1.3: Materia Orgánica del Suelo

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Sylvie Quideau, Myrna Simpson y Adam Gillespie

Objetivos de aprendizaje

Al término de este capítulo, los alumnos podrán:

Definir la materia orgánica del suelo y enumerar sus principales componentes
Evaluar la importancia de la materia orgánica en las propiedades y procesos físicos, químicos y biológicos del suelo
Explicar las fuentes y los procesos de rotación de la materia orgánica del suelo
Discutir la distribución espacial y el manejo de la tierra de la materia orgánica del suelo
Evaluar críticamente cómo se mide y cuantifica la materia orgánica del suelo
Reconocer el papel de la materia orgánica del suelo en temas globales

INTRODUCCIÓN

La materia orgánica del suelo ha estado cada vez más en las noticias últimamente, en parte porque la gran mayoría del carbono terrestre está contenido en los suelos. Como tal, los suelos juegan un papel importante en el ciclo global del carbono. Además de servir como almacén de carbono clave, la materia orgánica del suelo es uno de los atributos centrales de los suelos. La materia orgánica influye prácticamente en todas las propiedades del suelo y la salud general, incluyendo su estructura física, estado nutritivo y biodiversidad. La materia orgánica del suelo está compuesta por residuos vegetales y animales en diversas etapas de descomposición, biomasa microbiana y productos de síntesis microbiana. La acumulación de materia orgánica en los suelos refleja el equilibrio entre los insumos de hojarasca y las pérdidas por respiración microbiana, erosión y lixiviación. Las reservas de carbono pueden variar ampliamente entre los suelos y el paisaje en función del material geológico principal, el clima, la vegetación y la topografía.

¿QUÉ ES LA MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO?

La materia orgánica del suelo está compuesta por componentes vivos y no vivos. El componente vivo incluye macro y microfauna del suelo, y comunidades microbianas del suelo, que pueden estar activas o inactivas. La porción no viva de la materia orgánica del suelo se deriva de las entradas muertas de plantas y fauna en el suelo (Figura 3.1). Estos insumos se someten a diversos procesos biogeoquímicos y se pierden, conservan o transforman en el suelo. Actualmente se plantea la hipótesis de que el componente no vivo de la materia orgánica del suelo es una mezcla compleja de diferentes moléculas de origen biológico que se encuentran en diversas etapas de oxidación y conservación (Schmidt et al., 2011). La estructura química de la materia orgánica del suelo ha sido objeto de debate durante muchas décadas y anteriormente se creía que el componente no vivo de la materia orgánica del suelo estaba hecho de biomoléculas reconocibles derivadas de plantas o animales y sustancias húmicas, grandes subproductos que resultaron tanto de biológicos como de descomposición química de insumos orgánicos al suelo (Schmidt et al., 2011; Lehmann y Kleber, 2015; Can You Dig It Box 1). Un paradigma más actual reconoce la contribución clave de las comunidades microbianas en la formación de materia orgánica del suelo (Simpson et al., 2007). Como los insumos orgánicos son descompuestos y procesados por microorganismos, la mayor parte del carbono se respira como CO ₂, pero algunos se incorporan a la biomasa microbiana, pueden interactuar con minerales arcillosos o se degrada parcialmente y permanecen en el suelo. En consecuencia, la materia orgánica del suelo consiste en una mezcla compleja de residuos vegetales, animales o derivados de microbios en diversas etapas de descomposición, y de nuevas moléculas sintetizadas por microbios. La materia orgánica del suelo también puede interactuar con los minerales del suelo para formar materia orgánica, complejos minerales que contribuyen a la agregación del suelo y pueden aumentar la estabilidad de la materia orgánica en el suelo al impedir que los microbios accedan físicamente a sustratos de materia orgánica que están protegidos a través de estos interacciones materia orgánica-mineral (Oades, 1988; Baldock y Skjemstad, 2000).

Figura 3.1. Principales fuentes de insumos que forman materia orgánica del suelo. Los tipos y cantidades de insumos varían según los diferentes ecosistemas y prácticas de manejo de la tierra. © Myrna Simpson. Figura creada con BioRender (www.biorender.com). © Myrna Simpson; licenciado bajo una licencia CC BY (Atribución).

La materia orgánica juega varios papeles clave en las propiedades del suelo y los procesos del suelo. La presencia de materia orgánica mejora la estabilidad del suelo al promover la agregación, lo que reduce el potencial de erosión del suelo. La materia orgánica del suelo también mejora la retención de agua en el suelo y tiene una alta capacidad de intercambio catiónico (de 100 a 500 cmol kg ^-1) lo que contribuye a la capacidad total de intercambio catiónico del suelo, dependiendo de la cantidad de materia orgánica del suelo presente. Esto mejora la capacidad del suelo para retener cationes importantes (Ca ²⁺, Mg ²⁺, K ⁺ y Na ⁺), que pueden mejorar la capacidad de amortiguación del suelo. La materia orgánica del suelo también es la porción biogeoquímicamente activa y dinámica del suelo y es importante para regular muchos procesos relacionados con el ciclo global de elementos como el carbono. La materia orgánica del suelo actúa como almacén y fertilizante de liberación lenta para muchos nutrientes de las plantas, incluyendo nitrógeno, fósforo y azufre. Finalmente, la materia orgánica sustenta una amplia y variada comunidad faunística y microbiana.

¿POR QUÉ ES IMPORTANTE LA MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO?

La materia orgánica del suelo está íntimamente ligada a numerosas propiedades físicas, químicas y biológicas clave del suelo. Es tan importante para la función del suelo que es casi imposible encontrar una propiedad del suelo que no esté influenciada por la materia orgánica del suelo de alguna manera. A lo largo de este libro de texto, cada capítulo se refiere a cómo la materia orgánica del suelo influye en la expresión general de las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo. El Cuadro 3.1 muestra muchos de los componentes importantes que el suelo proporciona a la producción de cultivos, y cómo la materia orgánica del suelo influye en estos componentes. En muchos de estos casos, podemos ver que las propiedades de la materia orgánica del suelo le permiten mitigar las condiciones limitantes del crecimiento de las plantas y acentuar importantes procesos promotores del crecimiento vegetal en los suelos.

Agua del Suelo: La materia orgánica del suelo tiene la capacidad de amortiguar el suministro de agua en el suelo. La alta materia orgánica aumenta la infiltración de agua durante eventos de lluvia intensa, limitando el estanque, la saturación del suelo y las condiciones anóxicas que limitan el crecimiento de las plantas. La materia orgánica del suelo también tiene la capacidad de retener agua en tiempos de sequía y déficit hídrico. Juntos, estos dos fenómenos actúan para estabilizar la hidrodinámica del suministro de agua vegetal. Los suelos arenosos se benefician hidrológicamente del aumento de la materia orgánica porque son intrínsecamente secos como resultado de grandes espacios de poro entre partículas que no retienen el agua herméticamente.

Estructura y compactación del suelo: La agregación del suelo es un fuerte indicador de una estructura saludable del suelo porque reduce el estrés en el crecimiento de las raíces y permite una mejor infiltración de agua. De hecho, la estructura granular tiende a fomentarse en suelos con mayor materia orgánica, mientras que los suelos que presentan una estructura en bloques inducida por el manejo también tienden a haber mostrado agotamiento de la materia orgánica del suelo. La compactación, que siempre es un riesgo en suelos muy manejados, puede mitigarse en suelos con mayores niveles de materia orgánica, particularmente en la fracción particulada o materia orgánica “ligera” (ver sección Composición de la materia orgánica del suelo). Finalmente, los suelos arcillosos pueden manejarse más fácilmente cuando la materia orgánica es alta porque reduce la cohesión y plasticidad entre partículas.

Estado nutritivo del suelo: La materia orgánica contiene una amplia gama de grupos funcionales que pueden aumentar la capacidad de intercambio catiónico. De hecho, la materia orgánica del suelo puede contener entre 50 y 90% de la capacidad de adsorción de cationes de un suelo. También los macronutrientes de nitrógeno, fósforo y azufre tienen charcos de almacenamiento muy importantes en materia orgánica del suelo, llegando a estar disponibles para las plantas a través de la mineralización microbiana.

Capacidad de intercambio catiónico del suelo: La materia orgánica del suelo contribuye a la capacidad total de intercambio catiónico del suelo. La capacidad de intercambio catiónico de materia orgánica del suelo oscila entre 100 y 500 cmol kg ^-1 y es considerablemente mayor que la mayoría de los minerales que se encuentran en el suelo. La materia orgánica del suelo tiene una capacidad de intercambio catiónico dependiente del pH debido a la disociación de sus grupos funcionales con el aumento del pH de la solución del suelo. La capacidad de intercambio catiónico es importante para la capacidad de un suelo para retener nutrientes importantes, que incluyen los cationes principales Ca ²⁺, Mg ²⁺, K ⁺ y Na ⁺ que también contribuyen a la capacidad de amortiguación del suelo.

Biología del suelo y almacenamiento de energía: Los enlaces químicos en la materia orgánica del suelo contienen energía, y esta energía es consumida por los microbios para su crecimiento y metabolismo. Es esta energía almacenada la que impulsa el ciclo de nutrientes microbianos y todas las demás asociaciones beneficiosas para las plantas que la biología del suelo mantiene con las plantas.

