NOTA TÉCNICA

Comparación de dos métodos de fraccionamiento físico de la materia orgánica del suelo

Alicia Irizar¹; Adrián Andriulo¹; Diego Cosentino² & Catalina Améndola¹

¹ EEA INTA Pergamino. Ruta 32 km 4,5. CP: 2700. Pergamino. Argentina. Correo electrónico: airizar@pergamino.inta.gov.ar
² Facultad de Agronomía, (UBA), INBA (CONICET).

Recibido: 03-09-10
Aceptado:10-03-10

RESUMEN

Se compararon las concentraciones de carbono orgánico particulado (COP) y carbono sobrenadante (Cs) obtenidas por los métodos de fraccionamiento granulométrico (fracción > 53 µm) y densimétrico (densidad de licor: 2 g cm^-3), respectivamente, utilizando el análisis de regresión. Las muestras de suelo fueron tomadas de un ensayo de larga duración ubicado en la EEA-INTA Pergamino que compara cuatro secuencias de cultivo y dos sistemas de labranza. Los dos métodos estuvieron lineal y positivamente correlacionados para las profundidades 0-5 y 5-10 cm y las ordenadas al origen no difirieron de cero, indicando que ambos estimaron el carbono lábil de manera similar. Debido a que las pendientes no fueron distintas de uno, las diferencias entre los dos métodos fueron constantes en todo el rango de carbono lábil medido. Para la profundidad 10-20 cm, no hubo correlación y las concentraciones de Cs fueron superiores y menos variables que las de COP. La densidad del licor utilizada puede explicar la obtención de cantidades similares o superiores de Cs con respecto a COP, debido a una contribución importante del complejo órgano-mineral a la fracción sobrenadante.

Palabras clave. Fraccionamiento granulométrico; Fraccionamiento densimétrico; Materia orgánica lábil.

Comparison of two physical fractionation methods for soil organic matter

ABSTRACT

Regression analysis was used to compare particulate organic carbon (COP) and light carbon (Cs) concentrations obtained by size (fraction > 53 µm) and density fractionation (liquor density = 2 g cm^-3) methods, respectively. The soil samples were taken from a long-term experiment located at the EEA-INTA Pergamino comparing four cropping sequences and two tillage systems. Both methods were linearly and positively correlated to depths of 0-5 and 5-10 cm and the y-intercept did not differ from zero, indicating that both methods resulted in a similar estimate for labile C. As the slopes did not different from unity, the differences between the two methods remained constant throughout all the labile range measured. There was no correlation for a depth of 10-20 cm, and Cs concentrations were higher and less variable than those of COP. The liquor density used might explain the obtention of similar or greater amounts of Cs than of COP because of the important contribution of the organomineral complex to the light fraction.

Key words. Particle-size fractionation; Density fractionation; Labile organic matter.

INTRODUCCIÓN

El término materia orgánica del suelo (MOS) representa un compartimento extremadamente heterogéneo que abarca tanto azúcares muy simples, como productos recalcitrantes, surgidos de transformaciones microbianas. Presenta un grado de evolución continuo que va desde material grosero (conserva la estructura del vegetal original) hasta humus (material orgánico transformado con características propias). Debido a su composición extremadamente heterogénea, la comunidad científica internacional recomienda que los esfuerzos de investigación se focalicen en la cuantificación de las fracciones lábiles (Christensen, 2001) que guarden una estrecha relación con la productividad del suelo y que sean capaces de cambiar rápidamente frente a alteraciones en el manejo de los ecosistemas. La fracción lábil MOS está compuesta por restos de plantas, recientemente incorporadas, animales y desechos microbianos con un tiempo de reciclado menor a una década (Trumbore, 1993; Buyanovsky et al., 1994).

Existen diversas metodologías para la separación de la fracción lábil del carbono del suelo. Se han utilizado procedimientos químicos (Feller & Beare, 1997; Schnitzer, 2000), biológicos (Jenkinson & Powlson, 1976; Anderson & Dormsch, 1990), físicos (Richter et al., 1975; Balesdent et al., 1991; Cambardella & Elliott, 1992), isotópicos (Balesdent et al., 1988; Andriulo et al., 1999) o algunas de sus combinaciones. En consecuencia, cada método obtiene fracciones de características propias.

