Fase-1: Efectos de Especies de Árboles en los Procesos de Ecosistema en las Tierras Bajas de Costa Rica

Fondos:

Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos: DEB 0236502 y 0236512

Participantes:

Este es una colaboración entre:

  • Iowa State University, Ames, IA (ISU)

    Department of Ecology, Evolution and Organismal Biology (EEOB)

    Department of Natural Resource Ecology and Management (NREM)
  • Organización para Estudios Tropicales (OET), Duke University, Durham, NC

Preguntas Principales:

  • ¿Qué tanto las especies de árboles varía su proceso de reciclar y almacenar carbono?
  • ¿Cuáles atributos a nivel de especie son responsables de estas diferencias? Y ¿éstos difieren entre las especies?
  • ¿Pueden ser incorporados los ensayos específicos de especies dentro de modelos biogeoquímicos tales como el CENTURY?, y ¿cómo estos ensayos pueden afectar las predicciones simuladas de procesos en ecosistemas?

Procedimiento:

  • Diseño experimental usando plantaciones forestales de largo plazo.
  • Mediciones de campo y laboratorio.
  • Integrar hallazgos en un modelo basado en procesos, usando SIGLO (CENTURY).

Aplicaciones:

  • Mejorar modelos de ciclo de carbono y nutrientes en bosque tropical
  • Restauración de áreas tropicales degradadas
  • Diseño sostenible y más productivo de sistemas forestales
  • Promever la investigación a largo plazo, la educación y la capacitación en temas de ecología tropical

Marco Teórico:

Las especies de plantas varían en la forma como capturan y usan los recursos, por lo que tienen la capacidad de influenciar en los procesos de los ecosistemas. Pero, ¿qué tan amplio puede ser este impacto?, y ¿por cuáles mecanismos?. Nuestro modelo conceptual dirigido a contestar esta pregunta se enfoca en las particularidades de las plantas que influencian el ciclo de carbono y tienen el potencial de influenciar otros ciclos como nutrientes y carbono a nivel global (Fig 1). Nuestro marco teórico incorpora el efecto de las siguientes características de las plantas en los correspondientes procesos:
1) La capacidad de producción, en interacción con las condiciones ambientales, determinan el volumen del aporte orgánico al ecosistema (por ejemplo la producción primaria neta, PPN);

2) Los patrones de almacenamiento de las plantas, determinan el fraccionamiento de los productos de la fotosíntesis dentro de la planta (sobre el suelo y en el suelo), lo cual tiene consecuencias sobre la dinámica de la producción de detritus;

3) Las tasas de mortalidad de hojas y raíces, influencian los flujos en la producción de detritus;

4) La composición química de los tejidos de hojas y raíces influyen sobre la descomposición, afectando también los flujos de nutrientes y del carbono del suelo;

5) Los flujos de los productos de la fotosíntesis a las raíces, influyen sobre el ciclo de carbono a través del suelo y sobre la respiración del suelo.
Dentro de este marco de trabajo, nos enfocamos en cuantificar las diferencias dentro de las diferentes especies de árboles en cuanto a: crecimiento y producción de biomasa, patrones de almacenamiento sobre y en el suelo y la química de tejidos. Nuestra meta es cuantificar los efectos de esas especies estudiadas, sobre los efectos en la producción de detritos, descomposición de hojas y raíces, mineralización de la material orgánica del suelo y el almacenamiento de carbono en el suelo.

Figura 1. Modelo conceptual de regulación de la dinámica del carbono del suelo por las plantas. Los ensayos de especies tienen el potencial de influenciar los siguientes procesos (curvas conectadas por círculos): 1) Productividad primaria neta (PPN); 2) Distribucion y almacenaje; 3) Flujo de detritos; 4) descomposición; 5) respiración del suelo que incluye CO2 derivado de raíces vivas y muertas, hojarasca y materia orgánica del suelo.

