MODELADO DE LA DINÁMICA DEL CARBONO ORGÁNICO EN SUELOS USANDO INFORMACIÓN ISOTÓPICA :

1. MODELADODE LA DINÁMICA DEL CARBONO ORGÁNICOEN SUELOS USANDO INFORMACIÓNISOTÓPICA: APLICACIÓN EN PASTIZALESFORESTADOS Esteban G Jobbágy – Marcos G Rizzotto Grupo de Estudios Ambientales – Instituto de Matemática Aplicada San Luis Universidad Nacional de San Luis & CONICET Gervasio Piñeiro – Jose M. Paruelo IFEVA, Facultad de Agronomía - Universidad de Buenos Aires & CONICET Robert B Jackson Department of Biology - Duke University, North Carolina

2. El problema ecológico El problema metodológico Conjunto quimicamente heterogéneo Muchos procesos simultáneos Fácil medir cajas Difícil medir flujos…. 750 Gton Suelo: 2100 Gton C Mas que atmósfera + biota componentes y dinámica? Que papel juega en el ciclo global del C? Como podemos favorecer el secuestro de C en el suelo? 500 Gton ? 2100 Gton (*) Pero… experimentos “naturales” trazadores “naturales” * jobbagy & jackson – 2000 Ecol Appl

3. pastizal especies C3 y C4 (mezcla 50:50) menor discriminación de 13C forestación Eucaliptus sp. especie C3 mayor discriminación de 13C Estudio en 4 sitios (pares de stands) 5 (pseudo)replicas por stand Suelo: 0-5-10-20-35-50-75-100 cm, mantillo y horizonte Oh (orgánico) densidad aparente [C] y [N] Carlo Erba Elemental Analyzer – [13C] y [15N] Finnigan MAT Delta Plus XL (DUKE UNIV) pastizales forestados de la pampa húmeda el “truco” del tiempo x espacio…

4. Perdidas (P) Ingresos (I) Stock C orgánico del suelo (S) 3 P = S*k I, P, S corresponden a 12C+13C (Kg/m2) 13C/12C de estas variables se definen como rI, rP, rS Desafío: Conozco cambios en el stock de C (S), cómo puedo conocer ingresos (I), perdidas (P), tasas de renovación (1/k), Tras la perturbación (t0)? 1 prod primaria -aerea y subt- en estrato 1 -subt – en estrato >1 2 respiración 4 No hay transporte vertical 5 No hay erosión 6 Cambio instantáneo en t0 y valor constante luego para I, rI y k 7 Mezcla perfecta en S 8 No hay discriminación en el suelo

5. Una solución analítica para representar el sistema Para 12C dS/dt = I – k S(t) En nuestro caso, para tiempo = 0 (establecimiento) y para tiempo = X (edad al muestreo) conocemos S y S* Además conocemos rI (I*/I) Queremos averiguar I y k, y así proyectar S en otras tiempo/condiciones rI = rS Para 13C dS*/dt = I* – k S*(t) Solución 100% analítica, exacta, sin parámetros ajustables

6. (rS y rI) ∂13C ‰ (rS y rI) ∂13C ‰ -16 -20 -24 -28 -32 -16 -20 -24 -28 0 0 Profundidad (cm) (rI) (rI) 100 100 C orgánico en suelo - Kg C / m3 C orgánico en suelo - Kg C / m3 0 20 40 60 0 20 40 60 80 0 0 20 20 40 40 CASTELLI (50 años) GUERRERO (97 años) Profundidad (cm) 60 60 pastizal (t=0) forestación (t=50 o 97 años) 80 80 diferencias significativas p<0.05 100 100

7. Tiempo de renovación • mas rápido en superficie • Valores similares en ambos sitios • Descenso de I en profundidad • (en Guerrero 480, 219, 103, 42, 25 y 16 g/m3 por estrato) • I es menor en Guerrero • (monte de baja densidad sujeto a cosecha…) • Muy bajos Ingresos respecto • a los valores conocidos de producción • En 0-20, I = 450-900 Kg C/Ha/año • Productividad primaria neta aérea de aprox 5000 Kg C/Ha/año • Biomasa raíces (<0.5 cm diámetro) 4500 Kg. C/Ha/año Aplicación del modelo

8. Se remueven X-4 y X-5 I = 512±10 1/k = 84±23 I = 497±90 1/k = 255±800 0.8 0.8 0.7 0.7 1-4 0.6 0.6 3-4 4-4 I I 5-4 0.5 0.5 2-4 5-5 4-5 2-5 0.4 0.4 0.3 0.3 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 0 20 40 60 80 100 120 140 1/k 1/k El problema del error (2-3 meses de trabajo…) La estimación del error por “propagacion de errores” y por “acotacion” arroja valores 2-3 ordenes de magnitud mas altos que el valor de los parámetros I y k. OJO: Medimos independientemente el carbono total (13C + 12C) y su composición (13C:12C) Se propone la búsqueda de una banda de error a partir de la aplicación del modelo a todas las trayectorias posibles entre pares de muestras individuales para la situación inicial y final (todos contra todos)

9. Modelo de dos cajas (solución analítica disponible – sin parametros ajustables) Perdidas rápidas (P r) k1 Ingresos (I) Perdidas lentas (P l) transferencia (S r) rapida (S l) lenta k3 k2 • Conclusiones y pasos a seguir • Las forestaciones mantienen o aumentan ligeramente el C del suelo • Se detectan cambios isotópicos (0-20 cm en 50 años, 0-75 en 100 años) • Modelo de “una caja” como primer paso: • capaz de representar sistemas simples • capaz de identificar erosión o lixiviación cuando son importantes • (entre otros supuestos fallidos) • En forestaciones permitió calcular ingresos y tasas de renovación • Ingresos bajos en relación a productividad (<10%). • explicables por • herbivoría o saprofitismo? • fracción lábil (1/k < 50 años) con pobre transferencia a fracciones estables? • Las forestaciones no serian muy efectivas secuestrando C en el suelo

10. jobbagy@unsl.edu.ar rizzotto@unsl.edu.ar Fin!

11. ∂15N ‰ ∂15N ‰ 4 5 6 7 8 9 7 8 9 4 5 6 0 0 20 20 40 40 depth (cm) 60 60 80 80 Castelli (50 years) Guerrero (97 years) 100 100 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 0 0 20 20 40 40 60 60 depth (cm) grassland 80 80 tree plantation America (48 years) Chascomus (48 years) 100 100