MAPA
DIGITAL DEL CONTENIDO DE CARBONO ORGÁNICO
EN
SUELOS DE PANAMÁ[1]
José Ezequiel Villarreal Núñez[2]; Iván Alexis Ramos Zachrisson[3]
RESUMEN
El objetivo fue elaborar un mapa digital del
contenido de carbono orgánico en suelos de Panamá. Se utilizaron 837 registros
de perfiles de suelo (0-0,30 m) muestreados entre 2010 y 2015, representativos
de toda la República de Panamá y georreferenciados, así como un modelo digital
de elevación que generó 34 covariables ambientales,
utilizando el Software R y el Sistema de Información Geográfico SAGA. Con SAGA
se generaron covariables ambientales a partir del
modelo digital de elevación SRTM, para tener características del entorno. Con R
se creó un subconjunto estimando la densidad aparente por muestra, el stock de
Carbono en kg por m2 y otras covariables,
generando un nuevo subconjunto de datos. Se utilizaron los mejores cuatro
componentes derivados del Modelo Digital de Elevación (MDE) y se definió una
fórmula donde el carbono se describe como función de cuatro componentes
principales. Se ajustó un modelo lineal generalizado mediante la interpolación
regresión Kriging, resultando el mapa de carbono que
predice un stock de 308,26 Teragramos de carbono
orgánico del suelo en Panamá.
Palabras
claves:
Componentes principales, covariables, Kriging, Lenguaje R predictores.
DIGITAL
MAP OF ORGANIC CARBON CONTENT
IN SOILS
FROM PANAMA
ABSTRACT
The aim was to develop a digital map of soil organic carbon content of
Panama. A total of 837 records of soil profiles (0-0.30 m) obtained between
2010-2015 were used, being representatives of the entire Republic of Panama and
georeferenced; as well as a digital elevation model of Panama from which 34
environmental covariates were generated, using the Software R and the SAGA
Geographic Information System. With SAGA, environmental covariates were
generated from the SRTM digital elevation model, to have environmental
characteristics. With the R program, a subset was created estimating the
apparent density per sample, the Carbon stock in kg per m2 and
others covariates, thus generating a new subset of data. The best four
components derived from the Digital Elevation Model (DEM) were used and a
formula was defined where carbon is described as a function of these four main
components. Finally, a model was fitted using Kriging regression interpolation,
assuming distribution based on a generalized linear model, giving as a result
the carbon map and predicts a stock of 308.26 Teragrams
of soil organic carbon in Panama.
Keywords: Covariates, Kriging, main components, predictors, R language.
INTRODUCCIÓN
El carbono orgánico
del suelo (COS) es el carbono que permanece en el suelo después de la
descomposición parcial de materiales orgánicos, producido por los organismos
vivos y puede persistir en el suelo durante décadas, siglos o incluso milenios.
El proceso de
mineralización, al ser muy dinámico, puede ocasionar la pérdida de carbono en
forma de dióxido de carbono (CO2) o metano (CH4), siendo
emitido nuevamente a la atmósfera, por lo que es clave en el ciclo del carbono
y constituye el componente principal de la materia orgánica del suelo (MOS)
(Acevedo et al., 2021).
La materia orgánica
entre sus principales funciones contribuye con el reciclaje de nutrientes, la
estabilización de la estructura del suelo, la aireación, productividad,
infiltración, humedad y almacenamiento de agua, entre otros aspectos esenciales
que garantizan la salud, fertilidad y la producción de alimentos (Ochoa et al.,
2007; Cotler et al., 2007; Villarreal-Nuñez et al., 2013).
La pérdida de COS es
un indicador del grado de degradación del suelo, esto significa que, a mayor
contenido de COS, la calidad y salud del suelo serán mayores frente a un suelo
que presente un bajo contenido de COS (Loayza et al., 2020).
Este
carbono puede ser liberado a la atmósfera si el suelo es trabajado
inadecuadamente debido a prácticas agrícolas insostenibles. Algunas de estas
prácticas pueden ser el riego y la labranza excesiva, el sobrepastoreo, la
compactación, la pérdida de cobertura vegetal, el abuso en la aplicación de
pesticidas y fertilizantes, así como a la producción de cultivos sin considerar
la aptitud o capacidad del uso del suelo (Cotler et
al., 2007).
Por el contrario,
mediante prácticas sostenibles de gestión del suelo, que incluyen, la
fertilización, riego eficiente y controlado, cobertura orgánica, siembra de
cultivos considerando su aptitud natural y la reducción de la labranza, entre
otros, el COS puede ser preservado para mitigar la emisión de gases de efecto
invernadero (GEI) y reducir los efectos del cambio climático (Organización de
las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura [FAO], 2018).
