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Ciencia del suelo

versión On-line ISSN 1850-2067

Cienc. suelo vol.32 no.1 Ciudad Autónoma de Buenos Aires jun. 2014

 

Comparación de métodos para determinar carbono orgánico en suelo

 

Mercedes Eyherabide1*; Hernán Saínz Rozas1,2; Pablo Barbieri1,2 & Hernán Eduardo Echeverría1

1 Unidad Integrada Balcarce: EEA INTA Balcarce - Fac. Ciencias Agrarias (UNMdP). CC. 276, (7620), Balcarce, Argentina.
2 CONICET.
* Autor de contacto: eyherabide.mercedes@inta.gob.ar.

Recibido: 30-11-12
Recibido con revisiones: 28-03-14
Aceptado: 29-03-14

 


RESUMEN

El carbono orgánico total (COT) del suelo por su efecto benéfico sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas, es considerado como uno de los principales indicadores de calidad de suelo, por lo que es necesario determinarlo con suficiente exactitud. Para algunos suelos de la Región pampeana y extrapampeana se compararon las técnicas de determinación de COT de Walkley & Black, Walkley & Black modificado y calcinación (LOI) con respecto al método de combustión seca de Dumas, tomado como referencia. Se obtuvo una alta correlación entre las técnicas de determinación de COT (r2=0,98-0,99). Se verificó el factor de corrección de 1,32, usado habitualmente en la metodología de Walkley & Black para convertir el carbono fácilmente oxidable (CFO) en COT. Se observó que la pendiente de la relación entre la MO determinada por LOI y el COT determinado por el método de Dumas (1,697) no difirió del valor de 1,724 habitualmente empleado para la conversión de COT a MO. La metodología de Dumas mostró mayor veracidad y precisión respecto de las demás técnicas de determinación de COT.

Palabras clave. Análisis de suelo, materia orgánica, oxidación húmeda, combustión, calcinación,

COMPARISON OF METHODS FOR DETERMINING SOIL ORGANIC CARBON

ABSTRACT

Beneficial effects of soil organic carbon (COT) on physical, chemical and biological properties, is considered an indicator of soil quality, so it is necessary to determine it accurately. Walkley & Black, modified Walkley & Black and ignition (LOI) with respect to the dry combustion method of Dumas were compared for some soils of the Pampean and extrapampean region. A high correlation between COT determination techniques (r2 = 0.98-0.99) was obtained. Correction factor of 1.32, commonly used in the methodology of Walkley & Black to convert readily oxidizable carbon (CFO) in COT was verified. It was observed that the slope of the relationship between the COT determined by LOI and COT determined by the Dumas method (1.697) did not differ in value from 1,724, routinely used for the conversion of COT a MO. Dumas methodology showed greater accuracy and precision with respect to other techniques for determination of COT.

Key words. Analysis of soil organic matter, wet oxidation, combustion, calcination.


 

 

INTRODUCCIÓN

La materia orgánica (MO) de los suelos comprende un amplio rango de sustancias carbonadas, incluyendo: la biomasa microbiana, restos vegetales y/o animales en descomposición y mezclas amorfas coloidales de sustancias orgánicas complejas de alto peso molecular (ácidos fúlvicos, ácidos húmicos y huminas) (Picone, 2006). Es considerada como uno de los principales indicadores de calidad de suelo debido a su efecto benéfico sobre las propiedades físicas y el abastecimiento de nutrientes. También ha sido documentado su efecto positivo sobre la sustentabilidad del sistema productivo en el largo plazo (Varvel et al. 1994), por lo que es necesario determinarla con exactitud.