Los métodos de fraccionamiento físico de la MOS, sean por densidad o por tamaño de partículas, son simples, rápidos, sensibles y menos destructivos que los métodos de fraccionamientos químicos (Galantini, 2008). Debido a que las fracciones lábiles de la MOS varían rápidamente frente a los cambios en las prácticas de manejo (Janzen et al., 1992; Hassink et al., 1997), numerosos trabajos de investigación han aislado físicamente y caracterizado estas fracciones para evaluar el efecto que producen el uso de la tierra (Quiroga et al., 1995; Fabrizzi et al., 2003; Dubeux et al., 2006), los diferentes sistemas de labranza (Bayer et al., 2002; Moraes Sá & Lal, 2009; Dominguez et al., 2008), las distintas secuencias de cultivo (Morón et al., 2004; Apesteguía, 2005; Zotarelli et al., 2007) y la fertilización nitrogenada (Diekow et al., 2005; Andriulo et al., 2008). Además, el fraccionamiento físico de la MOS puede contribuir a la validación de modelos conceptuales, en especial si son combinados con mediciones de carbono (C) de la biomasa microbiana, técnicas isotópicas o estudios de mineralización (Bonde et al., 1992). La fracción de la MOS separada físicamente está compuesta por una mezcla de restos de plantas, animales y microorganismos en diferentes estados de descomposición, incluyendo, polen, esporas, semillas y fitolitos (Gregorich et al., 2006). Esta mezcla heterogénea hace que su composición sea muy variable y sea considerada un pool intermedio entre los residuos frescos de los cultivos y la MOS estabilizada.

El fraccionamiento densimétrico se basa en que la fracción liviana o sobrenadante de la MOS es más lábil y reactiva que los minerales del suelo y los complejos órgano-minerales. Debido a que las partículas del suelo presentan un amplio rango de densidades, es muy difícil separar una fracción homogénea (Gregorich et al., 2006). Los líquidos utilizados para realizar el fraccionamiento densimétrico son tetrabromoetano, bromoformo etanol, tetracloroetano, soluciones de sales inorgánicas como el ioduro de sodio y el politungstato de sodio y suspensiones estables de sílica (Monnier et al., 1962; Richter et al., 1975; Meijboom et al., 1995; Galantini, 2008).

El fraccionamiento granulométrico se basa en que la MOS está asociada con partículas de diferentes tamaños, que difieren en composición mineralógica, estructura y función (Christensen, 1992). Mientras la fracción arena presenta afinidades débiles con la MOS, las arcillas y los limos presentan numerosos sitios reactivos donde la MOS se adsorbe fuertemente (Lützow et al., 2007). Por lo tanto, la fracción de la MOS del tamaño de la arena se considera más lábil que aquella del tamaño del limo y las arcillas (Hassink et al., 1997).

El fraccionamiento ideal de la MOS consistiría en separar físicamente los compuestos que forman los complejos órgano-minerales de las otras fracciones (restos vegetales, biomasa microbiana, etc.), sin recurrir a extracciones químicas selectivas. Debería ser igualmente efectivo para todos los suelos y las fracciones obtenidas deberían estar definidas lo mejor posible, con la misma cantidad de impurezas (Andriulo et al., 1991). Ningún método ha alcanzado estos objetivos completamente.

Gregorich et al. (2006) revisaron los resultados obtenidos por ambos métodos, utilizando información proveniente de 65 estudios de suelos bajo agricultura. Sin embargo, en nuestra región, donde predominan minerales livianos en el complejo órgano-mineral (Pecorari et al., 1990; Cosentino & Pecorari, 2002) éstos no han sido sistemáticamente comparados para comprobar si fraccionan la MOS de igual manera y si resultan similarmente sensibles frente a cambios provocados por el uso y manejo del suelo. El objetivo del presente trabajo fue comparar las concentraciones de C lábil obtenidas por dos métodos de fraccionamiento físico, utilizando una base de datos proveniente de un ensayo de larga duración con cuatro secuencias de cultivo y dos sistemas de labranza.

