Efectos del clima, cobertura vegetal y fisicoquímica del suelo en la oxidación de metano en ecorregiones de Argentina
Authors: Ezequiel Terán 
Published: December 2024

Los gases de efecto invernadero (GEI) son componentes minoritarios de la atmósfera. Sin embargo, su influencia sobre la temperatura media de la Tierra es de vital importancia para sostener la biota del planeta. Desde el comienzo de la utilización de los combustibles fósiles como fuente de energía, ciertos GEI comenzaron a acumularse en la atmósfera, incrementando la temperatura media del planeta y poniendo en peligro el equilibrio de los ecosistemas naturales y también la producción de materias primas, mediante el cambio climático global (CC). El metano (CH4) es un GEI de importancia, no sólo por su potencial de calentamiento global 27 veces superior al del dióxido de carbono (CO2), sino también debido a que sus fuentes antropogénicas están estrechamente ligadas a actividades productivas esenciales para el desarrollo socioeconómico, como la producción de alimentos, la utilización de la energía y la disposición final de residuos sólidos. El CH4 puede ser extraído de la atmósfera mediante procesos fotoquímicos y oxidativos en la estratósfera y en la troposfera, y por oxidación biológica en el suelo, que se lleva a cabo por la acción de bacterias metanótrofas, siendo su aporte responsable del 7 % de la oxidación total de CH4 en la Tierra. Entender la dinámica del CH4 en el suelo y las condiciones en que la oxidación de CH4 se maximiza, resulta de gran relevancia a la hora de desarrollar estrategias de adaptación y mitigación del CC. La tasa de oxidación de CH4 (TOM) es un parámetro que se obtiene en laboratorio a partir de una muestra de suelo de interés, que permite estimar la capacidad que tiene el suelo de oxidar CH4 biológicamente, minimizando la influencia de los procesos difusivos del gas en el suelo. La técnica de la TOM se ha aplicado en suelos de distintas partes del mundo desde principios de la década de 1990. Dentro de la matriz económica y productiva de Argentina, el sector Agricultura, ganadería, caza, silvicultura y pesca aporta cerca de un 10% al PIB Nacional, es el segundo mayor emisor de GEI (39%), y el mayor en emisiones de CH4 y óxido nitroso (N2O), con importantes aportes de CO2. Los antecedentes de investigaciones de la dinámica del CH4 en el suelo de Argentina se basan en la medición de flujos de CH4 en la interfase suelo-atmósfera, en donde el conocimiento de la TOM se conformaría como un insumo necesario para explicar las diferencias entre sitios o en el tiempo. Por tal motivo, se realizó un relevamiento a nivel global de investigaciones científicas en las que se ha aplicado la técnica de TOM, para conocer la distribución geográfica de tales estudios, y los parámetros de mayor relevancia experimental de la técnica a fin de determinar la metodología a aplicar para que los resultados puedan ser comparables. En este mismo marco, se determinó la TOM en distintas profundidades de suelo en un sitio con clima templado, que contaba con dos parcelas bajo distinta cobertura vegetal (natural, pastizal; antrópica, forestación), durante un ciclo anual, para determinar la magnitud de la influencia de la cobertura vegetal, identificar el efecto de la profundidad del suelo sobre las TOM, y definir el momento climático donde se producen las TOM máximas y mínimas. Finalmente, se estimó TOM en sitios con distintos climas (subtropical seco, templado seco, templado inundable, y frío) teniendo en cuenta también la modificación antropogénica de la cobertura vegetal, la profundidad del suelo, y el momento climático, para definir la existencia de factores modeladores de TOM a nivel geográfico. Se halló que las mediciones de TOM se concentran en regiones templadas del hemisferio norte, particularmente en Europa y Estados Unidos, siendo África y América del Sur las regiones menos estudiadas. Por otro lado, el análisis de las metodologías llevadas adelante indican la ausencia de una estandarización de la técnica de medición