Cuadro 3.1. Aportes de la materia orgánica del suelo a las propiedades fundamentales del suelo

Componente de función	Funciones/procesos	Efecto de la Materia Orgánica del Suelo
Estructura del Suelo	Estabilidad de agregados	Promueve la formación de agregados estables del suelo
	Compactación	La materia orgánica particulada ayuda a resistir la compactación
	Erosión	La estabilidad del agregado ayuda a reducir la erosión
	Costras	Ayuda a reducir las condiciones previas a la formación de costra (es decir, erosión y destrucción de agregados)
Ciclo de nutrimentos	Aceptar, retener y liberar cationes	La alta capacidad de intercambio catiónico de la materia orgánica del suelo mejora la capacidad de retener cationes base
Ciclo de nutrimentos	Suministro de oxianiones (N, P, S)	Los reservorios orgánicos de N, P y S son fuente de macronutrientes disponibles en plantas mediante mineralización microbiana
Regular el agua	Infiltración y retención	Fomenta estructuras de poros estables y buzos para recibir, almacenar y liberar humedad para el uso de la planta
	Suministro de agua	Retención de agua adecuada para amortiguar y reducir los efectos de la sequía
	Buffers eventos de lluvia extrema	Fomenta la infiltración para reducir la erosión y la acumulación en eventos de lluvia extrema
Función microbiana	Diversidad microbiana	Amplia gama de sustratos soporta muchas vías metabólicas, fomentando la diversidad microbiana
	Almacenar y liberar (reciclar) energía	Depósito primario de energía química utilizada en la respiración microbiana, impulsa todos los ciclos principales de nutrientes
	Promoción del crecimiento vegetal	Apoya niveles más altos de microbios que pueden beneficiar el crecimiento vegetal a través de la supresión de enfermedades.
Medio de crecimiento de las plantas	Germinación de semillas y crecimiento radicular	Mejora la embebido de semillas y el acceso a los nutrientes, reduce la fuerza física sobre las raíces en crecimiento
Medio de crecimiento de las plantas	Buffer acidez, sodicidad	La alta CEC del suelo puede amortiguar y reducir la química adversa
Gestión de residuos	Secuestrar elementos biotóxicos	La alta CEC puede reducir la movilidad del metal
Gestión de residuos	Degradar sustancias orgánicas	Apoya a diversas poblaciones microbianas que pueden degradar xenobióticos

¿DE DÓNDE VIENE LA MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO Y POR QUÉ PERSISTE?

Insumos de carbono a suelos

La materia orgánica del suelo puede tener una amplia gama de insumos, los cuales se conservan o transforman a través de diversas reacciones biológicas y químicas para formar materia orgánica del suelo (Schmidt et al., 2011; Kögel-Knabner y Amelung, 2013). Algunos insumos también pueden estabilizarse en el suelo (en forma de materia orgánica del suelo o a través de interacciones con minerales arcillosos; Oades, 1988; Kleber et al., 2007) o desestabilizarse y dejar el suelo por erosión o exportación con agua (Bailey et al. 2019). Los insumos del suelo varían según las propiedades de los ecosistemas y las prácticas de manejo de la tierra, pero predominantemente incluyen necromasa de animales del suelo (macro a micro escala) y hojarasca de plantas por encima y debajo del suelo (Schmidt et al., 2011; ver Figura 3.1). Algunos suelos también pueden recibir insumos como pesticidas, herbicidas, fertilizantes y biocarbonización/carbón vegetal de procesos relacionados con el manejo de la tierra y otras actividades antropogénicas. Se cree que los insumos vegetales son un contribuyente importante a la materia orgánica del suelo (Kögel-Knabner, 2002), pero algunos estudios sugieren que las fuentes microbianas están subestimadas (Simpson et al., 2007). La naturaleza y cantidad de insumos de materia orgánica del suelo depende del ambiente del suelo así como del manejo del ecosistema. Otra consideración es que la composición de la materia orgánica del suelo está estrechamente relacionada con el desarrollo del suelo (ver Capítulo 2 para más información) ya que los suelos más jóvenes pueden no tener tanta materia orgánica del suelo como los suelos más viejos que han desarrollado un horizonte espeso O o A a lo largo del tiempo, dependiendo del suelo y propiedades ambientales. Por ejemplo, los horizontes Chernozemic Ah están más enriquecidos en materia orgánica del suelo, especialmente los chernozems negros que se encuentran en climas más fríos. Estas condiciones ecosistémicas fomentan la acumulación de materia orgánica del suelo En contraste, los horizontes Ap contienen menos carbono del suelo que su contraparte nativa (Ah) debido al uso de la tierra agrícola. Además, la materia orgánica se acumula en las turberas debido a la alta saturación de agua y a las condiciones anaerobias que limitan la actividad microbiana.

Los factores clave que controlan la formación del suelo (abreviado como clorpt) son: clima, organismos (biota), relieve (topografía), material parental y tiempo (Jenny, 1941). Estos también juegan un papel en la formación de materia orgánica del suelo y la biogeoquímica. La composición (calidad) y cantidad (cantidad) de los insumos variará con los diferentes ecosistemas y esto es controlado por factores formadores del suelo como el clima. El clima también determina los tipos de biota y también, su actividad. La topografía puede determinar la disponibilidad de oxígeno que se requiere para la degradación aeróbica de insumos, así como la materia orgánica almacenada del suelo. La topografía también puede mediar el contenido de agua del suelo, que se requiere para el crecimiento de las plantas El contenido de humedad también puede limitar la descomposición microbiana de los insumos de las plantas y mejorar la acumulación de materia orgánica, como en los humedales. El material geológico progenitor y la formación de minerales secundarios también son importantes para la materia orgánica del suelo porque los minerales arcillosos pueden unirse a la materia orgánica del suelo, lo que aumenta la estabilización de la materia orgánica del suelo

Las condiciones climáticas como la temperatura media anual y la precipitación media anual son importantes para determinar los insumos del suelo y los procesos de materia orgánica del suelo en escalas cortas y largas. Por ejemplo, la temperatura y la humedad controlarán los tipos de plantas que habitan un ecosistema y los climas más fríos favorecen a los árboles dominados por coníferas versus dominados por hoja caduca en los bosques. Los tipos y cantidad de arbustos y pastos que están presentes también están determinados por el clima y otras propiedades del suelo. La Figura 3.2 muestra los rangos de temperatura media anual y precipitación para diferentes biomas. Estos parámetros también contribuyen a la cantidad y calidad de los insumos al suelo y al grado en que se transforman a medida que los climas más cálidos favorecen la degradación de la materia orgánica del suelo (a través de la respiración microbiana) pero también fomentan el crecimiento de las plantas Los climas más fríos pueden limitar el crecimiento de las plantas, pero también pueden restringir la degradación microbiana y la bioturbación por la macrofauna.

Figura 3.2. Biomas en relación con la temperatura media anual y precipitación (también referida a la “parcela de bioma Whittaker”). Estas propiedades ecológicas determinan los procesos de conservación y degradación de la materia orgánica del suelo. La parcela fue creada por M. Simpson usando R Studio con ggplot2 y el paquete de biomas de parcela; los biomas se basan en Ricklefs (2008). © Ricklefs, R. E. 2008; adaptado por Myrna Simpson está licenciado bajo licencia CC BY (Atribución).

Como se describió anteriormente (ver Figura 3.1), existen diversos tipos de insumos que ingresan al suelo y algunos se conservan a través de interacciones sortivas con minerales arcillosos y algunos son degradados por la biota del suelo nativo. La química de los insumos de materia orgánica del suelo se ha estudiado durante varias décadas para ayudar a comprender los procesos de formación de materia orgánica del suelo y predecir la estabilidad de la materia orgánica del suelo. Los principales tipos de insumos y sus fuentes se resumen en el Cuadro 3.2.

Cuadro 3.2. Principales insumos del suelo y sus propiedades que contribuyen a la formación y persistencia de materia orgánica del suelo (Kögel-Knabner 2002; Schmidt et al. 2011; Kögel-Knabner y Amelung 2014)

Entrada	Fuente (s)	Química	Estabilidad
Lípidos ^a	Plantas y microbios	Moléculas pequeñas	Varía (bajo-alto) con la longitud de cadena de carbono y el grupo funcional
Proteínas/péptidos ^b	Plantas y microbios	Macromoléculas	Mediano
Celulosa (hemicelulosa)	Plantas y microbios	Macromolécula	Bajo
Lignina	Plantas	Macromolécula	Medio-alto
Quitina	Hongos y Artrópodos	Macromolécula	Medio-alto
Cutin	Plantas (recubrimiento ceroso en las hojas)	Macromolécula	Alto
Suberin	Raíces de plantas	Macromolécula	Bajo-Alto
Char/biochar	Material vegetal pirolizado	Macromolécula	Alto
^a Los lípidos son una amplia gama de compuestos que tienen rangos de longitudes de carbono así como funcionalidades. Algunos compuestos de este grupo tienen funcionalidades alcohol o ácido.
^b Esto abarca un gran grupo de moléculas que tienen propiedades químicas y estabilidad variables

Degradación de insumos de carbono

Los insumos de materia orgánica del suelo (Cuadro 3.2) tienen una química variable, lo que puede contribuir a su susceptibilidad a la degradación microbiana después de ser introducidos en el ambiente del suelo. Algunos insumos se degradan más rápidamente que otros. Muchas de las entradas son moléculas grandes (macromoléculas) que se descomponen en etapas. Por ejemplo, la celulosa es un carbohidrato complejo pero una vez que se descompone su estructura macromolecular, produce azúcares simples que pueden degradarse fácilmente. La lignina, que es otra macromolécula compuesta por una red de componentes aromáticos (fenólicos), es más difícil de descomponer y es degradada principalmente por hongos. Por lo tanto, la descomposición de los insumos vegetales es una función de la química de los insumos, la disponibilidad de microbios y enzimas, así como el contenido de nutrientes, y otros factores ambientales (como el oxígeno y el agua).

Bajo condiciones aeróbicas, los insumos de materia orgánica se degradan a través de la respiración (Ecuación 1.3). La respiración, también conocida como mineralización, es una reacción de oxidación donde el oxígeno actúa como aceptor primario de electrones (Bohn et al. 1985). Los productos netos de esta reacción (Ecuación 1.3) son dióxido de carbono y agua. Como se muestra, una forma básica de entradas de materia orgánica (CH ₂ O) produce 4 electrones (Ecuación 1.1), que luego requieren la cantidad equivalente de oxígeno (Ecuación 1.2) para equilibrar la reacción neta (Ecuación 1.3):

CH ₂ O + H ₂ O → CO ₂ + 4e ^— + 4H ⁺ (1.1)

O ₂ + 4e ^— + 4H ⁺ → 2H ₂ O (1.2)

CH ₂ O + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O (1.3)

Las formas más complejas de materia orgánica requieren más energía química para su degradación (Bohn et al. 1985). Por ejemplo, si se consideran fórmulas empíricas tanto para la lignina (C _2.9 H _2.9 O) como para la celulosa (C _1.2 H ₂ O), es evidente que la degradación del material vegetal (estimada como dos tercios de celulosa y un tercio de lignina para los fines de este ejemplo; Ecuación 2.1 ) requerirá menos energía química y menos oxígeno (que actúa como aceptor de electrones terminal) que la materia orgánica del suelo (representada empíricamente como C _2.2 H _2.2 O; Ecuación 2.2). Este requisito es una de las razones por las que las formas más complejas de materia orgánica se estabilizan sobre otras formas y persisten más tiempo en el suelo (Cuadro 3.1).

