada que permita
maximizar, mediante manejo, los procesos de secuestro de metano en los suelos. Este trabajo
brinda herramientas metodológicas en este sentido, así como también proporciona los primeros
valores de referencia y su variación temporal.
52
8. Trabajo Futuro Se propone realizar ensayos con distintas concentraciones iniciales de CH4 (dado que el
método de inyección de cantidades conocidas de CH4 dentro de las cámaras de cultivo es otra
alternativa para estimar ex situ la actividad de las bacterias oxidantes del gas); y ajustar las TOM
estimadas con modelos cinéticos, como el de Michaelis-Menten. A su vez, se propone evaluar
las TOM teniendo bajo control variables como la humedad del suelo, temperatura y pH.
Por otra parte, se pueden determinar las tasas de emisión de CH4, incubándose las
muestras de suelo con acetileno (1,5% vol/vol) dado que es un inhibidor de la actividad
metanotrófica y realizar otros ensayos comparativos bajo atmósfera de N2 (anaeróbica).
Además, se propone incorporar distintas regiones ecológicas y climáticas con el objetivo
de contrastar diversas situaciones. Por ejemplo, se propone realizar una transecta que se
extienda desde el Delta del Paraná hasta el N.O. de la Patagonia. Así, desde un punto de vista
climático, los sitios de estudio se distribuirían en una amplia región templada desde condiciones
microclimáticas similares a un régimen sub-tropical como se da en el Delta del Paraná pasando
por uno templado sin estación seca (este de región pampeana), templado cálido con estación
seca en invierno (sur de Córdoba) y húmedo hasta el templado patagónico con estación seca en
verano. En todos los ambientes se podría trabajar en sistemas apareados de forestación o
bosque natural y el tipo de cobertura vegetal herbácea más común en la zona (pastizal o
agricultura). Todos estos estudios llevarían a determinar la magnitud del cambio en las TOM en
función del tipo de uso de suelo, y están propuestos en el marco de una beca doctoral de
CONICET con la que empezaré a trabajar el 1 de abril de este año.
53
9. Agradecimientos A mis directoras, Dra. Ma. Eugenia Priano y Dra. Ma. Elena Fernández, quienes me
acompañaron y brindaron sus conocimientos durante todo el proceso de elaboración de este
trabajo, guiándome de forma amable y paciente.
Al grupo de Fisicoquímica Ambiental del IFAS-CIFICEN, por haberme abierto sus puertas
y permitirme hacer uso de sus equipos, siempre con buena predisposición y abiertos a compartir
tiempos y espacios de trabajo. En especial, quisiera resaltar el apoyo de la Lic. María De Bernardi,
por haberme brindado su ayuda y mucho de su valioso tiempo cuando lo necesité, razón por la
cual en lo personal la considero una segunda codirectora.
Al grupo de Ecología Forestal del AER Tandil-INTA, por haberme facilitado datos
meteorológicos de la estación de la EEA Balcarce-INTA, datos y trabajos de investigación
desarrollados en los sitios de estudio, así como fotografías de los mismos y una útil conversación
(en plena campaña) acerca de la historia de los sitios y el estado actual de los mismos.
A todos los docentes que formaron parte de mi educación de grado dado que cada uno
de ellos con sus enseñanzas académicas (y no académicas) me ayudó y guio para dar un paso y
avanzar hacia mi meta: mi título de licenciatura.
A la Asociación de Bomberos Voluntarios de Las Flores, a su comisión directiva; su Jefe,
Comandante de Cuerpo Marcelo Ferrai, jefatura y todo su cuerpo activo; por permitirme formar
parte de las filas durante todo el tiempo que duraron mis estudios de grado, aun pasando la
mayor parte del año en una ciudad lejana (Tandil). Sinceramente, tengo la esperanza de que en
el futuro, esta loable institución repita el gesto que ha tenido conmigo, permitiendo que otros
jóvenes bomberos y estudiantes tengan la posibilidad de llevar a cabo sus estudios sin dejar de
atender la vocación de servir a la comunidad.
A la Prof. Olga Mackac, por haberme dado su apoyo y compartir sus conocimientos
principalmente durante los primeros años de mis estudios y haberme transmitido su pasión por
las ciencias exactas y naturales.
Al Ballet de Danzas Argentinas de la UNICEN, a su directora y sus integrantes, por haber
sido parte importante de mi desarrollo como estudiante y un cable a tierra indispensable sin el
cual mis estudios habrían sido carentes de eta sana, constructiva y sanadora actividad que es la
danza.
54
A mis compañeros y (en su mayoría) amigos que me ha dado la vida universitaria, por
ser compañía constante no sólo durante las horas de estudio, sino también durante las de
esparcimiento.
A mi gran familia: tíos, abuelos y primos, a los que siempre están y a los que por
cuestiones de la vida ya no. A mi papá, por haberme inculcado y contagiado su filosofía de
trabajo, en la que las cosas buenas sólo son alcanzables con trabajo duro y esfuerzo. Este
agradecimiento va especialmente dirigido a mi “metro cuadrado”, el nido de cinco personas (en
el que incluyo a mi abuela), lleno de fuerza y pujanza, “…no a favor de uno, sino para bien de
todos…”, donde siempre se encuentran buenas energías para recargar baterías y salir a pelear
el mundo.
55
10. Bibliografía
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58
11. Anexo I
Fig. 11.1: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 04 de julio del 2017. El sitio P está representado con puntos y el EU con triángulos. En cada estrato se representan las dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco. Además,
se indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k y el R2.
59
Fig. 11.2: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 28 de agosto del 2017. El sitio P está representado con puntos y el EU con triángulos. En cada estrato se representan las dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco. Además,
se indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k y el R2.
60
Fig. 11.3: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 10 de octubre del 2017. El sitio P está representado con puntos y el EU con
triángulos. En cada estrato se representan las dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco. Además, se indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k y el R2.
61
Fig. 11.4: Variación de concentración de CH4 en función del tiempo para cada estrato de cada sitio. Las muestras corresponden a la campaña del 11 de noviembre del 2017. El sitio P está representado con puntos y el EU con
triángulos. En cada estrato se representan las dos cámaras (muestra y duplicado en rojo y verde), y en azul el blanco. Además, se indica en cada caso los resultados del ajuste lineal: el valor de la pendiente k y el R2.
62
12. Anexo II
Valores de p obtenidos de la prueba t para muestras pareadas
TOM
Sitio Estrato 2 3 4
Pastizal
1 0,01 0,07 0,023
2 0 0,69 0,76
3 0 0 0,04
Eucalipto
1 0,07 0,04 0,01
2 -- 0,46 0,98
3 -- -- 0,21
pH
Pastizal
1 0,004 0,16 0,39
2 -- 0,68 0,003
3 -- -- 0,005
Eucalipto
1 0,07 0,04 0,01
2 -- 0,46 0,98
3 -- -- 0,21
%MO
Pastizal
1 0,0001 0,004 0,006
2 -- 0,01 0,01
3 -- -- 0,1
Eucalipto
1 0,04 0,09 0,001
2 -- 0,46 0,6
3 -- -- 0,28
%h
Pastizal
1 0,007 0,001 0,001
2 -- 0,56 0,01
3 -- -- 0,08
Eucalipto
1 0,3 <0,007 <0,005
2 -- <0,1 <0,03
3 -- -- <0,007
Tabla 12.1: Resultados del test estadístico t para muestras pareadas realizado para los estratos con respecto a los parámetros de suelo y la TOM. Para el porcentaje de humedad del eucaliptal se utilizó el análisis de Wilcoxon.