Se han desarrollado una gran cantidad de técnicas analíticas que permiten cuantificar tanto el contenido de MO, como el de carbono orgánico total (COT) o el C fácilmente oxidable (CFO). El método propuesto por Walkley & Black (1934) (W&B) es el más difundido en la Argentina y consiste en la oxidación húmeda de la muestra de suelo con dicromato de potasio en medio ácido. El calor desprendido, durante la incorporación del ácido sulfúrico, es el que permite la oxidación parcial del C. En este proceso se produce una reducción del dicromato, equivalente al contenido de C que es oxidado. El dicromato residual es luego titulado con sal ferrrosa (Carreira, 2005). Este método solo estima el CFO, por lo que se utiliza un factor de corrección que varía del 63 al 86%, dependiendo del tipo de suelo y horizonte, para estimar el COT (Rosell et al., 2001; Certini et al., 2002; De Vos et al., 2007). El factor de corrección generalmente utilizado es 1,32 debido a que se asume que en promedio se oxida el 76% del COT (Rosell et al., 2001). Amacher et al. (1986), sugirió un factor de conversión de 1,41 para los suelos de Louisiana. Gasparoni (2008), en cambio, sugiere que debería utilizarse un factor de recuperación específico para cada tipo de suelo y situación. Por su parte Schlichting et al. (1995), propuso una modificación a la técnica de Walkley-Black (W&B modificado), aplicando calor externo (120 °C), lo que permitiría determinar el COT en lugar del CFO. La cuantificación de C por el método de W&B puede verse afectada por distintas interferencias, por ejemplo, presencia de iones cloruro o ferroso y óxidos de manganeso. A pesar de ello, este método es ampliamente utilizado porque requiere un equipamiento mínimo, puede adaptarse para la manipulación de gran número de muestras y no es costoso (Rosell et al., 2001). En cuanto a las desventajas, utiliza grandes cantidades de acido sulfúrico y presenta como producto de desecho tóxico al ion cromo, el cual es altamente cancerígeno. Sin embargo, si la titulación del dicromato de potasio es completa, el residuo contiene sólo cromo trivalente, no cancerígeno y de muy baja toxicidad.

El método de Dumas o de combustión seca (Grewal et al., 1991), permite determinar si el COT, es exacto y preciso (McCarty et al., 2002), pero requiere personal calificado y es relativamente costoso. Una desventaja de esta metodología es que en suelos con presencia de carbona-tos, sobrestima el contenido de COT. Para convertir el COT a MO, se utiliza el factor propuesto por Van Bemmelen de 1,724, el cual asume que el 58% de la MO está compuesta por C (Tabatabai, 1996). Sin embargo, como este contenido deriva de la composición elemental promedio de los ácidos húmicos no contempla la composición de todas las sustancias orgánicas del suelo (Ponomareva & Plotnikova, 1967). Muchos autores han cuestionado la aplicación indiscriminada de este factor (Ponomareva & Plotnikova, 1967; Ranney, 1969), demostrando que tiene alta variabilidad entre tipos de suelos y aún dentro de un mismo perfil. Galantini et al. (1994) informaron que se pueden encontrar concentraciones de C del 58% en la MO humificada y hasta del 40-42% en la MO joven o de residuos vegetales. Dado que la proporción de MO lábil o particulada/ MO humificada cambia con la textura del suelo (Diovisalvi et al., 2010) es probable que este factor cambie entre suelos.

El método de calcinación o pérdida por ignición (loss on ignition, LOI) (Schulte & Hopkins, 1996) cuantifica directamente el contenido de MO y se basa en determinar la perdida de peso de una muestra de suelo al someterla a elevadas temperaturas. Existen numerosos trabajos donde se utilizan temperaturas de ignición que van desde los 250 a los 600 °C en mufla y diferentes períodos de tiempo, desde 2 hasta 24 h (Combs & Nathan, 1998). Mitchell (1932) informó que temperaturas de ignición entre 350 y 400 °C eran adecuadas. Davies (1974) concluyó que 430 °C podría ser utilizada en suelos con presencia de carbonatos. Schulte & Hopkins (1996), para muestras de suelo de la región central del norte de los EEUU, desarrollaron el método de LOI que incluye como pretratamiento el secado a 105 °C durante 24 h y luego 2 h de ignición a 360 °C. Por otro lado, Rosell et al. (2001) y Konare et al. (2010), reportaron que temperaturas mayores a 500 ºC pueden implicar importantes errores en la determinación de MO por pérdida de dióxido de carbono de los carbonatos, agua estructural de los minerales de arcilla, oxidación del ión ferroso, descomposición de sales hidratadas y óxidos. No obstante, la técnica de LOI es propuesta como exacta y de bajo costo para determinar MO (Abella & Zimmer, 2007). Sin embargo, si se quiere estimar el COT a partir de la MO se debe utilizar el factor Van Bemmelen que como se mencionó, puede variar para distintos tipos de suelos.