MATERIALES Y MÉTODOS

El ensayo utilizado para este estudio se encuentra localizado en la EEA Pergamino de INTA, ubicada a 33º 51' S y 60º 40' O. El clima es templado húmedo, siendo la precipitación media anual de 946 mm y la temperatura media anual de 16,4 ºC. El suelo corresponde a un Argiudol Típico de textura franco limosa de la serie Pergamino sin fases por erosión, con pendiente < 0,5% (INTA, 1972). Los valores medios de arcilla y limo del horizonte Ap fueron de 23 y 58%, respectivamente.

Los tratamientos incluidos en este trabajo forman parte de una experiencia más amplia que estudia el impacto ambiental de cinco sistemas de laboreo, cuatro secuencias de cultivo, dos niveles de fertilización nitrogenada y dos cultivos antecesores sobre los diferentes compartimentos del ambiente (suelo, agua, aire) y sobre la biodiversidad. Los tratamientos evaluados fueron siembra directa (SD) y labranza vertical (LV) con aplicación de fertilizante nitrogenado en dos bloques de cada una de las cuatro secuencias de cultivo (maíz-trigo/soja; trigo/soja, monocultivo de maíz y de soja) luego de 25 años de agricultura continua. La labor principal bajo LV se realizó con un arado de cincel a 0-15 cm de profundidad y las labores secundarias se realizaron con rastras de discos y de dientes en el espesor 0-10 cm. El control de malezas en SD se realizó químicamente utilizando glifosato.

Las muestras de suelo fueron tomadas en junio de 2004 a tres profundidades: 0-5, 5-10 y 10-20 cm. Se eligieron al azar 4 sitios de submuestreo en cada uno de los tratamientos. Las muestras extraídas fueron secadas en estufa y tamizadas por 2 mm. Las propiedades edáficas estudiadas fueron: COP (Cambardella & Elliott, 1992) y Cs (Richter et al., 1975).

En el método original de Cambardella & Elliott (1992) se reemplazó la dispersión química por la mecánica mediante la agitación en agua con bolitas de vidrio (Bruckert et al., 1978; Feller, 1979; Andreux et al., 1980), luego de haber comparado los resultados del fraccionamiento con ambos tipos de dispersión (química vs. mecánica) y diferentes tiempos de agitación (cinco horas vs. toda la noche). Se pesaron 40 g de suelo y se agregaron 200 mL de agua destilada y 5 bolitas de vidrio. La agitación fue de 5 horas a 40 rpm. El tamizado se realizó con un tamiz de 53 µm de diámetro de malla haciendo movimientos de vaivén hasta que el agua de salida a través del mismo resultase límpida. Se recogió la fracción > 53 µm, se la secó en estufa a 105 ºC hasta peso constante, se pesó y se le determinó C por combustión seca, utilizando un analizador de C marca LECO (Tabla 1). A esta fracción de C se la llamó COP.

Tabla 1. Descripción de los métodos de fraccionamiento granulométrico y densimétrico.
Table 1. Description of size and density fractionation methods.

En el método de fraccionamiento densimétrico se pesaron 0,5 g de suelo tamizado por 0,5 mm y se agregaron 8 mL de solución de bromoformo etanol con una densidad de 2 g cm^-3, sugerida por los autores del método para determinaciones de rutina. Se agitó manualmente durante un minuto y luego se centrifugó a 3.000 rpm durante cinco minutos. Se filtró el sobrenadante utilizando un papel de fibra de vidrio de 1 cm de diámetro y posteriormente se realizaron cuatro lavados con alcohol y cuatro con agua destilada. Finalmente, a la fracción sobrenadante recogida se le determinó C por el método de combustión húmeda (Tabla 1).