Descomposición de la materia vegetal: C _1.7 H _2.2 O → 1.7C ⁴⁺ + H ₂ O + 7e ^— + 0.2H ⁺ (2.1)

Materia orgánica del suelo: C _2.2 H _2.2 O → 2.2C ⁴⁺ + H ₂ O + 9e ^— + 0.2H ⁺ (2.2)

Los insumos de plantas y microbios se respiran a CO ₂ con base en la oxidación como se muestra en la Ecuación 1.3. Pero la velocidad a la que ocurre la respiración depende de las propiedades de los ecosistemas, la biomasa microbiana y la diversidad, y la disponibilidad de nutrientes. La Figura 3.3 muestra el destino del material vegetal fresco en el ciclo del carbono del suelo. La adición de residuos vegetales frescos a menudo alimenta la actividad microbiana (denominada cebado del suelo; Kuzyakov et al. 2000), lo que puede resultar en una degradación continua del carbono almacenado del suelo basado en la energía descrita en las Ecuaciones 2.1 y 2.2. Esto puede entonces, a su vez, desestabilizar el carbono almacenado del suelo y reducir las reservas de carbono del suelo. En algunos casos, la descomposición del material vegetal fresco también puede aumentar el carbono del suelo almacenado (recuerde, el carbono del suelo incluye tanto los componentes vivos como los no vivos). Por lo tanto, la forma en que las adiciones de plantas frescas alteran el carbono del suelo puede variar pero esto depende de la calidad de los insumos, la presencia de degradadores microbianos y enzimas, el contenido de oxígeno y agua, y el tiempo. En el ejemplo resaltado en la Figura 3.3, el carbono fresco de la planta se respira parcialmente a CO ₂ y también se almacena en forma de carbono del suelo. La cantidad total de carbono no cambia (existe balance de carbono) pero la forma de los diferentes charcos de carbono (CO ₂ atmosférico, materia orgánica del suelo, microbios del suelo, etc.) varía con el tiempo, el espacio y las propiedades del ecosistema. Por ejemplo, este proceso puede ocurrir más rápidamente en suelos aeróbicos en regiones más cálidas del mundo. En otros ecosistemas, el tiempo requerido para que el carbono vegetal se convierta en otras formas de carbono puede ser mucho más largo (al menos varias décadas). En condiciones anaerobias, el proceso de respiración (conversión de carbono vegetal a CO ₂) es mucho más lento debido a la disponibilidad limitada de O ₂ (ver Ecuación 2.1). En consecuencia, la escala de tiempo para la conversión de carbono vegetal en otras formas varía con el clima y otras propiedades del ecosistema, así como la calidad del carbono vegetal.

Figura 3.3. Ilustración de lo que sucede con el carbono vegetal recién agregado cuando ingresa al suelo. Con el tiempo, el carbono vegetal se convierte en carbono del suelo (que incluye tanto la materia orgánica del suelo no vivo como el carbono que se encuentra en los organismos vivos del suelo) y carbono respirado (CO ₂). El tiempo que lleva convertir el carbono vegetal en otras formas depende de las propiedades del ecosistema y disponibilidad de oxígeno (ver Ecuación 1). © Myrna Simpson; licenciado bajo licencia CC BY (Atribución).

¡Puedes Cavar!

Sustancias húmicas

Históricamente se creía que la estabilidad a largo plazo de la materia orgánica del suelo se debía a la conversión de insumos vegetales y animales en sustancias húmicas a través de diferentes reacciones biológicas y químicas. El método de fraccionamiento tradicional utilizado para aislar diferentes componentes de la materia orgánica del suelo (Schmidt et al. 2011; Lehmann y Kleber 2015) utiliza una serie de bases fuertes y ácidos fuertes para separar la materia orgánica del suelo en función de su solubilidad (ver panel lateral A).
Parte de la materia orgánica del suelo no era extraíble ni en base fuerte ni en ácido fuerte. Las fracciones resultantes se caracterizaron para conocer más sobre la composición de la materia orgánica del suelo (ver Panel lateral B). Estas fracciones de sustancias húmicas (ácido fúlvico, ácido húmico y humina) se analizaron históricamente mediante análisis elemental y otros métodos de análisis químico de baja resolución. Esto dio como resultado que científicos de materia orgánica del suelo interpretaran que estas fracciones eran de alto peso molecular (macromoléculas grandes). Entonces se creyó que estas grandes macromoléculas fueron estables en el suelo a largo plazo y el proceso principal por el cual se estabilizan los insumos del suelo en ambientes de suelo.

Ilustración de las técnicas clásicas y actuales para aislar diferentes sustancias húmicas. Preparado con BioRender (www.biorender.com) y basado en Schmidt et al. (2011). © Myrna Simpson; licenciado bajo una licencia CC BY (Atribución).

A partir de finales de la década de 1990, el avance de los métodos de análisis químico permitió a los científicos obtener datos de alta resolución sobre la química de la materia orgánica del suelo (Kelleher y Simpson 2006; Schmidt et al. 2011). Estos métodos mostraron que la materia orgánica del suelo estaba hecha de biomoléculas reconocibles de plantas y animales en diferentes etapas de degradación (ver Panel B). Estos métodos también mostraron que estas biomoléculas pueden asociarse entre sí y comportarse como moléculas más grandes (consistentes con la visión histórica). Los científicos están explorando aún más la visión actual y cómo esta nueva información puede ser utilizada para predecir y explicar la estabilización de la materia orgánica del suelo en diferentes ambientes y con el cambio climático.

Persistencia de la Materia Orgánica del Suelo

Muchos insumos ingresan al suelo y se transforman en materia orgánica del suelo o se mineralizan a CO ₂. Pero parte de la materia orgánica del suelo puede residir en el suelo de décadas a cientos de años. Parte de esta persistencia a largo plazo se debe a la fuerte interacción entre la materia orgánica del suelo y los minerales arcillosos encontrados en el suelo (Oades 1988; Schmidt et al. 2011; Simpson y Simpson 2012; ver Figura 3.4). Los minerales arcillosos pueden estabilizar la materia orgánica del suelo a través de la formación de complejos de materia orgánica-mineral en el suelo (Figura 3.4b). Tanto los minerales arcillosos amorfos como los cristalinos pueden unir la materia orgánica del suelo pero en diferentes grados y a través de diferentes interacciones químicas como interacciones covalentes, iónicas o débiles de van der Waals (Feng et al. 2005; Kleber et al. 2007). Si bien la manera en que la materia orgánica del suelo interactúa con los minerales arcillosos difiere en cada ambiente del suelo, es evidente que la unión de la materia orgánica a los minerales arcillosos aumenta su persistencia (Baldock y Skjemstad 2000). Una vez unida a los minerales arcillosos, la materia orgánica del suelo está menos disponible para la degradación biológica porque los microbios no pueden acceder fácilmente a la materia orgánica secuestrada en las superficies arcillosas. Como tal, la materia orgánica del suelo unida a minerales arcillosos es más persistente a largo plazo, ya que no se usa tan fácilmente como un sustrato microbiano. Otras superficies minerales que facilitan la persistencia de la materia orgánica son los óxidos de hierro y aluminio en suelos ácidos. En suelos neutros y alcalinos, la presencia de cationes polivalentes como calcio y magnesio estabiliza la materia orgánica formando puentes entre las moléculas orgánicas cargadas negativamente y las superficies arcillosas. El tipo de minerales arcillosos también es importante para controlar la cantidad de carbono que finalmente se puede almacenar en un suelo. Los minerales arcillosos con mayores áreas superficiales (arcillas 2:1) tienen una mayor capacidad de adsorber carbono que las arcillas 1:1. En Canadá, donde los suelos aún son relativamente jóvenes, la mineralogía arcillosa refleja principalmente la del material geológico progenitor.

Figura 3.4. Mecanismos de estabilización de materia orgánica. © Sylvie Quideau; licenciado bajo licencia CC BY (Atribución).

Además de la interacción de la materia orgánica con las superficies minerales, la protección física dentro de los agregados (Figura 3.4a) se considera un mecanismo importante para la persistencia de la materia orgánica (Six et al. 2002). En ese caso, la materia orgánica persiste principalmente en los suelos porque está espacialmente separada de las comunidades microbianas en descomposición. Además, la menor disponibilidad de oxígeno dentro de los agregados puede convertirse en un factor limitante para la actividad microbiana. En los ecosistemas boreales, que cubren la mayor parte de la superficie terrestre de Canadá, el fuego es una perturbación recurrente que produce carbono pirogénico, a menudo denominado carbono negro o carbón vegetal. Algunos carbonos pirogénicos, que contienen estructuras aromáticas altamente condensadas, pueden persistir en los suelos y constituir un sumidero de carbono a largo plazo (Ohlson et al. 2009). Sin embargo, la persistencia del carbono pirogénico en los suelos varía mucho dependiendo de sus condiciones de formación (Soucemarianadin et al. 2015)

Las visiones tradicionales resaltaron la importancia de la estructura química de la materia orgánica para explicar su persistencia en los suelos. Un paradigma más nuevo cuestiona la validez de esta suposición y sugiere en cambio que la estructura molecular por sí sola no explica la acumulación de materia orgánica y la estabilidad en los suelos. Además, el metabolismo microbiano, y más específicamente la eficiencia de utilización del carbono, juega un papel en la determinación de la persistencia de la materia orgánica (Cotrufo et al. 2013). Bajo este nuevo modelo (Figura 3.4c), se propone que las moléculas más lábiles, debido a que son absorbidas preferencialmente por microbios y por lo tanto retenidos con el suelo, constituyen la porción principal de materia orgánica estable del suelo.

¿CÓMO PODEMOS MANEJAR LA MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO?

Factores Ambientales

El almacenamiento de carbono en el suelo resulta del balance entre insumos y salidas de carbono. El secuestro de carbono ocurre cuando los insumos sobre el suelo y debajo del suelo (es decir, derivados de hojas y raíces) superan los rendimientos, los cuales generalmente están dominados por flujos de CO ₂ de la superficie del suelo, pero también pueden incluir en algunos casos contribuciones importantes del metano (CH ₄) y lixiviación de carbono orgánico disuelto (DOC). Los residuos vegetales son el sustrato principal para la formación de materia orgánica del suelo. Cuando las comunidades microbianas descomponen la hojarasca, la mayoría del carbono contenido en estos residuos se desarrolla eventualmente como CO ₂. Sin embargo, una pequeña porción permanece en el suelo como materia orgánica del suelo, a veces durante siglos o incluso milenios. La Figura 3.5 muestra la distribución del carbono del suelo (relacionado con la materia orgánica del suelo) de los suelos de Canadá. El intrincado equilibrio de estos insumos y salidas, así como la estabilización de la materia orgánica a minerales arcillosos, es lo que determina la persistencia de la materia orgánica del suelo.