Para algunos suelos de la Región pampeana y extra-pampeana, no se cuenta con información acerca de la relación entre las metodologías mencionadas para la determinación de COT, CFO y MO. Por lo tanto, para los suelos de dichas regiones se plantean como objetivos: 1) comparar las metodologías de W&B (1934), W&B modificado (Schlichting et al., 1995) y LOI, con respecto al método de combustión de Dumas, tomado como método de referencia, 2) verificar el factor de corrección 1,32 para convertir el CFO en COT, y 3) verificar la validez del factor de corrección 1,724 para convertir el COT en MO.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se recolectaron 60 muestras de suelo provenientes de las provincias de Córdoba, Corrientes y Buenos Aires (Tabla 1). Las muestras fueron tomadas de 0 a 20 cm de profundidad, secadas en estufa a 30 ºC y tamizadas por 0,5 mm. Dichas muestras no contenían carbonatos (datos no mostrados).

Tabla 1. Clasificación, textura y cantidad de muestras de suelo de los sitios evaluados.
Table 1. Classification, texture and quantity of soil samples from the sites evaluated.

Sitio

Orden

Grupo

Textura

Cantidad muestras

Balcarce

Molisol

Paleudol petrocálcico

Franca

10

Bolívar

Molisol

Hapludol éntico

Franca arenosa

8

Lobería

Molisol

Argiudol típico

Franca

6

Olavarría

Molisol

Paleudol petrocálcico

Franca

4

Tres Arroyos

Molisol

Paleudol petrocálcico

Franca

5

Tandil

Molisol

Argiudol típico

Franca

9

Villa Dolores

Molisol

Haplustol típico

Franca arenosa

9

Corrientes

Alfisol

Albacualf típico

Arcillosa

9

Fuente: INTA. 1990. Atlas de suelo República Argentina.

Para la determinación de C según W&B (combustión húmeda), a 0,5 g de suelo se le agregaron 10 mL de una solución 1 N de dicromato de potasio (K2Cr2O7) en medio ácido (20 mL de H2SO4). Luego de 45 minutos se agregó agua destilada y unas gotas de indicador ferroín (0,696 g de sulfato ferroso y 1,485 g de ortofenantrolina monohidratada en 100 mL de agua destilada). Se realizó la titulación del exceso de Cr+6 con la sal de Mohr (Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O) 0,5 N. El viraje de color del verde oscuro al rojo indica la presencia del punto final. Con esta técnica se cuantifica el CFO.

En el método de W&B modificado (combustión húmeda) a 0,25 g de suelo se le agregaró 5 mL de una solución de K2Cr2O7 en medio ácido (10 mL de H2SO4). Luego se calentó a 120 ºC por 90 minutos. En la reacción de oxidación el Cr+6 se transforma en Cr+3 y la cantidad formada de este último es equivalente al C orgánico oxidado en la reacción. La concentración del Cr+3 de color verde fue medida por espectrofotometría a ?=578 nm.

Para la determinación de COT mediante el método de Dumas (combustión seca), se pesaron 0,2 g de suelo. La combustión de la muestra se realizó a 950 °C utilizando oxígeno de alta pureza (99,9%). El producto de la combustión, CO2 es filtrado, secado y cuantificado por medio de una celda de radiación infrarroja. Se utilizó un analizador TruSpec CN (LECO, 2008). Para la calibración del equipo se utilizaron estándares de suelo certificados, provistos por la empresa Leco.