Para comparar los dos métodos de fraccionamiento físico de MOS se utilizó el software Reduced Major Axis Regression (RMA) (Bohonak, 2004). Este análisis es más apropiado que el análisis común de regresión de cuadrados mínimos cuando ambas variables, x e y, son independientes y medidas con error (Sokal & Rohlf, 1981). Se establecieron las relaciones funcionales entre el fraccionamiento granulométrico y el densimétrico, y se determinaron los parámetros de dichas relaciones. Se probó si la ordenada al origen era significativamente distinto de cero y si la pendiente era significativamente distinto de uno (p<0,05) (Webster, 1997; Balabane & Plante, 2004).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La Figura 1 muestra las relaciones obtenidas entre ambos métodos de fraccionamiento físico de la MOS a tres profundidades de suelo distintas. Los dos métodos estuvieron correlacionados positivamente para las profundidades 0-5 (r = 0,59) y 5-10 (r = 0,34) cm. Sin embargo, no hubo correlación para la profundidad 10-20 cm. El análisis de las relaciones funcionales entre los métodos, mostró que las ordenadas al origen no difirieron significativamente de cero (p = 0,21 y p = 0,06 para 0-5 y 5-10 cm, respectivamente), indicando que ambos métodos estimaron el C lábil de igual manera. Adicionalmente, debido a que las pendientes no fueron significativamente distintas de 1 (p = 0,18 y p = 0,34 para 0-5 y 5-10 cm, respectivamente), las diferencias entre los dos métodos se mantuvieron constantes independientemente del nivel de C de la fracción lábil. Si bien existió buena correlación entre ambos métodos de fraccionamiento y éstos midieron el mismo tamaño de la fracción lábil de C, no puede decirse que miden la misma fracción lábil porque no se contó con información más detallada sobre la calidad de dicha fracción (por ej. N lábil, espectro del ¹³C por resonancia magnética nuclear - NMR - al estado sólido, resonancia de spin electrónico - ESR, presencia de lignina).

Figura 1. Relaciones funcionales entre Cs y COP obtenidas de datos provenientes de un ensayo de larga duración que compara cuatro secuencias de cultivo y dos sistemas de labranza
Figure 1. Functional relations between Cs and COP obtained from the data of a long-term experiment comparing four cropping sequences and two tillage systems

La información proveniente de 65 estudios de suelos bajo agricultura que no incluyó a suelos pampeanos mostró que los valores medios de COP (21,6% de COS) eran más elevados que los de Cs (7,5% de COS), utilizando un tamiz de 53 µm y una densidad de licor < 1,9 g cm^-3, para los fraccionamientos granulométrico y densimétrico, respectivamente (Gregorich et al., 2006). La cantidad obtenida de Cs es muy sensible a la fluctuación en la densidad del líquido, indicando que la elección de la densidad y su ajuste durante el proceso, son factores críticos para el resultado del fraccionamiento densimétrico (Christensen, 2001). En nuestro estudio, que ambos métodos hayan determinado el mismo contenido de la fracción lábil pudo deberse a la mayor densidad de licor utilizada (2 g cm^-3). Richter et al. (1975) obtuvieron el doble de concentraciones de fracciones lábiles, con densidades comprendidas entre 1,9 y 2 g cm^-3 con respecto a densidades comprendidas entre 1,6 y 1,9 g cm^-3. Este aumento de la concentración se debe a la incorporación de mayores cantidades de complejos órgano-minerales (Galantini & Suñer, 2008). Además, en nuestro caso, al utilizarse suelos de pradera de gramíneas hay una elevada presencia de fitolitos o minerales de baja densidad en su fracción limo fino (30% de la fracción de limo fino del horizonte A) (Pecorari et al., 1990; Cosentino & Pecorari, 2002). Éstos tienen una densidad < 2,30 g cm^-3, y su inclusión en la fracción lábil podría estar incrementando el contenido de Cs obtenido. Por lo tanto, en la fracción lábil obtenida por separación densimétrica puede existir una cantidad relativamente importante de fracción de MOS unida a la fracción mineral.