de TOM, lo que puede generar problemas a la hora de comparar resultados. Los parámetros más utilizados a la hora de normalizar los ensayos suelen ser el contenido de agua del suelo, la temperatura y la concentración de CH4 en la atmósfera de cultivo, siendo además de interés la normalización de la relación entre la masa de suelo y el volumen de la cámara de cultivo. Es por tal motivo que se propuso un protocolo base para la estimación de la TOM de suelos aireados en ensayos de laboratorio. De la determinación de TOM en un sitio templado durante un ciclo anual (sierras de Tandil, prov. de Buenos Aires), se obtuvo que la TOM en la parcela con cobertura forestal (Pinus radiata spp.) fue 1,9 veces superior a la estimada en la parcela con cobertura de pastizal natural, siendo tal diferencia marginalmente atribuible a la modificación de las condiciones fisicoquímicas del suelo provocadas por el cambio antrópico de la cobertura vegetal. El seguimiento bimensual de la TOM en ambas parcelas permitió además identificar una variación temporal de la TOM, con máximos en la temporada estival y mínimos en la invernal. Se halló que la TOM varía en el perfil de suelo, siendo máxima entre los 5-10 cm y 10-15 cm de suelo en profundidad, en la forestación y el pastizal, respectivamente. Por lo tanto, nuestros resultados indican que el efecto del cambio de cobertura vegetal puede incrementar la magnitud de la TOM en un sitio con clima templado, es posible hallar una región por debajo de la superficie del suelo en la que la TOM encuentra su máxima magnitud y la variación climática estacional puede ser un agente modelador de la TOM en un suelo no saturado. Analizado la TOM en distintas ecorregiones, se determinó que las mayores TOM se producen en el noroeste de la Estepa patagónica, y las menores en el Espinal. En la totalidad de los sitios de estudio, se observó que las mayores TOM se presentan en los primeros 20 cm de profundidad. Aunque no se encontraron variaciones significativas en las TOM en cuanto a la variación climática estacional, se determinaron relaciones lineales entre las TOM invernales y estivales tanto en parcelas con cobertura natural como modificada. El cambio de la cobertura vegetal puede incrementar o disminuir la TOM de un determinado sitio de estudio, presentando incluso sentidos diferentes de variación (incrementos, decrementos en sitios naturales o en los antropizados) en la temporada estival e invernal. Sin embargo, tales variaciones sólo se correlacionaron con la humedad del suelo únicamente en los sitios caracterizados por regímenes hídricos particularmente húmedos (Delta) y áridos (Estepa patagónica). A escala geográfica, la variación de TOM se correlacionó con la textura del suelo y el clima de las distintas ecorregiones, generando así un gradiente geográfico. En conclusión, durante el desarrollo de esta tesis se realizaron mediciones en siete diferentes ecorregiones de Argentina, convirtiendo al país en la mayor fuente de datos de TOM en América Latina. De esta manera, se aporta al conocimiento general teniendo en cuenta que la gran mayoría de casos provienen del hemisferio norte. Se definió un protocolo base para la obtención de determinaciones de TOM que tiene el potencial de facilitar la comparación de datos provenientes de distintos sistemas del mundo para la generación de modelos predictivos. Se hallaron variaciones estacionales de las TOM durante un ciclo anual y se identificaron zonas de máxima oxidación de CH4 entre los 5 y 15 cm de profundidad en una zona templada de Argentina. Se demostró que el cambio de uso de suelo o de cobertura vegetal puede afectar la TOM no siempre conservando el mismo sentido, sino que depende de las condiciones ambientales de los sitios. Se determinó que la mayor oxidación de CH4 ocurre en los primeros 20 cm del suelo y que luego decrece a medida que se incrementa la profundidad del suelo. Se hallaron correlaciones entre la TOM y los factores climáticos de distintas ecorregiones de Argentina, así como también con la textura del suelo.