Para la cuantificación de MO por LOI (calcinación) se siguió el método propuesto por Schulte & Hopkins (1996). Se pesaron 5 g de muestra en crisoles de 15 mL, posteriormente fueron colocados en estufa durante 24 h a 105 ºC. Las muestras fueron enfriadas en desecador y pesadas. Luego se colocaron durante 2 h en una mufla a 360 ºC, posteriormente se transfirieron a un desecador y luego de enfriarse se registró el peso nuevamente. El cálculo de MO se realizó por diferencia de peso en las distintas temperaturas, según:

% MO = ((peso 105 °C - peso 360 °C )*100) / peso 105 °C

La exactitud de un método está definida por la veracidad (parámetro de posición) y la precisión (parámetro de dispersión). Se empleó un estándar interno de suelo (Leco Corp. C = 2,99g 100g-1+/- 0,06) para evaluar dichos parámetros en los métodos de W&B, W&B modificado y Dumas. Se realizaron 15 repeticiones por técnica. No se incluyó la técnica de LOI en esta evaluación, por la gran cantidad de estándar a pesar y el elevado costo que esto implica.

La veracidad indica la proximidad entre el promedio de los resultados y el valor verdadero (OAA, 2008). Se evaluó a través de la medición del sesgo (bias) (diferencia entre el valor medio observado y el valor de referencia) y de la diferencia relativa porcentual (DRP) (INTI, 2013).

La precisión es la proximidad entre los resultados de mediciones independientes. Una forma de evaluarla es por medio de la repetibilidad: precisión aplicando un mismo procedimiento, sobre una misma muestra, con el mismo operador, en intervalos cortos de tiempos, utilizando el mismo equipamiento, dentro de un mismo laboratorio (OOA, 2008). Por medio del coeficiente de variación (CV%) se evaluó la repetibilidad de los métodos.

Para comparar las medias de los porcentajes de COT cuan-tificado por los métodos de W&B, W&B modificado y Dumas (Tabla 2 ) se utilizó un diseño completamente aleatorizado y se realizó el análisis de varianza utilizando el procedimiento PROC GLM incluido en las rutinas del programa Statical Analy-sis System (SAS Institute, 1996). Cuando hubo diferencia significa entre los tratamientos se empleó el test de la diferencia mínima significativa (LSD), con un nivel de significancia del 0,05%.Para calcular el COT a partir de W&B, se multiplicaron los valores de CFO por el factor de 1,32. Se realizó análisis de correlación y regresión de los métodos y se evaluó si las regresiones diferían en pendiente y ordenada al origen con la recta 1:1, mediante la utilización de variable Dummy, al nivel de significancia del 0,05% Para comparar si las pendiente entre CFO y COT (Dumas), y LOI (calcinación) y COT (Dumas) difieren de los factores reportados por la bibliografía (1,32 y 1,724) se utilizaron los límites de confianza al 95% de dichas pendientes (SAS Institute, 1996).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las muestras se seleccionaron con el objetivo de cubrir un amplio rango de concentración de COT (0,63 a 8,99 g 100g-1). En la Tabla 2 se presentan los resultados para evaluar la veracidad y precisión de los métodos, W&B, W&B modificado y de Dumas. El método más exacto fue el de Dumas debido a que presentó el menor sesgo, DRP y CV%, resultados que concuerdan con los obtenidos por McCarty et al. (2002) y Konare et al. (2010). Si bien existen diferencias significativas entre los contenidos de COT según las técnicas, las mismas surgen como consecuencia de la baja variabilidad y por utilizar una gran cantidad de repeticiones (n=15). De todos modos, desde el punto de vista agronómico, la diferencia entre las medias son pequeñas (4 y 6% respecto del método de Dumas). Aunque, los métodos W&B y W&B modificado presentaron un CV mayor al obtenido por el método de Dumas, se consideran aceptables ya que los mismos fueron menores al 5% (Tabla 2).