La presencia de residuos recientes y/o pocos transformados generalmente disminuye con la profundidad del suelo, particularmente bajo SD o debajo de la profundidad de laboreo. Por lo tanto, en el espesor 10-20 cm, es esperable encontrar valores más bajos de C lábil que en el espesor 0-10 cm. Esto puede observarse en la Figura 1: en 10-20 cm los valores encontrados se situaron entre 0,4 y 1,6 g kg^-1 y entre 0,7 y 5,8 g kg^-1 en 0-10 cm. En el espesor 10-20 cm, los valores medios de Cs fueron superiores y menos variables que los respectivos valores medios de COP (1,2 ± 0,2 vs. 0,8 ± 0,2 g kg^-1, para Cs y COP, respectivamente). La mayor variabilidad observada en los valores de COP se corresponde con posibles diferencias atribuidas a los sistemas de labranza y secuencias de cultivo: en monocultivo de maíz bajo LV existieron 4 valores entre 1,2 y 1,4 g kg^-1, lo cual puede indicar una elevada presencia de complejos órgano-minerales y poca sensibilidad frente a posibles cambios de manejo del método de fraccionamiento densimétrico.

Por otro lado, dos diferencias importantes que pueden afectar los resultados entre ambas metodologías residen en:

-  el método de determinación del C lábil. Para Cs se utilizó combustión húmeda y para COP combustión seca. Es sabido que con la metodología de la combustión húmeda se subestima el C a medida que su contenido disminuye (Miglierina, 1991),

-  el tamaño de partículas de partida de ambos métodos. En el fraccionamiento granulométrico la muestra de suelo se tamizó por 2 mm mientras que en el densimétrico por 0,5 mm. En este último se podría estar subestimando COS lábil ocluido en agregados o libre del tamaño 0,5-2 mm.

Los resultados encontrados justifican la necesidad de continuar con los estudios de comparación de resultados de fraccionamiento. Particularmente para el método de fraccionamiento densimétrico, sería interesante probar el efecto de la disminución de la densidad del licor sobre el tamaño de Cs resultante, realizando la determinación de C de la fracción sobrenadante por combustión seca en analizador de C y utilizando el tamiz de 2 mm para la obtención de la muestra inicial. Además, realizar la determinación de N lábil por los dos métodos enriquecería la discusión sobre la calidad de las fracciones obtenidas. Por otro lado, la comparación con métodos de fraccionamiento biológico (C y N de la biomasa, respiración basal, N potencialmente mineralizable), que separan fracciones biológicamente activas, puede dar información de utilidad sobre la funcionalidad de los compartimentos de C lábil obtenidos por fraccionamiento físico.

Entre los problemas frecuentemente encontrados al utilizar fraccionamiento granulométrico pueden enumerarse:

-  el material orgánico puede ser fragmentado por procesos como el secado, la molienda, el humedecimiento o rehumedecimiento durante el tamizado en agua (Gregorich et al., 2006),

-  la cantidad de energía utilizada para la dispersión del suelo y el lavado del C soluble durante el tamizado en húmedo afecta la cantidad obtenida de COP (Magid & Kjaergaard, 2001),

-  la separación de fracciones, al resultar altamente dependiente del operador (Magid et al., 1996),

-  la gran diferencia del tamaño de la fracción arena, entre tamices de igual tamaño de malla pero distinto origen.

Sin embargo, el fraccionamiento granulométrico es sencillo y poco costoso en términos de materiales y labor (Gregorich et al., 2006). Por ello, y en base a los resultados obtenidos en este trabajo, se lo recomienda para estudios similares.

CONCLUSIÓN

Bajo las condiciones de este estudio, ambas metodologías estimaron el mismo tamaño de fracción de C lábil en el espesor 0-10 cm. En el espesor 10-20 cm los resultados de ambos métodos no se relacionaron entre sí y el fraccionamiento densimétrico mostró ser menos sensible que el fraccionamiento granulométrico frente a los cambios de manejo. Además, debido a la elevada densidad del licor utilizada, el fraccionamiento densimétrico probablemente midió una cantidad relativamente importante de COS unido a la fracción mineral, sobreestimando la fracción lábil de C. Por otro lado, el tamaño de la muestra inicial y la metodología para la determinación de C son dos factores que deben ser tenidos en cuenta cuando se comparan dichas metodologías de fraccionamiento.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al personal del Laboratorio de Gestión Ambiental de Suelos y Aguas de la EEA Pergamino de INTA, por su colaboración en los fraccionamientos físico y en los trabajos de campo.

Trabajo financiado con fondos del proyecto Foncyt, PICT 2004 Nº 21078.

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