Emisiones de gases desde el suelo de sistemas de engorde

Emisiones de gases desde el suelo de sistemas de engorde intensivo a corral
Cecilia Videla a, Liliana Picone a, Ester Zamuner a, Néstor Maceira b
a Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional de Mar del Plata, Ruta 226, km
74,5, 7620, Balcarce, Argentina. [email protected]
b EEA INTA Balcarce, Ruta 226, km 74,5, 7620, Balcarce, Argentina
Indicación del autor para correspondencia: Ej.:
*Autor para correspondencia: [email protected]
Palabras clave: metano, óxido nitroso, dióxido de carbono
Título abreviado. Emisiones de gases de efecto invernadero
ABSTRACT
A study was conducted to generate information on the local emission of CO2, N2O and
CH4 from soils of feedlot system, trying to understand the mechanisms of control of
these emissions to mitigate the negative impacts of intensification animal production on
the environment. The areas studied were: 1) feedlot, sampling separately high (L) and
low (B) slope positions, 2) natural pasture without grazing (P) and 3) drainage area
(AE). We performed an incubation experiment at 25 ° C and two moisture levels: field
capacity and saturation, for 30 days, and sampling of soil gas at 4, 15, 20 and 30 days.
The results showed that the soils of the feedlot, both L and B, have higher GEI
emissions than control area (P) and AE. The contribution of manure in those areas
increases the presence of inorganic nitrogen and available carbon, stimulating the
nitrification and denitrification processes, as well as the methane emission and
respiration. The increased methane production occurred in the saturation soil moisture,
while N2O emissions were higher at field capacity.
RESUMEN
Se condujo un estudio para generar información local sobre la emisión de CO2, N2O y
CH4 a partir de suelo de un sistema de engorde a corral, tratando de entender los
mecanismos de control de dichas emisiones con el fin de mitigar los impactos
negativos de la intensificación productiva animal sobre el ambiente. Las áreas
estudiadas fueron a: 1) corral de engorde, muestreando separadamente loma (L) y bajo
(B), 2) pastura natural sin pastoreo (P) y 3) área de escurrimiento (AE). Se realizó una
incubación a 25°C y dos niveles de humedad: capacidad de campo y saturación, durante
30 días, realizando muestreos de suelo y gas a los 4, 15, 20 y 30 días. Los resultados
mostraron que los suelos del corral de engorde, tanto en L como en B, presentan
mayores emisiones de GEI que el área control (P) y el AE. El aporte de estiércol en esas
áreas incrementa la presencia de nitrógeno inorgánico y carbono disponible,
estimulando los procesos de de desnitrificación y nitrificación, así como también la
emisión de metano y la respiración. La mayor producción de metano ocurrió en la
condición de saturación, mientras que las emisiones mayores de N2O se registraron a
capacidad de campo.
Introducción
En Argentina se han identificado desvíos ambientales importantes relacionados con las
cadenas agropecuarias, forestales y agroindustriales (INTA, 2006) como la
simplificación del paisaje original por cambios en el uso de la tierra, la degradación de
suelos y aguas, la contaminación local y difusa, la desertificación, la pérdida de
biodiversidad y la alteración de servicios ambientales.
La mayoría de los sistemas de producción de carne en la región pampeana son
pastoriles, aunque cada vez es más frecuente la complementación con encierres como
alternativa de alimentación. El déficit en la producción de forraje, las relaciones de
precio carne:grano favorables, la mayor velocidad de crecimiento, la seguridad y
uniformidad en la terminación del animal han llevado a difundir esta práctica en los
últimos años (Méndez y Davies, 2008, Elizalde y Ceconi, 2008). Esta actividad implica
cambios en el manejo de nutrientes debido al alto retorno de excretas al suelo como
consecuencia de la elevada carga animal, lo que puede conducir a un riesgo de
contaminación de agua, del aire y del suelo ya sea por acumulación o transferencia de
nutrientes. La producción animal contribuye a las emisiones antropogénicas globales
con 9% de CO2, 40% de CH4 y 65% de N2O (Steinfeld et al., 2006). La concentración
de estos gases, denominados de efecto invernadero (GEI), ha incrementado lo que causa
preocupación ya que absorben la energía emitida por la tierra, contribuyendo al
calentamiento global.