El suelo
es el mayor sumidero de carbono puesto que a 1 m de profundad secuestra 1417 petagramos de carbono (Pg C), y a
los 2 m 2500 Pg C, es decir que almacena
aproximadamente dos veces más que la atmósfera (750 Pg
C) y la vegetación (560 Pg C) (FAO, 2002; Bert et al., 2005). La capacidad de sumidero de carbono
orgánico (COS) de los suelos agrícolas en Panamá y, en general, en el mundo
puede verse afectada por las prácticas agropecuarias insostenibles que causan
la pérdida del contenido de COS y, por ende, la degradación y erosión de los
suelos. La pérdida de COS no solo afecta a la salud y productividad del suelo,
sino que, también agrava los efectos del cambio climático. Sin embargo, no
existe un conocimiento detallado acerca de la variabilidad espacial o de las
emisiones asociadas a cambios de uso y cobertura del suelo (Scharlemann
et al., 2014).
La variabilidad espacial y temporal del contenido de COS depende de la interacción
de distintos factores formadores de suelo como la topografía, el clima, la
vegetación y el uso y manejo de la tierra, así como de otras propiedades
fisicoquímicas del suelo (Batjes, 2016).
La
cartografía digital ofrece una aproximación flexible para generar predicciones
espaciales de COS empleando los datos provenientes de descripciones de perfiles
de suelo. Estas bases de datos generalmente son una combinación de diversos
muestreos de suelo, de distintas investigaciones en diferentes periodos de
tiempo (Minasny et al., 2013; Villarreal et al.,
2013).
Actualmente con el
apoyo de la FAO se ha creado la Alianza Mundial por el Suelo (AMS) y entre sus
actividades está la de crear un mapa mundial de contenido de carbono en el
suelo. Panamá no contaba con información al respecto y con el apoyo de datos
tomados del Laboratorio de Fertilidad de Suelos del IDIAP y las técnicas
digitales de mapeo se realizó este primer cálculo de contenido de carbono de 0
- 0,30 m de profundidad para que sirva como una primera estimación nacional.
El objetivo del
trabajo fue elaborar un mapa en formato digital del contenido de carbono
orgánico en suelos de Panamá.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para la elaboración
del mapa de carbono se utilizaron 837 registros de datos obtenidos de perfiles
de suelo y barrenas (de 0 a 0,30 m de profundidad) efectuados en el periodo de
2010 a 2015 y registrados en la base de datos del Laboratorio de Suelos del
Instituto de Innovación Agropecuaria de Panamá (IDIAP), georreferenciados en
grados decimales y un modelo digital de elevación de Panamá (SRTM) a partir del
cual se generaron 34 covariables ambientales.
Se utilizó el
software: Lenguaje R versión 3.4.0 y el Sistema de Información Geográfico SAGA.
Con SAGA se generaron covariables ambientales a
partir del modelo digital de elevación SRTM, para tener características del
entorno, posiblemente responsables de las actuales propiedades del suelo,
buscando estimar el mapa de carbono con menos incertidumbre. Con el programa R
se analizó los datos, eliminando registros incompletos y creando un subconjunto
que tuviera solo las columnas o campos necesarios.
Para este
subconjunto, se estimó la densidad aparente por muestra, se calculó el almacén
o stock de Carbono en kg m2 y se concatenaron todas las covariables, creando así un nuevo subconjunto de
datos. Luego fue convertido a puntos
espaciales, se le asignó el Sistema de Coordenadas de Referencia de las covariables (CRS) y se recortó a los límites de nuestro
país, con lo que se obtuvo la matriz para los cálculos.
Una correlación entre
las covariables (posibles predictores) y el Carbono,
permitió observar que existen muchos predictores parecidos entre sí
(redundantes), por lo que se utilizó el método de componentes principales. Se
utilizaron los mejores cuatro componentes derivados del Modelo Digital de
Elevación (MDE) y fue definida una fórmula donde el carbono se puede describir
como una función de esos cuatro componentes principales. La ecuación utilizada
fue la siguiente:
COSreserva=
p * DA * (Ctotal – Cmineral)
* FCpd
Donde:
COS = reserva de COS (kgm2)
Ctotal y
Cmineral = Contenido total y mineral (o inorgánico)
de C (gg-1) a considerar para suelos calcáreos y así la combustión
seca ocurre normalmente a altas temperaturas (de lo contrario Ctotal = Cmineral)
P
= profundidad del horizonte
DA =
Densidad aparente (kgm-3)
FC =
Factor de corrección de pedregosidad (1 - %
piedras/100)
Finalmente, se ajustó
un modelo mediante la interpolación regresión Kriging,
asumiendo una distribución Gaussiana basada en un modelo lineal generalizado.
Convertido a imagen tipo Raster se obtuvo el mapa
digital predictivo de COS en suelos de Panamá.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se
elaboró un mapa para mostrar la localización y distribución aproximada de los
837 datos de COS obtenidos en trabajos realizados previamente por el IDIAP y
almacenados en la base de datos del Laboratorio de Fertilidad de Suelos del
IDIAP (Figura 1).