Figura 3.5. Distribución del carbono del suelo de los suelos en América del Norte. Adaptado y generalizado de fuentes del USDA © Adam Gillespie. CC-BY. © USDA adaptado por Adam Gillespie está bajo una licencia CC BY (Atribución).

La tasa de acumulación de carbono varía mucho entre los suelos, lo que refleja la influencia de factores ambientales; es decir, factores formadores del suelo (clima, organismos, material geológico progenitor, relieve y tiempo) en los procesos pedógenos. El clima afecta directamente las reservas de carbono del suelo mediante el control del equilibrio entre los insumos de hojarasca y los El aumento de la precipitación aumenta el crecimiento de las plantas y la producción de hojarasca, y la disminución de A escala global, la acumulación de carbono en los suelos está más influenciada por la temperatura que por la precipitación y tiende a aumentar en suelos de latitudes altas donde las bajas temperaturas limitan la descomposición. Las mayores reservas de carbono se encuentran en la región norte del permafrost, donde están presentes tanto los suelos orgánicos como los crisoles. En ambientes áridos, la disponibilidad de agua puede limitar el crecimiento de las plantas y los insumos de residuos vegetales a los suelos y, en consecuencia, conducir a menores reservas de carbono

En todo Canadá, las reservas de carbono del suelo también varían en función de la precipitación, donde las altas precipitaciones locales a lo largo de las costas atlánticas y del Pacífico permiten establecer una densa vegetación forestal y, en consecuencia, grandes insumos superficiales de hojarasca. Además, la colocación de los insumos de vegetación afecta directamente la distribución del carbono dentro del perfil del suelo así como las reservas totales de carbono del suelo. En los suelos de pastizales donde los insumos por debajo del suelo (raíz) pueden ser abundantes, las reservas de carbono pueden ser mayores y no disminuir tan bruscamente con la profundidad como lo hacen bajo la vegetación forestal. Por último, si bien la vegetación puede ser el principal factor que controla el carbono orgánico superficial, el progenitor geológico del suelo también puede ser un factor clave para el secuestro de carbono en el perfil del suelo mineral. El contenido de carbono y arcilla del suelo se correlaciona positivamente, tanto por la formación de complejos de materia orgánica-mineral resistentes a las pérdidas de descomposición, como por los efectos indirectos de la arcilla que promueve una mayor fertilidad y crecimiento de las plantas, de ahí que aumente los retornos de carbono al suelo.

A nivel del paisaje, se favorece la acumulación de carbono orgánico en posiciones de menor pendiente donde las condiciones del suelo son más húmedas y tienden a inhibir las pérdidas por descomposición. De igual manera, en el hemisferio norte, las reservas de carbono del suelo tienden a ser mayores en las laderas orientadas al norte en comparación con las pendientes orientadas al sur, donde una menor temperatura y menor evaporación aumentan la humedad del suelo y disminuyen la descomposición

Las reservas promedio de carbono en los diferentes órdenes de suelo mineral que se encuentran en Canadá varían de alrededor de 11-12 g m ^-2 para Regosoles, Brunisols, Luvisoles, Chernozems y Solonetzs a 16-20 g m ^-2 para Podzols y Gleysoles. En suelos forestales, las reservas de carbono aumentan de suelos Luvisólicos y Brunisólicos bien drenados a suelos Gleysólicos y Orgánicos mal drenados (Figura 3.6). Las reservas de carbono en suelos orgánicos pueden ser un orden de magnitud mayor que en otros tipos de suelos y promedio 134 g m ^-2. Dentro de los pedidos de suelo mineral, los crisoles contienen las existencias más altas promediadas en 41 g m ^-2. Los crisoles también ocupan la mayor superficie de Canadá, ya que constituyen más de un tercio de los suelos canadienses. Los crisoles y los suelos orgánicos contienen aproximadamente la misma cantidad de carbono, que es, con mucho, la mayor cantidad en comparación con otros órdenes de suelo. Tomados en conjunto, estos dos órdenes de suelo contienen alrededor del 80% del total de reservas de carbono contenidas en los suelos canadienses. Podzols y Brunisols contienen 5-10%, y los pedidos restantes < 5%.

Figura 3.6. Existencias de carbono (kg m ^-2) en diferentes órdenes de suelo canadienses (adaptadas de Shaw et al. 2008; Tarnocai 2008). Adaptado por Sylvie Quideau y licenciado bajo licencia CC BY (Atribución).

Los procesos pedogénicos (es decir, los procesos de formación del suelo) pueden afectar directamente las reservas de carbono y la estabilidad del carbono en los suelos. A su vez, el contenido de carbono del suelo y la clasificación del suelo están directamente relacionados para muchos tipos de suelos. El ejemplo más obvio puede ser el caso de los suelos orgánicos, donde la acumulación de materia orgánica es el núcleo de su formación y clasificación. La paludización, la acumulación de gruesas capas orgánicas en la superficie del suelo mineral, crea los horizontes fíbrico (Of), mésico (Om) y húmico (Oh) representativos de los suelos orgánicos. En los bosques de tierras altas, la basura, la acumulación superficial más delgada de residuos vegetales frescos, es responsable de la acumulación del suelo forestal, que se puede separar en tres horizontes distintos (LFH) en función del grado de descomposición (ver Capítulo 8 para más detalles).

La humidificación, la formación de sustancias húmicas a partir de residuos vegetales y la melanización, el oscurecimiento del color del suelo debido a la adición de carbono, son responsables de la acumulación de carbono dentro de las capas superiores del suelo mineral, en particular en los horizontes chernozémicos. La formación de estos horizontes se ve favorecida por la extensa red de raíces de pasto que aporta grandes entradas de exudados y residuos. La bioturbación por lombrices de tierra y la estabilización de la materia orgánica por calcio son dos procesos comunes que contribuyen a la acumulación de carbono en los chernozems canadienses. El grado de oscurecimiento se emplea para diferenciar entre grandes grupos de Chernozems y Solonetzs, con en creciente cantidad de carbono: Brown, Dark Drown y Black grandes grupos. La ausencia o presencia de un horizonte Ah rico en carbono también se utiliza para diferenciar grandes grupos de Brunisoles, Luvisoles, Gleysoles y Regosoles; es decir, Brunisoles Melánicos y Sombricos, Luvisoles Pardos Gris, Gleysoles Húmicos y Regosoles Húmicos. Por último, el contenido de carbono se utiliza para separar subgrupos de varios órdenes adicionales de suelo mineral. Por ejemplo, a diferencia de los procesos que acabamos de mencionar, la podzolización da como resultado una acumulación de carbono a profundidad. En su mayoría, durante la podzolización, se agrega carbono de orgánicos solubles lixiviados de la superficie del suelo. El otro aporte de carbono a profundidad sería el resultado de exudados radiculares o recambio radicular. Los grandes grupos podzólicos se diferencian parcialmente en función de su contenido de carbono, con los Podzols Ferrohúmicos conteniendo más carbono en sus subsuelos que los Podzols Humo-Férricos.

Por último, los procesos que no están directamente vinculados a la humificación pueden aumentar el carbono del suelo. La gleización, que resulta en condiciones anaeróbicas, puede conducir a la acumulación de carbono en Gleysol. El frío extremo, que también inhibe la descomposición, puede resultar en una acumulación superficial gruesa de carbono característica de los crisoles orgánicos, y, en el caso, de los crisoles turbios, en la acumulación de carbono en los horizontes minerales, que también se puede encontrar en profundidad debido a la crioturbación, el proceso de mezcla del suelo debido a congelación y descongelación.

Manejo de Tierras

En Canadá, la conversión de tierras nativas a agricultura cultivable resultó en una pérdida de aproximadamente 25% del carbono presente en las capas superficiales del suelo (0-30 cm) antes del inicio del cultivo. En otras palabras, el carbono perdido a lo largo del ^siglo XIX de los suelos de pastizales cultivados canadienses habría resultado en una emisión de aproximadamente 1 Pg (Janzen et al. 2018).

Las pérdidas de carbono pueden atribuirse a la remoción de residuos de cultivos, así como al aumento de la erosión y descomposición. En algunos casos, se utilizó fuego para despejar tierras, lo que resultó en mayores pérdidas. El aumento de la descomposición, más que la erosión, es típicamente el principal culpable después del cultivo, y resulta de la alteración física de los agregados del suelo por labranza, que expone la materia orgánica previamente inaccesible a las acciones degradativas de los microorganismos del suelo. La mayor parte del carbono perdido en el cultivo consiste en la fracción ligera, la cual está compuesta por residuos vegetales aún “jóvenes”, solo parcialmente descompuestos. La mayor parte de la pérdida ocurre rápidamente, es decir, durante los primeros veinte años de conversión del suelo a la agricultura cultivable.

Debido a las pérdidas pasadas de carbono de los suelos agrícolas, estos tienen una capacidad significativa para almacenar más carbono. Varias prácticas de manejo pueden promover ganancias de carbono en el suelo. Específicamente, algunos pueden disminuir las pérdidas de carbono del suelo, incluyendo: reducción en la intensidad de labranza y reducción en barbecho de verano. Algunas medidas contribuyen aumentando los insumos de carbono a los suelos, ya sea agregando carbono de otras fuentes (por ejemplo, estiércol, biocarbón), o promoviendo mayores insumos vegetales a los suelos (por ejemplo, cultivando cultivos de cobertura, mejorando la retención de residuos, aumentando el uso de plantas perennes y optimizando la fertilización). La fertilización química (es decir, adición de fertilizantes inorgánicos), al promover el crecimiento de las plantas, generalmente da como resultado la acumulación de carbono en los suelos. La tasa anual de almacenamiento de carbono para suelos que reciben fertilizantes inorgánicos se ha estimado en 23 ± 13 g C m ^-2 año ^-1 (VandenByGaart et al., 2004). La aplicación de enmiendas orgánicas como estiércol animal o biosólidos (desechos humanos) también conduce a un aumento en el carbono del suelo, especialmente cuando se aplica regularmente a lo largo de muchos años o incluso décadas. Sin embargo, esto también puede aumentar la generación de gases de efecto invernadero, en particular óxido nitroso. Se puede alcanzar un límite superior en el secuestro de carbono en el suelo, lo que corresponde a que la matriz del suelo puede saturarse de carbono ya que ha alcanzado su capacidad de almacenamiento total. Los suelos de textura fina tienen una mayor capacidad de almacenamiento de carbono que los suelos de textura más gruesa.