Las emisiones de CO2 dependen del nivel y distribución de oxígeno y materia orgánica
del suelo (Bouwman, 1990). Los suelos pueden secuestrar CO2 en la materia orgánica,
reduciendo sus niveles atmosféricos (Lal, 2007). La aplicación de estiércol aumenta el
secuestro de C en el suelo, ya que contiene significantes cantidades de C, el cual es el
principal constituyente de la materia orgánica (Eghball y Ginting, 2003).
El CH4 tiene un potencial de calentamiento global 23 veces mayor al del CO2 (Rogers y
Whitman, 1991) y se produce principalmente por actividad microbiana en ambientes
anaeróbicos, por lo cual, los ecosistemas como pantanos, zonas anegadas naturales o
cultivadas, sedimentos, rumen de herbívoros son los principales hábitat de producción
(Tyler, 1991). En suelos aeróbicos, las bacterias metanotróficas consumen CH4, de
modo que el suelo puede actuar como destino y fuente de CH4. Las emisiones de CH4
son el resultado de su producción, oxidación y transporte, procesos afectados por la
altura de la napa de agua, la temperatura del suelo, la tasa de difusión, el nivel de
oxígeno y el drenaje (Willison et al., 1995). Cada uno de estos procesos y factores
tienen variabilidad espacial y temporal, haciendo difícil extrapolar tasas de emisiones
de un sitio a otro (van den Pol-van Dasselaar, 1998). En Argentina, el ganado vacuno
es responsable del 95% de las emisiones de CH4 debidas a la fermentación entérica
(Barros et al., 1999), aunque también las heces frescas tienen potencial de emitir CH4 in
situ (Dar y Tandon, 1987).
El N2O tiene un tiempo de residencia largo en la atmósfera, es muy eficiente
absorbiendo radiaciones de onda larga y tiene un potencial de calentamiento global 296
veces mayor que el CO2. Es un producto colateral o intermediario de la nitrificación y la
desnitrificación (Firestone & Davidson, 1989). Luego de aportes nitrogenados se
producen incrementos en las tasas de N2O, tanto en condiciones de campo como de
laboratorio (Kaiser et al., 1998; Simojoki & Jaakkola, 2000), principalmente cuando el
contenido de agua del suelo es alto o inmediatamente después de una lluvia o riego
(Ruser et al., 2001). La nitrificación requiere amonio, oxígeno y CO2, mientras que la
desnitrificación es favorecida por adecuados niveles de C disponible y nitrato, en
condiciones de deficiencia de oxígeno. Estos factores a su vez están regulados por
ciertas propiedades del suelo como textura, temperatura, humedad y pH. La deposición
de abono animal, como ocurre en los sistemas de engorde a corral (SEC), puede
favorecer las emisiones de N2O estimulando ambos procesos, la nitrificación y
desnitrificación (Dendooven et al., 1998) debido a que el estiércol es una fuente
importante de N y también de C biológicamente disponible (Beauchamp et al., 1996).
Las emisiones N2O son muy heterogéneas a través del tiempo y el espacio (van den Polvan Dasselaar et al., 1998), dificultando las estimaciones de las pérdidas de N para
grandes áreas geográficas, e inclusive en áreas de SEC, donde la distribución no
uniforme de excretas incrementa la variabilidad espacial.
La composición del estiércol, que depende de la dieta, afecta la cantidad de CH4
producido, cuanto mayor es el contenido energético y la digestibilidad del alimento,
como sucede en los SEC, mayor es el potencial de emisión de CH4. Las emisiones de
N2O resultan del estiércol y la orina del ganado, que se maneja en sistemas líquidos o
que se recolecta y almacena en forma sólida. Estas emisiones a partir del estiércol
dependerán de su potencial osmótico, nivel de C disponible y contenido de agua.