Objetivos:

Para comprender el impacto y los mecanismos por los cuales las especies de árboles influencien los ecosistemas, proponemos integrar estudios de campo de adaptaciones en plantas, procesos de ecosistemas y propiedades del suelo dentro de un modelo basado en procesos. Contamos con réplicas para seis especies con el mismo clima, suelo, historia de uso y densidad de árboles, siendo ideales para nuestro estudio. Basados en nuestro modelo (Fig. 1), identificamos tres objetivos principales: 1) Características de plantas que influencian el ciclo del carbono; 2) transferencia de carbono acumulado en plantas al suelo; y 3) dinámica del carbono en el suelo. Las características medidas en las plantas y las propiedades del ecosistema pueden ser modeladas en el programa Century, aportando las bases para el Objetivo 4: evaluar la variabilidad en el efecto de las plantas sobre los ecosistemas y sus subyacentes mecanismos.

OBJETIVO 1. Cuantificar diferencias de crecimiento entre especies, producción de detritos y distribución y almacenaje de recursos sobre y en el suelo.

Razonamiento: Las especies tienen características individuales que las definen y bajo ciertos límites, su potencial de crecimiento y atributos estructurales se encuentran dentro de ambientes aceptables. Dentro de un ambiente particular, existen diferencias entre especies en fisiología, crecimiento, distribución del carbono en estructuras sobre y en el suelo, y las tasas de movimiento (crecimiento y descomposición) de los tejidos afectaran la acumulación de biomasa sobre y en el suelo, las tasas de producción de detritos y la ubicación de la producción de detritos (sobre o en el suelo).

OBJETIVO 2. Investigar las diferencias entre especies en cuanto a la composición química de los tejidos (hojas y raices), tasas de descomposición y almacenamiento de detritos.

Razonamiento: Manteniendo todos los factores invariables, una mayor producción de detritos de hojas y raíces finas generará una mayor producción de hojarasca y una acumulación de raíces muertas. Las diferencias entre especies en la producción de raíces finas y hojarasca (Objetivo 1) pueden proveer un claro mecanismo que explique cuales especies pueden influenciar el tamaño y la localización de las acumulaciones de detritos. Sin embargo, la cantidad de detritos está determinada por la tasa de descomposición, la cual es influenciada por la naturaleza química y la estructura de los detritos (ver Heal et al. 1997). Cuál de los dos procesos (por ejemplo la producción de hojarasca o la tasa de descomposición) es más importante para controlar la acumulación de detritos, dependerá de cuál proceso varíe relativamente más. Sugerimos que la acumulación de detritos es más sensible a la tasa de pérdida que a la tasa de ingreso y proponemos en este estudio probar esta idea, la cual como principio general gobernaría patrones de secuestro de carbono y la dinámica de la materia orgánica del suelo (MOS) en bosques tropicales.

OBJETIVO 3. Investigar el efecto de las especies de árboles sobre las características de la materia orgánica del suelo (MOS) y evaluar la importancia relativa de la calidad y cantidad de detritos incorporados en el suelo.

Razonamiento: Dado que estas especies de árboles difieren en sus características de crecimiento y composición química de tejidos, esperamos que la dinámica del carbono en el suelo sea diferente entre especies. Aunque la calidad y cantidad de detritos influencian el carbono almacenado en el suelo, esperamos que la composición química de los tejidos tenga mayor influencia que la tasa de producción de detritos, porque la tasa de descomposición variará más que la producción entre especies (Objetivo 2). Nos enfocamos en el efecto de las especies sobre la cantidad de MOS, porque la MOS influencia fuertemente la productividad de las plantas por medio de su efecto en la estructura del suelo, la capacidad de campo del suelo, capacidad de intercambio catiónico y liberación de nutrientes. En muchos suelos tropicales, la MOS es la fuente dominante de N y P disponible y la mineralización de la MOS juega un papel dominante promoviendo la fertilidad en los trópicos (Tiessen et al 1994). El error de convertir bosques tropicales en sistemas productivos permanentes esta frecuentemente asociado con la declinación de la MOS (Parton et al 1994, Woomer et al 1994).
La cantidad de MOS, de todas formas, no necesariamente se relaciona con la tasa de recambio de la MOS o la capacidad del suelo de proveer nutrientes (Sánchez & Miller 1986). Por lo tanto, nos enfocamos también en las características de la MOS, especialmente la cuantificación de fracciones aislables de C que han sido previamente definidas por su kinética. Estas fracciones proveen un método para evaluar la dinámica del carbono en el suelo que tiene consecuencias en la movilización de nutrientes del suelo y secuestro de carbono. Además, basado en su tasa de recambio, estas fracciones pueden estar relacionadas a modelos de acumulación en el programa de simulación Century MOS.