La labranza de conservación, incluyendo labranza reducida y ninguna labranza, puede promover la acumulación de carbono en el suelo, aunque estudios recientes han demostrado que el aumento probablemente se limita a la capa superior del suelo (0-10 cm), y que la labranza no tiene ningún efecto sobre las reservas de carbono integradas en el intervalo completo de 0-130 cm de profundidad (Mary et al., 2020).

La materia orgánica del suelo también puede ser impactada por otras actividades antropogénicas. Está bien documentado que la conversión de tierras nativas para su uso en la agricultura puede disminuir el contenido de materia orgánica del suelo, especialmente con labranza. La incorporación de residuos de cultivos, así como prácticas de labranza de conservación, se está utilizando para preservar la materia orgánica del suelo en tierras agrícolas. Los residuos de los cultivos se aplican a la superficie del suelo después de la cosecha y se reincorporan al charco de materia orgánica del suelo. La aplicación de residuos carbonizados (biocarbón o a través de agricultura de corte y quema) mejora tanto el contenido de materia orgánica como la capacidad de intercambio catiónico del suelo y altera el pH del suelo, todo lo cual beneficia tanto a las plantas como a los microbios del suelo. El carbón puede ser de larga vida en el suelo, y aunque los beneficios de su aplicación varían con el tiempo ya que la composición del carbón puede cambiar, la adición de carbón contribuye al continuo general de materia orgánica del suelo que se encuentra en los suelos manejados.

Si bien la deforestación generalmente resulta en una pérdida de carbono en el suelo, la forestación puede, al menos en parte, restaurar los niveles originales de carbono del suelo. La reforestación en la zona boreal da como resultado menores tasas de aumento de carbono en el suelo en comparación con otros climas, probablemente porque las tasas de crecimiento de los árboles son más lentas allí (Laganière et al., 2010). El uso previo del suelo y el tipo de perturbación también es un factor importante que controla la tasa de incremento de carbono del suelo tras la forestación. La forestación de tierras agrícolas rinde a mayores incrementos en las reservas de carbono del suelo en comparación con los pastos o pastizales (Mayer et al., 2020). La forestación de suelos perturbados por actividades industriales, como la minería de superficie, también puede conducir a un aumento significativo en los niveles de carbono del suelo (Prescott et al., 2019). Si se adaptan a las condiciones del sitio, los árboles caducifolios ayudan a aumentar las reservas de carbono del suelo más rápido que las coníferas; a la larga, los árboles caducifolios también contribuyen a mayores reservas de carbono en los suelos minerales en comparación con los pisos forestales.

Cuadro 3.3. Efectos de los cambios de uso del suelo en las reservas de carbono orgánico del suelo. Compilado de VandenByGaart et al. (2004); Horwath y Kuzyakov (2018); y Janzen et al. (2018)

Práctica de gestión	Ubicación	Tasa de almacenamiento de carbono	Δ carbono del suelo
		(g C m ^-2 años ^-1)	(%)

Conversión de pastizales a agricultura	Este de Canadá		-30 a -36
Conversión de pastizales a agricultura	Oeste de Canadá		-11 a -59
Conversión forestal a agricultura	Este de Canadá		-4 a —49
Conversión forestal a agricultura	Oeste de Canadá		-11 a —36
Conversión general a la agricultura	Canadá		-24 ± 6
Enmiendas orgánicas	Mundo	+ 40 a 62
Fertilizantes químicos	Canadá	+ 23 ± 13
Fertilizantes químicos	Mundo	+ 16 a 32
Fertilizantes químicos + enmiendas orgánicas	Mundo	+ 33 a 52
Convencional a ninguna labranza	Canadá	+ 5 a 16
Cultivos de cobertura	Mundo	+ 15 a 23
Forestación de suelos agrícolas	Mundo	+ 9 a 51

¿CÓMO MEDIMOS LA MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO?

Existen dos categorías principales de análisis de materia orgánica del suelo: análisis elemental total y especiación química. Ambos grupos de análisis son importantes para responder a una serie de preguntas ambientales y agronómicas. Es importante destacar que la materia orgánica del suelo está relacionada con el carbono orgánico del suelo, pero estos no son la misma medida. Esta es una distinción importante porque el carácter químico de la materia orgánica del suelo es importante por su persistencia ambiental, comportamiento y dinámica de rotación. El contenido de materia orgánica del suelo se informa casi universalmente en las pruebas básicas del suelo, y los nuevos paquetes analíticos de salud del suelo ahora están reportando resultados que apuntan a fracciones de materia orgánica del suelo de ciclo rápido para rastrear mejoras en el manejo. Sin embargo, existen varios enfoques y técnicas diferentes que se utilizan para medir operacionalmente la materia orgánica del suelo, y no son equivalentes. Esta sección del capítulo discute y compara los métodos comunes de medición del carbono orgánico del suelo y la materia orgánica del suelo y presenta consideraciones a tener en cuenta a la hora de elegir métodos e interpretar los resultados.

Cuadro 3.4. Métodos comunes de medición del carbono del suelo

Método	Medidas	Detalles	Fortalezas	Desventajas
Combustión en seco	Carbono	Muestra quemada en atmósfera de O ₂	Medida directa del suelo C; puede automatizarse; también puede medir N	Los carbonatos en suelos calcáreos confundirán esta medición
		El CO ₂ evolucionado se mide directamente, generalmente >1000ºC
Pérdida por ignición (LOI)	Materia orgánica	Muestra quemada en atmósfera de O ₂	Equipo sencillo	No hay discriminación de C de otros componentes de la materia orgánica
		Mide la pérdida de masa	Análisis a granel	El agua estructural contribuye a la pérdida de masa
		Generalmente ~500ºC
Oxidación húmeda	Materia orgánica	Químicamente oxidado con cromato (Na ₂ Cr ₂ O ₇)	Se dirige únicamente a la materia orgánica	El cromato es cancerígeno
		Retrotitulado con Fe (II) o medido espectroscópicamente	El carbonato no reacciona	La reacción es incompleta
				El cromato reacciona con otros componentes del suelo

Combustión Seca

La combustión en seco es una técnica ampliamente utilizada para determinar el carbono total y el nitrógeno simultáneamente. Muestras de suelo secado al aire y pulverizado (generalmente <250 μm de diámetro) se introducen en un horno de combustión a aproximadamente 1250°C, las muestras se queman en una corriente de O ₂, produciendo CO ₂ y N óxido de gases (es decir, NO _x). El pulso de O ₂ sirve para asegurar que todos los C y N se oxiden. Después de la combustión, los gases son barridos fuera del tubo de combustión en un flujo de helio hacia una columna de reducción llena de alambre de cobre picado. Esta columna se mantiene a 600°C y sirve para eliminar O ₂ de cualquier NO _x en la corriente de gas, convirtiendo así todo el N en N ₂. Después de la columna de reducción, la corriente de gas se seca pasando a través de una trampa de agua que contiene perclorato de magnesio. La corriente de gas se pasa luego a un cromatógrafo de gases de columna empaquetada, que separa el CO ₂ _{de N 2}, con el N ₂ saliendo primero de la columna. CO ₂ y N ₂ se detectan mediante detectores de conductividad térmica o mediante detectores IR.

Las modificaciones de estos métodos pueden incluir un pretratamiento separado para medir cualquier C presente en carbonatos por neutralización de carbonato con ácido y retrotitulación del ácido en exceso, que luego se resta del C total para dar C. Alternativamente, los carbonatos pueden destruirse por tratamiento con diluidos. ácido antes de la determinación de C. Otros laboratorios utilizan la combustión a 860°C para descomponer selectivamente solo el carbono orgánico. Los métodos instrumentales con versiones automatizadas de los métodos de DC ahora se utilizan rutinariamente para determinar C total y C orgánico en muchos laboratorios.

Pérdida en la ignición

La pérdida por ignición (LOI) es una medida del cambio de peso como resultado del calentamiento para eliminar volátiles y/o eliminar componentes por descomposición térmica y/o quema en una atmósfera rica en oxígeno. A cualquier temperatura, la LOI será la suma de varios procesos, entre ellos:

Pérdida de humedad adsorbida sobre los granos minerales (mayormente removida por calentamiento a 105°C).
Pérdida de agua estructuralmente unida dentro de las estructuras minerales (mayormente eliminada por calentamiento a entre 600 y 1000°C).
Oxidación de materia orgánica, generalmente a ≤ 500°C, liberando CO ₂, CO y H ₂ O.
Descomposición térmica de minerales carbonatados (por ejemplo, magnesita a 750 a 950°C o calcita a 850 a 950°C) liberando CO ₂.
Oxidación de metales (en particular Fe ²⁺) en una atmósfera rica en oxígeno añadiendo óxidos de hierro.

Oxidación húmeda

También conocido como el método 'Walkley Black', este utiliza cromato para oxidar químicamente C orgánico en la muestra. La oxidación se ve facilitada por el calor generado por la adición de ácido sulfúrico. El exceso de cromato se determina por titulación, y la cantidad de carbono que se oxidó se calcula a partir de la cantidad de cromato reducida. Este procedimiento analítico solía ser el método estándar para medir el carbono orgánico del suelo pero adolece de varias limitaciones. Existe una oxidación incompleta del carbono presente en las muestras de suelo y se necesita un factor de corrección. Sin embargo, este factor de corrección puede variar entre los tipos de suelo, lo que conduce a sesgos en los resultados. Por ejemplo, el carbono presente como carbón vegetal puede no ser incluido, y conduciría a subestimaciones del carbono total del suelo.