Los inventarios de las emisiones gaseosas realizados en Argentina están asociados a un
cierto grado de incertidumbre, debido a que la base de datos está integrada con
información generada en otras condiciones ambientales y a otra escala espacial. Se
estima que las emisiones de CH4 y N2O tienen un valor de incertidumbre de
aproximadamente el 25% (Barros et al., 1999). Por este motivo es recomendable
generar información local ya que las emisiones dependen no solamente del aporte de N
a través de las excretas sino, también de otros factores como la humedad y temperatura
del suelo, su contenido C y el pH que son muy variables en función del sitio.
Este trabajo se propone generar información local sobre la emisión de GEI a partir de un
SEC, tratando de entender los mecanismos de control de dichas emisiones a fin de
permitirnos solucionar o mitigar los impactos negativos de la intensificación productiva
animal sobre el ambiente.
Objetivo
Cuantificar las emisiones de GEI durante la incubación de suelo de un SEC, de una
pastura natural y del área de escurrimiento del SEC, bajo diferentes condiciones de
temperatura y humedad
Metodología
Se realizó un experimento en condiciones de laboratorio a fin de estudiar la producción
de gases de efecto invernadero: CO2, N2O y CH4 en suelo proveniente de áreas ubicadas
en un establecimiento dedicado al engorde intensivo a corral (SEC), seleccionadas en
función de su manejo y posición en el paisaje. El establecimiento se encuentra ubicado
en el partido de Balcarce, provincia de Buenos Aires (37º 45´S; 58º 18´ W, 130 msnm)
y presenta una pendiente S-N entre 0,5 y 0,75 %. Las áreas seleccionadas corresponden
a: 1) Área permanentemente ocupada por animales, bajo engorde a corral, con un
gradiente de pendiente de 1 m entre la máxima y la mínima cota, que se muestrearon
separadamente: loma (L) y bajo (B), 2) área control, pastura natural sin pastoreo (P) y
3) área de escurrimiento que recibe el agua originada por escurrimiento de zonas más
altas y que presenta una vegetación natural propia de zonas bajas (AE).
En cada una de las áreas mencionadas se realizó un muestreo en un mismo momento,
extrayéndose aproximadamente 2 kg de suelo del horizonte superficial de cada una de
ellas. En el laboratorio las muestras de suelo se secaron al aire, tamizaron por 2 mm y
luego se diseñó un ensayo de incubación de 30 días de duración a una temperatura de
25°C con un diseño completamente aleatorizado, en el que se consideraron como
fuentes de variación a las 4 áreas de muestreo (AE, L, B y P) y 2 contenidos de
humedad de suelo (CC=capacidad de campo y S=saturación).
Se llenaron 24 recipientes con 25g de suelo de cada área (AE, L, B y P), cada grupo de
48 recipientes se dividió al azar en dos grupos de 12 recipientes cada uno, uno de ellos
se llevó al contenido de humedad CC y otro a S. Cada recipiente se cubrió con
parafilm® con orificios para permitir el intercambio gaseoso, sin perder humedad. Se
realizaron cuatro muestreos destructivos de suelo y de gases (4, 15, 20 y 30 días de
incubación), para ello se taparon herméticamente los cilindros por 24 h, y luego se
extrajo una alícuota del espacio aéreo (10 mL) que se transfirió a tubos pre-evacuados
(Vacutainer) que fueron analizados por cromatografía gaseosa. En el suelo se determinó
la concentración de N mineral, C soluble, contenido de humedad y pH. El N mineral se
determinó por microdestilación por arrastre de vapor (Keeney y Nelson, 1982), previa
extracción con K2SO4 0,5 M. El C orgánico soluble se determinó en el mismo extracto
que se determinó N mineral, por titulación del exceso de dicromato de potasio 0,06 N
con sal de Mohr 0,03 (Dambreville et al., 2006). El contenido de humedad se determinó
por gravimetría, secando a estufa por 24 h a 105oC y el pH se midió en agua, con un
peachímetro, en una relación 1:2,5.
Análisis estadístico de los resultados
Los resultados se analizaron como un diseño completamente aleatorizado considerando
los factores sitio de muestreo (P; AE, L y B), tiempo y humedad (capacidad de campo y
saturación), usando el procedimiento GLM del paquete estadístico SAS. Se utilizó el
test de comparaciones múltiples de Tukey para establecer las diferencias entre medias.