Se determinó una estrecha relación (p < 0,01) entre los contenidos de CFO, COT y MO, determinados por medio de los métodos de W&B, W&B modificado y el método de LOI, con los contenidos de COT determinados por el método de Dumas (Fig. 1). En todas las regresiones de la Figura 1 se obtuvieron r2 > 0,98. Cuando se eliminaron las dos muestras (puntos) con elevado contenido de COT, no se observó diferencia significativa en los coeficientes de las relaciones ni en el r2 con respecto a los gráficos mostrados (datos no mostrados). Grewal et al. (1991) reportaron también elevados coeficientes de correlación trabajando en suelos de Nueva Zelanda de textura arenosa a arcillosa. Si bien los resultados de la Tabla 2 indican que el método de Dumas es el más exacto, aunque el más costoso, los resultados de la Figura 1 sugieren que cualquiera de las otras metodologías pueden ser usadas con elevado grado de confiabilidad.


Figura 1. Relación entre el porcentaje de: carbono fácilmente oxidable (CFO) (Walkley & Black) (a), carbono orgánico total (COT) (Walkley & Black modificado) (b), materia orgánica (MO) (calcinación, LOI) (c), y el porcentaje de COT determinado por el método de Dumas. (d) Relación entre el contenido de materia orgánica (MO) determinado por calcinación (LOI) y por el método de Dumas (valores estimados). Línea punteada equivale a la recta 1:1.

Tabla 2. Promedio (g 100g-1), desvío estándar (DS), coeficiente de variación, sesgo (%), diferencia relativa porcentual (DRP) de carbono orgánico total (estándar de referencia Leco), determinado por los métodos Walkley & Black, Walkley & Black modificado y Dumas.
Table 2. Mean (g 100g-1), standard deviation (DS), coefficient of variation (CV%), trueness (%), percent relative difference (DRP) of total organic carbon (Leco standard reference), determined by Walkley & Black, modified Walkley & Black and Dumas methods.

Método

Walkley & Black

Walkley & Black mod.

Dumas

Media (g 100g-1)

3,18*a

3,12*b

3,00*c

DS

0,04

0,07

0,03

CV (g 100g-1)

1,13

2,21

0,95

Sesgo (g 100g-1)

0,19

0,13

0,01

DRP

6,35

4,35

0,33

*Valor de Referencia del estándar Leco, Carbono (g 100g-1) = 2,99+/-0,06. *Valores seguidos por la misma letra no difieren significativamente según el test de la mínima diferencia significativa (LSD) al 5% de probabilidad.

La mayoría de las muestras utilizadas en este estudio correspondieron a suelos de textura franca (Tabla 2). La inversa de la pendiente de la relación entre el CFO determinado por la metodología de W&B y el COT determinado por el método de Dumas fue de 1,317 (Fig. 1a). Dicho valor, no difirió del factor 1,32 recomendado por Walkley & Black (1934) para convertir CFO en COT, esto se debe a que el coeficiente 1,32 se encuentra dentro del intervalo de confianza (1,26 a 1,35) con una probabilidad del 95%. Grewal et al. (1991), determinaron un factor de corrección de 1,25 para suelos de textura franco arcillosa y franco arenosa de Nueva Zelanda. Galantini et al. (1994) demostraron que para suelos de textura arenosa se oxida un mayor porcentaje del C y por ende el factor de conversión es menor que en suelos de textura más fina.

La pendiente de la relación entre el COT determinado por la metodología de W&B modificado y el COT determinado por el método de Dumas no difirió de 1 (p < 0,01); y la ordenada al origen no difirió de 0 (p < 0,05), indicando que ambas metodologías no defieren en la cuantificación de COT (Fig. 1b). Estos resultados difieren de los informados por Konare et al. (2010), para suelos de Malí (este de África), quienes indicaron que el método de combustión seca sobrestimó ligeramente la concentración de C respecto de la metodología de W&B modificado (en promedio 1,08g kg-1).