Greenhouse gasses (GHG) are minor components of the atmosphere. However, their effect on Earth's average temperature is vital for sustaining the planet's biota. Since the onset of using fossil fuels as an energy source, certain GHG have been accumulating in the atmosphere, raising the planet's average temperature and endangering the balance of natural ecosystems as well as the production of raw materials through global climate change (CC). Methane (CH4) is an important GHG, not only due to its global warming potential, which is 27 times greater than carbon dioxide (CO2), but also because its anthropogenic sources are closely linked to productive activities that are essential for socioeconomic development, such as food production, energy use, and solid waste disposal. CH4 can be removed from the atmosphere through photochemical and oxidative processes in the stratosphere and troposphere, and through biological oxidation in the soil, conducted by methanotrophic bacteria, accounting for 7% of the total CH4 oxidation on Earth. Understanding the dynamics of CH4 in soil and the conditions under which CH4 oxidation is maximized is of great relevance when developing CC adaptation and mitigation strategies. The methane oxidation rate (TOM) is a parameter obtained in a laboratory from a soil sample of interest, allowing the estimation of the soil's capacity to oxidize CH4 biologically while minimizing the influence of diffusive gas processes in the soil. The TOM technique has been applied to soils from various parts of the world since the early 1990s. In Argentina's economic and productive matrix, the Agriculture, Livestock, Hunting, Forestry, and Fishing sector contributes about 10% to the National GDP, making it the second-largest GHG source (39%) and the largest emitter of CH4 and nitrous oxide (N2O), with significant contributions of CO2. Studies on the CH4 dynamics in Argentina's soil are based on the measurement of CH4 in situ fluxes at the soil-atmosphere interface, and knowledge of TOM would be a valuable input to explain differences between sites or over time. Therefore, a global survey of scientific studies applying the TOM technique was conducted to understand the geographical distribution of these studies and the most relevant experimental parameters for establishing methodologies that ensure comparable results. Within this framework, the MOL was determined at different soil depths at a temperate site, which had two plots with different vegetation cover (natural grassland and anthropogenic forestry) over an annual cycle to assess the impact of vegetation cover, soil depth on MOL, and identify the climatic period where maximum and minimum MOL occur. Finally, MOL was estimated at sites with different climates (subtropical dry, temperate dry, temperate flooded, and cold), taking into account anthropogenic changes to vegetation cover, soil depth, and climatic period, to define the presence of MOL-modulating factors on a geographical scale. It was found that MOL measurements are concentrated in temperate regions of the Northern Hemisphere, particularly in Europe and the United States, while Africa and South America are the least studied regions. In contrast, the analysis of methodologies revealed a lack of standardization in MOL measurement, which can pose challenges when comparing results. The most commonly used parameters to standardized tests are soil water content, temperature, and CH4 concentration in the incubation atmosphere. Furthermore, normalizing the relationship between soil mass and incubation chamber volume is of interest. Thus, a base protocol was proposed for estimating MOL in aerated soils in laboratory tests. From the determination of MOL in a temperate site during an annual cycle (Tandil Hills, Provincia de Buenos Aires), it was found that MOL in the forested plot (Pinus radiata spp.) was 1.9 times higher than that in the natural grassland plot, a difference marginally attributed to changes in the soil's physicochemical conditions due to anthropogenic changes in vegetation cover. The bimonthly monitoring of MOL in both plots allowed for the identification of a temporal variation in MOL, with peaks in the summer and minimums in the winter. It was found that MOL varies in the soil profile, with maximum values between 5-10 cm and 10-15 cm in the forested and pastureland plots, respectively. Thus, our results suggest that changes in vegetation cover can increase MOL's magnitude at a temperate site. Additionally, a zone below the soil surface may exhibit. When analyzing MOL in different ecoregions, it was determined that the highest MOL occurs in the northwest of the Patagonian Steppe and the lowest in the Espinal region. In all study sites, the highest MOL was observed in the first 20 cm of soil depth. Although no significant variations were found in MOL regarding seasonal climatic changes, linear relationships were determined between winter and summer MOL in both natural and modified vegetation plots. Changes in vegetation cover can increase or decrease MOL in a given study site, exhibiting different directions of variation (increases or decreases) in natural or anthropized sites during the summer and winter seasons. However, such variations were only correlated with soil moisture in sites characterized by particularly wet (Delta) and arid (Patagonian Steppe) water regimes. On a geographical scale, MOL variation was correlated with soil texture and climate in different ecoregions, creating a geographical gradient indicating that the highest MOL occurs in temperate regions, decreasing toward the equator and polar latitudes. In conclusion, during the development of this thesis, measurements were conducted in seven different ecoregions in Argentina, making it the largest source of MOL data in Latin America. This contributes to general knowledge, given that the majority of cases come from the Northern Hemisphere. A base protocol for MOL determination was defined, which has the potential to facilitate the comparison of data from different systems worldwide for predictive modeling. Seasonal variations in MOL were found during an annual cycle, and zones of maximum CH4 oxidation between 5 and 15 cm in soil depth were identified in a temperate region of Argentina. It was shown that land-use change or vegetation cover alterations can affect MOL, depending on the environmental conditions of the sites. It was determined that the highest CH4 oxidation occurs in the first 20 cm of soil, decreasing with increased soil depth. Correlations were found between MOL and climatic factors in various ecoregions in Argentina, as well as with soil texture.