Resultados y Discusión
Las emisiones de CO2 presentaron diferencias significativas en función a la fecha y el
área de muestreo, así como su interacción (p<0,0001), mientras que no variaron en
función al contenido de humedad, a diferencia de los resultados de Linn & Doran, que
encontraron que el 90% de la variabilidad en las emisiones de CO2 es explicado por
diferencias en WFPS (porcentaje de poros llenos con agua). En la Figura 1 se muestra el
comportamiento de las emisiones de CO2 en función al área de muestro a través del
tiempo de incubación, observándose sólo en el primer muestreo, que las áreas del SEC,
L y B, presentaron mayores emisiones de CO2, mientras que en los últimos muestreos se
observa que el AE tiene una tendencia a incrementar sus emisiones. P mantuvo las
emisiones de CO2 a niveles relativamente constantes y bajos. Las mayores emisiones de
CO2 iniciales en B y L serían consecuencia de una mayor fuente de C soluble derivada
del estiércol de los animales estabulados, el cual es una fuente inmediata de C para los
microorganismos del suelo (Scott., et al., 2000). Efectivamente, los contenidos de C
soluble de L y B fueron de 162,6 y 126,7 mg kg-1, respectivamente, significativamente
diferentes entre ellos y a los de P y AE, que fueron de 31,9 mg kg-1 en promedio. El
suelo de P, al tener permanentemente una cubierta vegetal, favorecería el secuestro de
carbono, el cual se encuentra mayormente por debajo de la superficie y, por lo tanto, en
un estado relativamente estable, lo cual reduciría las emisiones (Schnabel et al., 2001).
Las disminuciones de las emisiones de CO2 a través del tiempo en los suelos del SEC; L
y B, de deben a que, al no haber aportes de estiércol durante el período de incubación,
se van agotando las fuentes de C soluble, mientras que en un sistema real es de esperar
que los continuos aportes de heces de los animales estabulados contribuyan
continuamente con C soluble, por lo cual, las emisiones podrían mantenerse a niveles
elevados.
Emisión de CO2 ( µL L-1 día-1)
1200
1000
AE
B
L
P
a ab a b
a a ab a
20
30
bc a ab b
800
a a a a
600
400
200
0
4
15
Días des el comienzo de la incubación
Figura 1. Emisiones de CO2 en suelos de un Sistema de engorde a corral, área de
escurrimiento (AE), pastura (P) y de un corral de engorde en dos posiciones del relieve,
Loma (L) y Bajo (B). Las letras minúsculas indican diferencias significativas entre áreas
para una misma fecha de muestreo (p<0,005).
Las emisiones de CH4 fueron afectadas también por el área y momento de muestreo, así
como por el contenido de humedad (CC o SAT) y las interacciones de contenido de
humedad con el área (Figura 2) y con la fecha de muestreo (Figura 3). Se observa que
cuando el suelo está saturado, las emisiones de CH4 son mayores que cuando está a
capacidad de campo, lo que confirma la importancia del régimen de agua en controlar la
producción de este gas. La producción de metano depende exclusivamente de bacterias
metanogénicas, las cuales son activas solamente en condiciones estrictamente
anaeróbicas. Si el contenido de agua se reduce, las poblaciones de estos
microorganismos disminuyen, reduciendo también las emisiones de metano (Xu et al.,
2003). También se observa que los suelos del SEC, L y B, presentaron las mayores
emisiones cuando el suelo está saturado; la producción de metano en condiciones
anaeróbicas es controlada por la abundancia relativa de dadores y aceptores de
electrones en el suelo (Yagi et al., 1995). En ausencia de O2, los principales aceptores
de electrones son NO-3, Mn+4, Fe+3 y SO=4 y el principal dador de electrones es la
materia orgánica rápidamente degradable. Los suelos de L y B presentaron altos niveles
de C orgánico y C soluble, así como elevados contenidos de NO-3 (L=154 mg N-nitrato
kg-1 y B=152 mg N-nitrato kg-1), lo que habría estimulado un ambiente reductor,
promoviendo la producción de metano.