Para predecir el COS
con la mayor exactitud se correlacionaron 34 covariables
ambientales. Obteniéndose correlaciones positivas entre el COS con covariables relacionadas con precipitación (r2>0,78),
topografía (pendiente del terreno y elevación) (r2>0,69;
>0,72, respectivamente), radiación potencial (r2>0,53), sensoramiento remoto basado en índice de vegetación (r2>0,51)
y correlaciones negativas entre COS y evapotranspiración (r2
>-0,62), variabilidad espacial (r2>-0,55) y variables relacionadas
con la temperatura (r2>-0,59) siguiendo la metodología empleada
por Guevara et al. (2018).
Se encontró que los
suelos de Panamá tienen una reserva total de 308 Tg
de COS, lo que considerando la extensión territorial de Panamá (75,512 km2),
representa aproximadamente 4,08 t km-2 (Figura 2).
El mapa muestra que
la región conocida como tierras altas hacia la frontera con Costa Rica, con
suelos de origen volcánico, posee la mayor reserva de COS en el país y sigue a
través de la cordillera central (Figura 2). Igualmente, se puede apreciar
elevadas reservas en la cuenca del Canal de Panamá, en Darién, frontera con
Colombia, que posee una gran reserva forestal, sin embargo, las zonas agrícolas
ubicadas en la región central del país presentan baja reserva de COS.
La zona central del país se
caracteriza por tener suelos ácidos en su mayoría pertenecientes al orden ultisol, pobres en materia orgánica, pH ácido a muy ácido.
Además, es una zona donde se práctica la ganadería y agricultura extensiva. Con
pocas excepciones, son suelos mal manejados sometidos a la acción de
monocultivos, quemas constantes, mal uso de los agroquímicos, aplicación de
pocas prácticas de conservación de suelos (Villarreal et al., 2013).
La mayor reserva de COS se localiza en los suelos de
origen volcánico, en la región denominada de Tierras Altas en la provincia
fronteriza con Costa Rica (Figura 2). Estos suelos poseen una capa orgánica
profunda comparado con el resto del país (Villarreal et al., 2013), sin
embargo, reciben un manejo con prácticas poco apropiadas, como dosis excesivas
de agroquímicos, malas prácticas de preparación y casi nulo empleo de prácticas
de conservación de suelos (Herrera et al., 2021). Sin embargo, se puede notar,
en la actualidad, el surgimiento de movimientos y agrupaciones de productores
que practican una agricultura más ecológica ayudando a conservar sus suelos,
minimizando las pérdidas por erosión, consecuentemente mejorando la calidad de
sus cosechas (Santamaría y González, 2017).
En algunas
áreas del país muy alejadas o montañosas, representados como zonas con mayor
incertidumbre coinciden con las áreas donde no se pudo tomar muestras o que
cuentan con una baja representatividad. Lugares como la península de Azuero,
Chiriquí y la región central de Panamá, aparecen con una baja incertidumbre,
por la alta representatividad del muestreo (Figura 3).
Respecto
a la incertidumbre el mapa resultante indica que el error fue bajo (< 0,5)
en aquellas zonas donde se contaba con un mayor número de muestras
representativas de suelo, como por ejemplo el caso de la región de Azuero,
Veraguas, Chiriquí, Panamá Oeste. Por el contrario, fue más elevado (> 2,0 a
2,5) en áreas de difícil acceso como la frontera de Panamá con la República de
Colombia, la Comarca Guna Yala,
isla de Coiba, norte de la Comarca Ngäbe Buglé, donde el volumen de
muestras representativas era muy bajo o casi nulo (Figura 3).
En
general el 85% de las zonas productivas (zona central y occidental del país,
cuenca del Canal de Panamá) estuvo bien representada. Según Vargas et al.
(2017) la cuantificación de la incertidumbre en las estimaciones de reserva de
COS debe considerarse como prioritaria para evitar sesgos, subestimaciones y
sobreestimaciones en los cálculos.
Este
trabajo arroja información importante para facilitar la formulación de
políticas públicas relacionadas con estrategias de mitigación del Cambio
Climático y manejo sostenible del recurso suelo.
La
información suministrada representa un primer paso para recomendar un uso racional
del suelo en áreas muy afectadas por sequías, zonas vulnerables al cambio
climático o suelos muy degradados por el uso constante y mal manejo. A la vez,
para propiciar leyes e incentivos que estimulen a los productores al empleo de
prácticas agroecológicas en sus suelos de tal manera que se pueda ir
recuperando su capa orgánica y mejorando las propiedades biológicas, físicas y
químicas de estos.
CONCLUSIONES
·
El mapa predictivo de
contenido de carbono orgánico del suelo de la República de Panamá es un logro
muy importante, realizado con el apoyo de la Alianza Mundial por el Suelo de la
FAO.
·
Este mapa ofrece
información valiosa para los tomadores de decisiones, al igual que para
investigadores, estudiantes y técnicos agrícolas y ambientales que deseen
planificar la recuperación de zonas degradadas e incentivar prácticas
agroecológicas de conservación de suelos en el país.
·
Representa un primer esfuerzo para
estimar las existencias de COS de 0 a 0,30 m en Panamá.
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