Materia Orgánica del Suelo vs Carbono Orgánico del Suelo y el Problema de Conversión

El carbono orgánico del suelo (SOC) y la materia orgánica del suelo (SOM) no son la misma cantidad. Sin embargo, se ha convertido en una práctica automática para convertir entre SOC y SOM usando la Ecuación 3:

(3) $\ begin {ecuación*}\ %SOM = 1.72\ veces\ %SOC\ end {ecuación*}$

Esto supone que las moléculas de carbono comprenden 58% de la masa total de materia orgánica del suelo. Esto se basa en los resultados reportados por Waksman y Stevens (1930), e incluso informaron que se trataba de un factor de conversión que se debía considerar con cautela. La materia orgánica del suelo también contiene grupos funcionales que contienen hidrógeno y oxígeno, que contribuyen a la masa general de materia orgánica del suelo. Si bien también se asume que el hidrógeno aporta ca. 4% y el oxígeno aporta ca. 30% a la composición general, sabemos que esto depende del estado de descomposición de la materia orgánica del suelo. De hecho, los índices de hidrógeno y oxígeno que se aplicaron originalmente a la caracterización del petróleo (Lafargue et al., 1998) también pueden usarse para inferir el estado de descomposición en suelos (Gregorich et al., 2015; Sebag et al., 2006). La materia orgánica del suelo también es un importante almacén de macroelementos cruciales en la nutrición vegetal (es decir, N, P y S). N, P y S suelen estar presentes en concentraciones relativamente bajas en materia orgánica del suelo (< 5% para N, < 2% para P y S). Una revisión crítica del factor de conversión comúnmente utilizado (Pribryl, 2010) y demostró que la mayoría de los estudios a lo largo de los años reportan que esta conversión debería ser mayor. La Figura 3.7 muestra que las relaciones reales entre la materia orgánica del suelo y el carbono orgánico del suelo varían significativamente de la corrección estandarizada, y típicamente favorecen mayores factores de conversión (es decir, menor proporción de C) en la materia orgánica del suelo.

Figura 3.7. Comparación histórica de los factores utilizados para convertir% de carbono orgánico del suelo en% de materia orgánica del suelo. Año se refiere al año en que se publicaron los artículos; la línea horizontal roja marca como referencia el factor de conversión de uso común (1.72). Adaptado de Pribyl (2010); adaptado por R. Farrell y licenciado bajo licencia CC BY (Atribución).

El enfoque más efectivo para convertir entre materia orgánica del suelo y carbono orgánico del suelo sería realizar análisis directos separados. De lo contrario, asegúrese de aclarar qué valores se analizaron y cómo se llevaron a cabo las conversiones.

El problema de los carbonatos

El lecho rocoso paleozoico a base de carbonato (piedra caliza) es común en muchas regiones agrícolas de Canadá, principalmente en las provincias de las praderas y a lo largo de las tierras bajas de los Grandes Lagos y San Lorenzo. En algunas áreas, particularmente las que experimentan erosión de labranza, los carbonatos están presentes tanto en suelos superficiales como en horizontes de materiales parentales. Los problemas surgen al cuantificar el carbono orgánico del suelo en los suelos porque los métodos analíticos basados en la combustión descompondrán los carbonatos a CO ₂, inflando así la estimación general del carbono orgánico. Se utilizan tres enfoques principales para diferenciar carbonato-C de C orgánico: tratamiento térmico; tratamiento ácido y; oxidación húmeda (Cuadro 3.5).

Cuadro 3.5. Métodos de pretratamiento de muestras para dar cuenta de C inorgánico (es decir, carbonatos) al analizar suelos para C total u orgánico

Método	Específicos	Beneficios	Desventajas
Tratamiento Térmico	Medición indirecta de carbono orgánico	Procesamiento simple y a granel posible	Algunos carbonatos se descomponen a temperaturas más bajas
	Horno de mufla a 500ºC		Algunos suelos resistentes al carbono orgánico a 500ºC
	Calcular el carbono orgánico del suelo por diferencia
Tratamiento ácido	Acidificar con HCl	Procesamiento simple a granel	Vida útil reducida del analizador C
	Acidificar con H ₂ SO ₃ (ácido sulfuroso)	Más seguro para el análisis	Requiere un aparato evaporativo especial
Oxidación húmeda	Redox con cromato para apuntar solo al carbono orgánico	Se dirige únicamente al carbono orgánico	El cromato es cancerígeno
			Reacción redox con otros componentes del suelo

El tratamiento térmico se utiliza en muchos laboratorios comerciales. En este escenario, la muestra de suelo se divide en dos submuestras. La primera mitad se mide directamente por combustión (ver sección Combustión Seca) dando una medida del carbono total para ese suelo. La segunda mitad se coloca en un horno de mufla a ca. 500°C, y esto elimina solo el carbono orgánico, dejando atrás el C. Esta muestra se mide luego por combustión, y el C orgánico se calcula como la diferencia entre los dos valores. Este enfoque tiene mérito porque los minerales carbonatados comunes en suelos canadienses tienen temperaturas de descomposición superiores a 500°C (es decir, calcita > 700°C, dolomita > 650°C). Sin embargo, hay algunos suelos que contienen siderita con una menor temperatura de descomposición alrededor de 440°C.

El tratamiento ácido se usa frecuentemente porque es económico y no requiere aparatos especializados. El ácido descompone los carbonatos en agua y CO ₂. Se utilizan dos ácidos en entornos de laboratorio: clorhídrico y sulfuroso. El ácido clorhídrico es relativamente fácil de trabajar, pero reducirá la vida útil de los analizadores de carbono. El ácido sulfuroso ofrece el beneficio de ser volátil, y así se evapora después de su uso. Sin embargo, requiere ventilación y cuidado adecuados en su uso (Baldock y Skjemstad, 2008).

La oxidación húmeda, como se mencionó anteriormente, es un método que apunta únicamente al carbono orgánico. Los carbonatos que pueden estar presentes en la muestra no participan en la reacción porque ya están completamente oxidados. Este método, sin embargo, se basa en el uso de ácidos crómicos, los cuales son cancerígenos, y también pueden participar en otras reacciones redox, sesgando así estimaciones de C.

Composición de la materia orgánica del suelo

Además de medir las formas de carbono del suelo para cuantificar el carbono del suelo, también se puede medir la composición de la materia orgánica del suelo. En muchos casos, la composición de la materia orgánica del suelo es importante para comprender mejor el ciclo de carbono, nitrógeno y oxígeno así como la salud del suelo. Por lo tanto, cada vez es más importante complementar las mediciones de carbono del suelo con medidas más avanzadas de composición de materia orgánica del suelo. Sin embargo, medir la composición de la materia orgánica del suelo es un desafío debido a la naturaleza de la materia orgánica del suelo. Como se revisó anteriormente en este capítulo, la materia orgánica del suelo es una mezcla compleja de compuestos que son de diversos tamaños, polaridad y etapa de oxidación (biodegradación). Este continuo de compuestos orgánicos hace que sea difícil aislar y caracterizar la composición de la materia orgánica del suelo, razón por la cual en muchos casos, los científicos utilizan múltiples técnicas que proporcionan información de nivel atómico o molecular (Kögel-Knabner, 2000; Simpson y Simpson, 2012; Derenne y Nguyen Tu, 2014 ). Por esta razón, en muchos casos la materia orgánica del suelo se extrae en diferentes fracciones. Un enfoque común y más tradicional es el fraccionamiento basado en la solubilidad en base fuerte y ácido fuerte, que produce tres fracciones (ácido fúlvico, ácido húmico y humina) que luego se pueden caracterizar usando otras técnicas. La crítica de este método es que estas fracciones no son representativas de ningún proceso biogeoquímicamente relevante que ocurra en ambientes de suelo (Lehmann y Kleber, 2015). En consecuencia, otro método de fraccionamiento de la materia orgánica del suelo es utilizar métodos basados en la densidad que separan la materia orgánica particulada (que no está unida a minerales arcillosos) y la materia orgánica asociada a fracciones de diferentes tamaños (por ejemplo: fracciones de arena, limo y arcilla; (Gregorich et al., 1996). Otros estudios han enfatizado el método de fraccionamiento físico porque se cree que es más representativo del ciclo biogeoquímico de materia orgánica del suelo (Mikutta et al., 2006; Sollins et al., 2009; Hatton et al., 2012). Por ejemplo, la fracción de materia orgánica particulada (también llamada fracción ligera) es de ciclo rápido y accesible a los microbios, mientras que la fracción de arcilla contiene materia orgánica del suelo que puede no ser biogeoquímicamente activa y es la porción de materia orgánica del suelo que es más persistente. También se pueden aislar y estudiar agregados de suelo de diferentes tamaños, dependiendo de las preguntas de investigación u objetivos del análisis.

Existen muchas técnicas avanzadas y sofisticadas que se han desarrollado en las últimas décadas y aplicadas para estudiar la composición de la materia orgánica del suelo en suelos enteros y fracciones de suelo. Estos métodos han mejorado nuestra comprensión de la química de la materia orgánica del suelo y la persistencia en el medio ambiente. Los métodos que utilizan espectrometría de masas y espectroscopía de resonancia magnética nuclear, dos herramientas de uso común en química, han permitido comprender la composición a nivel molecular de la materia orgánica del suelo (Kögel-Knabner 2000; Simpson y Simpson 2012; Derenne y Nguyen Tu 2014; Simpson et al. 2018). Las técnicas de espectrometría de masas se acoplan con métodos de cromatografía que separan los componentes antes de ser analizados en el espectrómetro de masas. Esto ha permitido a los investigadores desentrañar parte de la complejidad molecular de la materia orgánica del suelo y también identificar compuestos específicos dentro de la mezcla. La espectrometría de masas también se utiliza para medir diferentes isótopos estables y radiogénicos de elementos importantes como carbono, nitrógeno y oxígeno. Los isótopos estables pueden proporcionar información sobre las diferentes fuentes vegetales y el grado de procesamiento microbiano de la materia orgánica (a través de la medición del fraccionamiento de isótopos (Whalen et al. 2014; Kohl et al. 2015)) mientras que las mediciones de isótopos radiogénicos del carbono (radiocarbono) proporcionan información sobre la edad de materia orgánica y puede ser utilizada para comprender mejor los mecanismos de persistencia (Trumbore y Druffel 1995; Quideau et al. 2000).

Figura 3.8. Caracterización SOM por Espectroscopia de Resonancia Magnética De Simpson y Simpson (2012). Reproducido con permiso y licenciado bajo una licencia CC BY-NC (Atribución No Comercial).