Es sorprendente la elevada emisión de CH4 presentado por P a SAT, ya que sus niveles
de C orgánico y soluble, así como los de N-nitrato son bajos, sugiriendo que las
emisiones deberían haber sido bajas también; es posible que deba intentarse una
Emisión de CH4 (µL L-1 día-1)
explicación a través de las poblaciones y actividades de las bacterias metanogénicas.
1000
a
800
a
600
a
400
c
200
0
CC
SAT
CC
SAT
CC
SAT
CC
SAT
AE
AE
B
B
L
L
P
P
Contenido de humedad - Área
Figura 2. Emisiones de CH4 en suelos de un Sistema de engorde a corral, área de
escurrimiento (AE), pastura (P) y de un corral de engorde en dos posiciones del relieve,
Loma (L) y Bajo (B), incubados a saturación (SAT) y capacidad de campo (CC). Las
letras minúsculas indican diferencias significativas (p<0,005).
Los datos de emisiones de N2O no fueron descriptos por una distribución normal, por lo
que fueron transformados a log. Estos datos transformados fueron significativamente
diferentes entre fechas, áreas de muestreo y humedad de suelo. También las
interacciones dobles fecha*humedad y área*humedad, así como la triple
fecha*área*humedad, fueron significativas. Esta triple interacción indica que el
comportamiento de las combinaciones área*humedad es diferente entre fechas de
muestreo (Figura 4). En general, se observa que las emisiones de N2O fueron mayores
en los suelos del corral de engorde, L y B, así como en la condición hídrica de
capacidad de campo. El continuo aporte de excretas en L y B no sólo provee los
substratos para la desnitrificación, C soluble y N-nitrato, sino que también aumenta la
actividad biológica, reduciendo el suministro de O2 (Chang et al., 1998). Además, los
altos niveles de N-amonio originados en las excretas pueden favorecer la emisión de
N2O por nitrificación. Se ha encontrado que las máximas tasas de emisión de N2O se
Emisión de CH4 (µL L-1 día-1)
verifican a 80-100% de CC (Dobbie, Smith 2003).
1000
a
800
a
600
a
400
200
0
CC
SAT
4
4
CC
15
SAT
15
CC
20
SAT
20
CC
30
SAT
30
Contenido de humedad - Fecha
Figura 3. Evolución en el tiempo de las emisiones de CH4 en suelos de un Sistema de
engorde a corral, incubados a saturación (SAT) y capacidad de campo (CC). Las letras
minúsculas indican diferencias significativas (p<0,005).
SAT
ac
ac
b
b
bc
2.50
2.00
1.50
1.00
SAT
a
a
3.00
b
b
2.50
b
2.00
1.50
1.00
-
AE
4.00
B
a
b
2.50
L
Área
Día 20
3.50
log de N2O (µL N2O L-1 día-1)
a
0.50
0.50
3.00
CC
a
a
3.50
a
AE
P
B
Área
SAT
ab
b
b
2.00
1.50
1.00
b
a
3.00
2.50
L
P
Día 30
3.50
CC
a
log de N2O (µL N2O L-1 día-1)
log de N2O (µL N2O L-1 día-1)
b
3.00
CC
a
a
Día 15
4.00
Día 3
3.50
log de N2O (µL N2O L-1 día-1)
4.00
a
ab
a
CC
ab
SAT
ab
b
b
2.00
1.50
1.00
0.50
0.50
-
AE
B
Área
L
P
AE
B
Área
L
P
Conclusiones
En general, los resultados de este estudio muestran que los suelos del corral de engorde,
tanto en la posición alta (L) como en la baja (B) del relieve, presentan mayores
emisiones de GEI que el área control (P) y el AE. El aporte de estiércol en esas áreas
incrementa la presencia de nitrógeno inorgánico y carbono disponible, estimulando los
procesos de de desnitrificación y nitrificación, así como también la emisión de metano y
la respiración. La mayor producción de metano ocurrió en la condición de saturación,
mientras que las emisiones mayores de N2O se registraron a capacidad de campo.
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