Objetivo 4: Evaluar los efectos de las características de árboles dominantes en el almacenamiento y ciclo de carbono en bosques húmedos tropicales.

Razonamiento: Los bosques tropicales de hoja ancha cubren solamente alrededor del 10% de la superficie terrestre (De Fries et al 1998), pero son muy importantes en el ciclo global del carbono. Cerca del 36 % de la producción primaria neta (PPN) terrestre ocurre en el bosque húmedo tropical (Ajtay et al 1979, Melillo et al 1993) y contiene cerca de 474 Pg de carbono orgánico en el suelo (COS), 20% del total global (Jobaggy & Jackson 2000). Aproximadamente un 42% de los boques del mundo, conteniendo aproximadamente 60% (212 Pg C) de la biomasa global forestal, está en los trópicos y subtrópicos (Dixon et al 1994). La deforestación en los trópicos, con su asociada reducción de la biomasa y almacenamiento de carbono en el suelo, contribuyen en un estimado de 1.7-2.4 Pg C a la atmósfera durante la década de los 90 (Fearnside 2000, Houghton & Hackler 2000), en contraste con un promedio de 6.2 Pg aportados por combustibles fósiles (Marland et al . 2000). Cuantificar la importancia de diferentes factores que controlan la acumulación de C y su ciclo en bosques húmedos tropicales, es importante para evaluar el efecto humano sobre los cambios ambientales.

Literatura citada:

  • Ajtay, G. L, P. Ketner and P. Duvigneaud. 1979. Terrestrial primary production and phytomass. Pages 129-181 in B. Bolin, E. T. Degens, S. Kempe and P. Ketner (editors). The Global Carbon Cycle. John Wiley & Sons, Chichester.
  • De Fries R. S., M. Hansen, J. R. G. Townshend and R. Sohlberg. 1998. Global land cover classification at 8 km spatial resolution: the use of training data derived from Landsat imagery in decision tree classifiers. Intern. J. Remote Sens. 19: 3141-3168.
  • Dixon R. K., S. Brown, R. A. Houghton, A. M. Solomon, M. C. Trexler and J. Wisniewski. 1994. Carbon pools and flux of global forest ecosystems. Science 263: 185-190.
  • Fearnside, P. M. 2000. Global warming and tropical land-use change: greenhouse gas emissions from biomass burning, decomposition and soils in forest conversion, shifting cultivation and secondary vegetation. Climatic Change 46: 115-158.
  • Houghton, R.A., and J.L. Hackler. 2000. Carbon Flux to the Atmosphere from Land-Use Changes. In Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, Tennessee, USA.
  • Jobbágy E. G. and R. B. Jackson. 2000. The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation. Ecol. Applic. 10: 423-436.
  • Marland, G., T.A. Boden, and R. J. Andres. 2000. Global, Regional, and National CO2 Emissions. In Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, Tennessee, USA.
  • Melillo J. M., D. A. McGuire, D. W. Kicklighter, B. Moore III, C. J. Vorosmarty and A. L. Schloss. 1993. Global climate change and terrestrial net primary production. Nature 363: 234-240.
  • Parton, W.J., P.L. Woomer and A. Martin. 1994. Modelling soil organic matter dynamics and plant productivity in tropical ecosystems. In: Eds. Woomer, P.L. and M.J. Swift. The biological management of tropical soil fertility. J. Wiley, Chichester, UK.
  • Sanchez, P.A. and R.H. Miller. 1986. Organic matter and soil fertility management in acid soils of the tropics. International Society of Soil Science Transactions 13th Congress 6: 609-625.
  • Tiessen, H. E. Cuevas and P. Chacon. 1994. The role of soil organic matter in sustaining soil fertility. Nature 371: 783-785.
  • Woomer, P.L., A. Martin, A. Albrecht, D.V.S. Reseck amd H.W. Scharpenseel. 1994. The importance and management of soil organic matter in the tropics. In: Eds. Woomer, P.L. and

    M.J. Swift. The biological management of tropical soil fertility. J. Wiley, Chichester, UK.
  • Young, A. 1976. Tropical soils and soil survey. Cambridge University Press, Cambridge.