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear es otro método que ha proporcionado una visión incomparable de la composición de la materia orgánica del suelo. La espectroscopía de resonancia magnética nuclear puede analizar muestras en estado sólido o en estado de solución lo cual es ideal para el análisis de suelos enteros y diversas fracciones de suelo (insolubles o solubles) porque esta técnica proporciona información molecular sobre todas las estructuras presentes (Figura 3.8). La Fuente de Luz Canadiense, de la Universidad de Saskatchewan, es un centro de investigación nacional donde también se pueden utilizar métodos avanzados de luz sincrotrón para estudiar la composición de la materia orgánica del suelo. Estos métodos de luz de sincrotrón pueden considerarse como potentes rayos X que proporcionan información sobre la composición de diferentes elementos en la materia, como los suelos. Los métodos de sincrotrón también pueden proporcionar información sobre las interacciones entre materia orgánica del suelo, arcillas y otros materiales encontrados en el suelo (Gillespie et al. 2015). Como tales, estas técnicas, así como otras, están cambiando rápidamente nuestra comprensión de la composición de la materia orgánica del suelo y los mecanismos subyacentes que controlan su estabilidad en el ambiente. Los futuros esfuerzos de investigación continuarán desarrollando nuevos métodos y aplicándolos para comprender mejor la sostenibilidad a largo plazo de la materia orgánica del suelo en un mundo cambiante.

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) se ha utilizado durante varias décadas para estudiar la composición de la materia orgánica del suelo. Existen muchos tipos diferentes de experimentos de RMN que se pueden usar (ver Simpson et al. 2018 para más detalles) pero uno de los métodos más comúnmente aplicados en la ciencia del suelo es la RMN de ¹³ C en estado sólido (Preston et al. 1997). Esta técnica permite el análisis de todas las formas de carbono en la materia orgánica del suelo en una muestra de suelo entera o incluso en diferentes fracciones físicas del suelo. Un ejemplo ¹³ Espectro de RMN C (de Simpson y Simpson (2012) para un horizonte Ah de un Chernozem Negro Orthic (Malmo Soil Series) se muestra en la Figura 3.8, junto con todos los diferentes componentes estructurales que se pueden identificar. La tabla vincula estas diferentes formas de carbono con las fuentes de materia orgánica del suelo. Estas estructuras se relacionan con diferentes compuestos derivados de plantas y microbios que permiten a los investigadores estudiar las fuentes de materia orgánica del suelo, el recambio y la preservación.

Cuadro 3.6. ¹³ Asignaciones de desplazamiento químico por resonancia magnética nuclear (RMN) C y relación con los componentes estructurales de materia orgánica del suelo que se muestran en el espectro de RMN del Chernozem Negro Orthic (horizonte Ah). Asignaciones de desplazamiento químico compiladas a partir de: (Baldock et al. 1992; Preston et al. 1997; Salloum et al. 2002; Simpson y Simpson 2012)

Rango de desplazamiento químico (ppm)	Componente molecular	Fuente de materia orgánica del suelo
0-45 ppm	Carbono alquilo no substituido: incluye carbono metileno de cadena lineal (30-34 ppm) y grupos metilo terminales (15 ppm). El carbono de metileno ramificado se encuentra más abajo (35-45 ppm)	Lípidos, cutina, suberina, cadenas laterales de lignina, aminoácidos/péptidos
45-65 ppm	Carbono alquilo sustituido como el que se encuentra en aminas (45-46 ppm) y grupos metoxilo (56 ppm)	Lípidos, lignina
65-95 ppm	Carbono sustituido con oxígeno, carbonos de anillo en carbohidratos y carbonos en éteres	Celulosa y azúcares simples, aminoácidos/péptidos, quitina
95-110 ppm	Carbono alifático sustituido con di-oxígeno y carbono anomérico en carbohidratos (105 ppm)	Celulosa y azúcares simples
110-145 ppm	Carbono aromático	Carbono/biocarbón negro, lignina y aminoácidos aromáticos
145-160 ppm	Carbono fenólico	Lignina, suberina
160-220 ppm	Carbono carboxílico, amida y éster, carbono carbonilo	Lípidos (incluyendo ácidos grasos), cutina, suberina y aminoácidos/péptidos

MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO Y TEMAS GLOBALES

Ciclo Global del Carbono

El aumento de los niveles atmosféricos de CO ₂ ha llamado la atención sobre el importante papel que juegan los suelos en el ciclo global del carbono. Los suelos son el mayor depósito terrestre de carbono, y tanto los científicos como los responsables políticos han abogado por aumentar el secuestro de carbono en el suelo como una forma de eliminar algo de CO ₂ de la atmósfera.

Las reservas de carbono del suelo se expresan más comúnmente como kilogramos (kg o 10 ³ g), petagramas (Pg o 10 ¹⁵ g). En ocasiones, se usa gigatona (Gt) como unidad; tenga en cuenta que una Gt = una Pg. Las existencias se refieren a la cantidad total de carbono contenido dentro de una profundidad dada (por ejemplo, los 30 cm superiores o 50 cm del suelo). Todavía hay grandes incertidumbres en torno a las estimaciones de las reservas mundiales de carbono en el suelo. Las incertidumbres están vinculadas a datos limitados sobre reservas profundas de carbono (por debajo de 30 cm, a 1 m o 3 metros de profundidad), así como a datos limitados en algunas áreas geográficas (como en suelos de gran altitud del norte). Además, las reservas de carbono del suelo siguen siendo difíciles de modelar con precisión, ya que dependen de los efectos interactivos de varios factores ambientales, a saber, el clima, la vegetación y el material geológico parental del suelo.

En 2017, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) lanzó la iniciativa Mapa Mundial del Carbono Orgánico del Suelo (GSOCmap). Más de 100 países contribuyeron a producir el primer mapa mundial de suelos jamás producido a partir de mapas nacionales armonizados de suelos. Este mapa puede ser evaluado en el portal GSOCmap. Con base en estos datos, las reservas globales de carbono orgánico del suelo para la capa superior del suelo (0-30cm) representan 680 Petagramas (Pg). Más del 70% de estas acciones están en manos de 14 países, siendo el mayor contribuyente la Federación de Rusia (147.9 Pg — 21.9%), seguida de Canadá (80.2 Pg — 11.9%) y Estados Unidos de América (54.4 Pg — 8.0%).

La mayoría de las reservas mundiales de carbono del suelo se encuentran por debajo de 30 cm. Estima a 1 m promedio 1,505 Pg, y hasta 3,444 Pg de carbono que pueden almacenarse entre 0 y 3 m, esto es más de lo que almacenan la atmósfera y la vegetación combinadas.

Las actividades agrícolas y el cambio de uso del suelo representan alrededor del 25% de las emisiones antropogénicas de CO ₂. Secuestrar carbono adicional en los suelos podría ayudar a compensar estas emisiones. La “iniciativa 4 por mil- Suelos para la Seguridad Alimentaria y el Clima” (también conocida como el 4 PT- o 4 por mil) se puso en marcha en 2015 durante la COP21, que significa la “21ª Conferencia de las Partes” de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC). Esta iniciativa aspira a compensar el incremento actual del CO ₂ atmosférico incrementando las reservas mundiales de carbono en el suelo en 4 por 1000 (o 0.4%) por año (ver 4per1000). La agricultura y el cambio asociado al uso del suelo contribuyen un poco menos del 15% de las emisiones antropogénicas totales de CO ₂ a la atmósfera (Figura 3.9).

Figura 3.9. El ciclo global del carbono, mostrando estimaciones de existencias, tasas de cambios y flujos netos entre reservorios globales. Las actividades antropogénicas incluyen emisiones de reservas de combustibles fósiles y cambios en el uso del suelo. Redibujado de Lal (2018) con cantidades de Friedlingstein et al. (2019). Los montos son promedios para 2009-2018. Adaptado por Sylvie Quideau y licenciado bajo licencia CC BY (Atribución).

Cambio Climático y Carbono del Suelo y Cambio Climático

El cambio climático está alterando muchos procesos biogeoquímicos en el planeta. Los cambios tanto en la temperatura como en la humedad han cambiado la cantidad y calidad de los insumos vegetales al suelo, y han desplazado la actividad microbiana, la diversidad y su posterior uso del sustrato (Melillo et al. 2017; Pold et al. 2017; Lajtha et al. 2018). Como se describió anteriormente, los suelos son un importante reservorio de carbono. Estos depósitos de carbono son los principales sumideros de carbono en el ciclo biogeoquímico global. Sin embargo, el cambio climático está desplazando algunos sumideros hacia fuentes debido a la alteración fundamental de los procesos que regulan el almacenamiento de carbono del suelo. Por ejemplo, los experimentos de calentamiento del suelo han demostrado que el calentamiento puede promover la actividad microbiana que luego aumenta la degradación de la materia orgánica del suelo y disminuye la cantidad total de carbono del suelo almacenado (Melillo et al. 2017). Los ecosistemas sensibles que se encuentran en el Ártico son particularmente vulnerables debido a la descongelación del permafrost que está aportando carbono previamente almacenado en zonas biogeoquímicamente activas (Schuur et al. 2015). Los aumentos en la frecuencia e intensidad del fuego en el bosque boreal están incrementando las pérdidas de carbono del suelo y amenazando la capacidad de este bioma para actuar como sumidero de carbono (Walker et al. 2019). Las predicciones actuales muestran una pérdida global de carbono en el suelo a través de una respiración mejorada en todos los ecosistemas (Bond-Lamberty et al. 2018). Los científicos están estudiando activamente qué tan sensible es el carbono del suelo a los impactos del cambio climático con la esperanza de determinar cómo preservar las reservas de carbono del suelo. El futuro del carbono del suelo sigue siendo incierto y las continuas pérdidas de carbono y materia orgánica del suelo pueden dar lugar a una disminución generalizada de la fertilidad y la salud del suelo. Como tal, comprender la naturaleza y persistencia de la materia orgánica del suelo y cómo se ve impactada por el cambio climático dará como resultado el desarrollo de estrategias informadas de mitigación del cambio climático que preserven y protegen el carbono del suelo en el futuro.

¡Puedes Cavar!

Lombrices de tierra- ¿amigos o rivales?

Efectos de lombrices en suelos forestales. Las lombrices epigeicas pequeñas viven en el suelo del bosque y se alimentan de hojarasca, mientras que las lombrices endógicas habitan en el suelo mineral; las especies anécicas más grandes también se alimentan de hojarasca pero crean madrigueras verticales en el suelo mineral. © Sylvie Quideau; licenciado bajo licencia CC BY (Atribución).

Los efectos beneficiosos de las lombrices sobre la fertilidad del suelo son numerosos. En suelos agrícolas, se ha reportado que incrementan la materia orgánica, disminuyen la densidad aparente y aumentan el drenaje, e impulsan el rendimiento de los cultivos.