En la Figura 1c se puede observar que la pendiente de la relación entre la MO determinada por LOI y el COT determinado por el método de Dumas (1,697) no difirió significativamente del valor de 1,724 propuesto por Van Bemmelen y ampliamente utilizado para la conversión de COT a MO, debido a que este factor se encuentra dentro del intervalo de confianza (1,67 a 1,72) con una probabilidad del 95%. La inversa de la pendiente índica que la concentración de C en la MO fue de 58,9% en lugar de 58%. Desde el punto de vista agronómico esta diferencia es muy poco relevante (menos del 2%). Konen et al. (2002), utilizando este método, informaron relaciones de regresión que van desde r2 de 0,94 a 0,98, pero las pendientes de las regresiones difieren entre grupos de suelos de diferentes texturas. Cómo se mencionó, Galantini et al. (1994) reportaron que se pueden encontrar concentraciones de C desde el 58% en la MO humificada hasta 40-42% en la MO joven o restos vegetales, por lo que es probable que este factor sea mayor en suelos de textura más gruesa debido a la mayor proporción de MO jóven. En línea con estos resultados Konare et al. (2010), trabajando con suelos que en su mayoría presentaban bajo contenidos de arcilla (4 a 18%), informaron un factor de conversión de COT a MO de 2,8. Por otra parte, es conveniente aclarar que de utilizar la metodología de Dumas en suelos con presencia de carbonatos se sobrestima el contenido de C y por lo tanto, se obtendría un menor factor de conversión (Abella & Zimmer, 2007).

Cuando se estimó la MO multiplicando el contenido de COT (Dumas) por el factor de Van Bemmelen (1,724) y se relacionó con el contenido de MO (LOI), la pendiente no difirió de 1 (P<0,01) y la ordenada al origen fue diferente de cero (Fig. 1d). Estos resultados indican que la MO se puede estimar con elevada exactitud con cualquiera de las dos metodologías. Cuando se separó la población de datos en contenidos bajos (0 a 2%), medios (2 a 4%) y altos (mayor que 4%) de COT se obtuvieron ajustes similares (datos no mostrados), pero se observó que, para las muestras con contenidos de 0 al 2% de COT, las cuales provinieron de suelos de textura arenosa, el factor de conversión 1,724 no fué el más adecuado (Fig. 1d). Con lo cual, se esperaría obtener un factor de conversión de COT (Dumas) a MO mayor a 1,724 para este tipo de suelos, pero el escaso número de muestras de este trabajo no permite realizar este análisis y obtener resultados confiables. Esto sugiere que deberían realizarse estudios que determinen este factor en suelos con diferentes texturas. Abella & Zim-mer (2007), trabajando en suelos con presencia de carbo-natos determinaron una baja asociación entre estas metodologías y una pendiente menor a 1. Estos autores sugieren que el método de Dumas sobreestimó la concentración de COT en suelos con presencia de carbonatos.

Los resultados obtenidos son promisorios en vista de la no producción de residuos tóxicos del método de LOI respecto de la metodología de W&B y del menor costo comparado con el método de Dumas. Además, como el método de LOI utiliza una temperatura de 360 °C, esta metodología podría utilizase en suelos con o sin carbonatos. Sin embargo, para la conversión de MO por LOI a COT sería necesario estimar el factor para suelos de diferentes texturas.

CONCLUSIONES

Para los suelos ensayados de la Región pampeana y extrapampeana de textura franca y sin presencia de carbo-natos la metodología de determinación de COT de Dumas mostró mayor veracidad y precisión respecto de las demás técnicas evaluadas, pudiéndose utilizar como método de referencia. No obstante, se determinó una elevada asociación entre las distintas metodologías de determinación de COT, lo que habilita el uso de cualquiera de los demás métodos evaluados. Para el método de W&B se confirmó el factor de 1,32 para convertir CFO a COT. Para el método de LOI es factible utilizar el factor de 0,58 para convertir MO a COT.

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