En los suelos forestales boreales de Canadá, sin embargo, donde no forman parte de las comunidades biológicas nativas, están cambiando rápidamente la distribución de las reservas de carbono del suelo.

Las reservas globales estimadas de carbono en suelos boreales oscilan entre 367 y 1716 Pg, con un valor medio en 1095 Pg. Alrededor de un tercio de todos los bosques boreales se encuentra en Canadá. La invasión de lombrices de tierra resulta en una reducción o incluso desaparición del suelo forestal, transfiriendo parte del carbono al suelo mineral. A corto plazo, la invasión de lombrices de tierra puede resultar en una liberación neta de carbono a la atmósfera. A más largo plazo, el veredicto aún está fuera.

¡Puedes Cavar!

Importantes canadienses en investigación de materia orgánica del suelo

Dra. Caroline Preston, Centro Forestal del Pacífico, Recursos Naturales Canadá.

Caroline Preston (licenciada bajo licencia CC-BY-NC-ND)

El Dr. Preston es experto en química de suelos y es considerado uno de los pioneros en la aplicación de la técnica ¹³ C-NMR en el estudio de la compleja estructura de la materia orgánica del suelo tanto en suelos agrícolas como forestales. Su programa de investigación plasmó los siguientes aspectos: mejorar la comprensión del ciclo de C, N y P en el suelo y utilizar esta comprensión para potenciar el almacenamiento de C (implicaciones del cambio climático) y para manejar N y P del suelo y lo más significativo, pionera en la aplicación de técnicas espectroscópicas ( 13C-NMR en particular) en la ciencia del suelo. Entre sus muchas contribuciones importantes se encuentra su trabajo sobre las estructuras químicas en el carbón derivado de incendios forestales. Su persistencia y comprensión tanto de la metodología de RMN como de los sistemas de suelo desarrollaron un cuerpo de investigación innovador y altamente influyente que ha impactado nuestra comprensión de la materia orgánica del suelo en todo el mundo. La Dra. Preston recibió su formación de licenciatura y posgrado en química de la Universidad McMaster (1970) y la Universidad de Columbia Británica (1975), respectivamente. En 1991, fue elegida becaria del Instituto Químico de Canadá. En 1992, el Dr. Preston recibió el Premio Barringer de Espectroscopia Aplicada de la Sociedad de Espectroscopia de Canadá y es miembro de la Sociedad Canadiense de Ciencias del Suelo.

Dr. Morris Schnitzer, Agricultura y Agroalimentación Canadá

Morris Schnitzer (licenciado bajo una licencia CC-BY-NC-ND)

El Dr. Schnitzer es un químico de suelos pionero en el estudio de la materia orgánica del suelo. Sus contribuciones a este campo son incomparables, con sus principales contribuciones centradas en los métodos analíticos de extracción, caracterización y modelización de sustancias húmicas. Muchos sienten que es el abuelo del estudio de sustancias húmicas; su registro de publicación incluye más de 350 artículos arbitrados y muchos libros. Nació en una familia judía en Alemania y huyó de los nazis durante toda la guerra. Esta odisea se ha detallado en su autobiografía. Se instaló en Montreal donde estudió química de suelos y fue pionero en el uso temprano de la cromatografía de gases, espectrometría de masas y RMN para estudiar la materia orgánica del suelo. Por ejemplo, en la década de 1960, inició una investigación a largo plazo sobre la degradación oxidativa de sustancias húmicas y suelos enteros utilizando formas muy tempranas de cromatografía de gases y espectrometría de masas. Sin miedo a la polémica, también fue pionero en el uso de la espectrometría de masas de pirólisis que le llevó a afirmar la prevalencia de estructuras que contienen N en la materia orgánica del suelo. El Dr. Schnitzer obtuvo su licenciatura con honores de primera clase en 1951, su maestría en 1952 y su doctorado en 1955, todos de la Universidad McGill en Química del Suelo. Es miembro de la Canadian Society of Soil Science, Soil Science Society of America, American Society of Agronomy y Royal Society of Canada.

Dr. Con (Constantine) Campbell, Agricultura y Agroalimentación Canadá

Con Campbell (licenciado bajo una licencia CC-BY-NC-ND)

El Dr. Con Campbell, es reconocido mundialmente como uno de los principales especialistas en investigación sobre materia orgánica del suelo y todos los aspectos del nitrógeno en suelos y cultivos. A través de su investigación demostró que la materia orgánica del suelo es un indicador ambiental clave sobre el estado de salud de los suelos de las praderas; su investigación ha recibido atención a nivel nacional e internacional y se utiliza en el desarrollo y ensayo de modelos de crecimiento vegetal. Las increíbles contribuciones de Con Campbell han sido reconocidas; ha sido galardonado con la Orden de Canadá así como la Orden del Mérito de Saskatchewan. En su investigación, fue uno de los primeros líderes en el uso de la datación por carbono para medir la dinámica de la rotación de materia orgánica del suelo. Realizó estudios que refinaron el concepto de nitrógeno potencialmente mineralizable, proporcionando así bases de investigación para optimizar la eficiencia del uso de nitrógeno de fertilizantes en las praderas canadienses. El Dr. Campbell nació en Montego Bay, Jamaica donde se graduó de Cornwall College antes de obtener su BSA y MSA en ciencias del suelo en Ontario Agricultural College de la Universidad de Toronto en 1960 y 1961. Obtuvo su doctorado en la Universidad de Saskatchewan en 1965, e inmediatamente se unió a la Estación de Investigación Swift Current como científico investigador. Es miembro de la Canadian Society of Soil Science, el Agricultural Institute of Canada, la Soil Science Society of America y la American Society of Agronomy.

RESUMEN

La materia orgánica es uno de los atributos más importantes de los suelos. Disminuye la densidad aparente del suelo, aumenta su retención de agua, capacidad de intercambio catiónico y capacidad de amortiguación. La materia orgánica es fundamental para el ciclo biogeoquímico de muchos nutrientes vegetales y ayuda a mantener la enorme biodiversidad presente en los suelos.
Los suelos contienen carbono tanto orgánico como inorgánico. Existen varios métodos para medir el carbono total del suelo y el carbono orgánico del suelo. El carbono orgánico es el principal constituyente de la materia orgánica del suelo, pero se debe tener precaución al convertir entre carbono del suelo y materia orgánica.
Los residuos vegetales son el sustrato principal para la formación de materia orgánica del suelo. La materia orgánica del suelo está compuesta por estos residuos en diversas etapas de descomposición, y también contiene, en algunos casos en grandes cantidades, biomasa faunística y microbiana muerta, y productos de síntesis microbiana.
Los suelos almacenan grandes cantidades de carbono, más del doble que la cantidad de carbono en la atmósfera y la vegetación terrestre combinadas.
El carbono del suelo no se distribuye uniformemente en el paisaje, sino que variará en función de los factores formadores del suelo.
La mayor parte del carbono del suelo en Canadá está contenido en crisoles y suelos orgánicos donde la temperatura fría inhibe las pérdidas por descomposición del carbono.
El cultivo inicial de praderas canadienses provocó la pérdida de aproximadamente una cuarta parte del carbono contenido en estos suelos. Parte de este carbono del suelo puede restaurarse usando prácticas de agricultura de conservación y plantación en plantas perennes.

PREGUNTAS DE ESTUDIO

¿De dónde viene la materia orgánica del suelo?
¿Cuál es la relación entre la materia orgánica del suelo y los elementos principales (carbono, oxígeno y nitrógeno)?
¿Cómo contribuye la materia orgánica del suelo a la capacidad total de intercambio catiónico del suelo?
¿Qué factores ambientales determinan la persistencia de la materia orgánica del suelo en diferentes partes de Canadá?
¿Qué sucede con el material vegetal (residuos frescos) cuando se agrega al suelo? ¿A dónde va el carbono?
Con base en algunos principios básicos de redox, ¿por qué algunas formas de materia orgánica del suelo son sustratos microbianos preferidos sobre otros?
¿Cómo medimos el contenido de materia orgánica del suelo en muestras de suelo?
Si se necesita información sobre la composición de la materia orgánica del suelo, ¿qué tipos de métodos podrían utilizarse? ¿Estos métodos son fáciles de realizar o requieren equipos o instalaciones avanzadas para realizar estas mediciones?

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Acerca de Los Autores

Sylvie Quideau, Profesora, Departamento de Recursos Renovables, Facultad de Ciencias Agrícolas, de la Vida y Ambientales, Universidad de Alberta

Sylvie Quideau (licenciada bajo licencia CC-BY-NC-ND)

Soy Profesor en Biogeoquímica de Suelos con especial interés en flujos de carbono y procesos de materia orgánica. El enfoque de mi investigación se centra en tres áreas: 1) cuantificar los factores ambientales subyacentes que controlan la acumulación y distribución de materia orgánica en los suelos; 2) relacionar los índices medibles de calidad de la materia orgánica con el funcionamiento del suelo (flujos de nutrientes y biodiversidad microbiana); y 3) predecir la respuesta de materia orgánica del suelo a perturbación natural y antropogénica.

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Myrna Simpson, Profesora y Cátedra de Investigación Canadá (Tier 1) en Biogeoquímica Molecular Integrativa, Departamento de Ciencias Físicas y Ambientales, Universidad de Toronto

Myrna Simpson (licenciado bajo una licencia CC-BY-NC-ND)

Soy Profesor de Química Ambiental y Cátedra de Investigación Canadá (Tier 1) en Biogeoquímica Molecular Integrativa. Desarrollo y uso métodos analíticos avanzados para caracterizar los impactos antropogénicos en la composición y dinámica de la materia orgánica del suelo en bosques, el Ártico Alto y agroecosistemas. También soy el Director Asociado del Centro de RMN Ambiental de la Universidad de Toronto Scarborough, que es la única instalación de RMN de campo alto de Canadá dedicada a la investigación ambiental.

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Adam Gillespie, Profesor Asistente, Facultad de Ciencias Ambientales, Universidad de Guelph

Adam Gillespie (licenciado bajo una licencia CC-BY-NC-ND)

Soy Profesor Asistente de Bioquímica de Suelos en la Escuela de Ciencias Ambientales. Tengo un gran interés en utilizar investigaciones e instrumentación innovadoras para vincular el manejo de la tierra con la salud del suelo y el uso sustentable del suelo. En particular, mi investigación se centra en la caracterización de la materia orgánica mediante métodos espectroscópicos y térmicos, el ciclo del carbono y la modelización.