Procesos de degradación y recuperación de suelos en zonas semiáridasestablecimiento de un índice de degradación biológica de suelos (IDBS)

Zusammenfassung

El suelo es un recurso vivo, dinámico y no renovable, el cual está necesitado de unas condiciones mínimas y adecuadas que le permitan llevar a cabo sin problemas aquellas funciones indispensables para su mantenimiento y conservación, así como para la producción de alimentos, y para el mantenimiento de la calidad ambiental local, regional y global En condiciones naturales, el suelo tiende a un estado de equilibrio tras un lento proceso de formación denominado edafogénesis. El suelo en estas condiciones de máxima evolución se encuentra más o menos cubierto por una vegetación que le aporta una cantidad progresiva de materia orgánica y nutrientes, contribuyendo a mantener e incluso mejorar su estructura, al tiempo que le sirve de protección frente a procesos degradativos de erosión. Puede decirse entonces que los suelos mantienen una calidad adecuada, y realizan todas sus funciones de manera correcta. Sin embargo, el equilibrio que alcanzan los suelos puede verse perturbado por diversas acciones, entre las que indudablemente merece la pena destacar las antrópicas. La agricultura en concreto, puede (cuando se producen usos indebidos o abusivos de los suelos) perjudicar enormemente la calidad de los mismos, provocando que el suelo alcance niveles de dicha calidad mucho menores que los que mantienen los suelos naturales. Esta pérdida de calidad y productividad conduce al abandono de estos suelo, los cuales, al estar desprovistos de una cubierta vegetal protectora quedan expuestos a procesos erosivos que agravan la degradación del suelo y conducen, a la larga, a la desertificación de la zona en cuestión. La degradación del suelo constituye un grave problema a nivel mundial, afectando al 30 por ciento del total de los suelos a nivel mundial. En la Unión Europea, se estima que más del 16 % del total del territorio (52 millones de ha) están afectadas por algún tipo de degradación siendo las zonas más afectadas el centro, este y sudeste de España, centro y sur de Italia, sur de Francia y Portugal, y extensas áreas de Grecia. España es uno de los países europeos con mayor porcentaje de degradación de sus suelos áridos. Alrededor del 70 por ciento de las regiones áridas españolas presentan un grado moderado de desertificación y el 30 por ciento de estas regiones se encuentran altamente desertificadas. Por ello, es preciso desarrollar herramientas para cuantificar el nivel de degradación de nuestros suelos, así como para saber cuando tenemos que iniciar un proceso de mejora, recuperación o rehabilitación. En este sentido resulta de gran utilidad el disponer de índices sensibles de degradación y desertificación de suelos que sean un claro reflejo de la calidad de estos suelos. De entre los parámetros que pueden aportar información sobre la calidad o degradación de un suelo, aquellos de índole microbiológica y bioquímica son los que resultan más sensibles frente a cualquier perturbación que pueda sufrir el ecosistema, siendo los parámetros físicos y químicos de más lenta respuesta. En zonas semiáridas, las pérdidas de materia orgánica por erosión y por las escasas entradas de restos orgánicos derivados de la vegetación pueden incidir de forma negativa en el desarrollo y actividad de los microorganismos del suelo, que son en gran parte responsables del ciclo de elementos importantes como carbono, nitrógeno, y fósforo, y además influyen de forma determinante en la estructura del suelo. Por tanto, aquellos parámetros relacionados con la biomasa y con la actividad de la comunidad microbiana edáfica pueden ser considerados como bioindicadores, sensibles a los cambios relativos a procesos de degradación y recuperación de suelos. Entre estos parámetros podemos destacar aquellos relacionados con la biomasa de la comunidad microbiana (carbono de biomasa microbiana) y su estructura (perfil de ácidos grasos de fosfolípidos, PLFAs), su actividad general (respiración, ATP o actividad deshidrogenasa) o su actividad específica relacionada con aquellas hidrolasas involucradas en ciclos de elementos en el suelo, tales como la ureasa o proteasa (ciclo del nitrógeno), fosfatasa (ciclo del fósforo) o ß-glucosidasa (ciclo del carbono). Además, la información relativa al carbono orgánico total y distintas fracciones, como el carbono hidrosoluble, los carbohidratos hidrolubles o el carbono de sustancias húmicas puede aportar información relativa a la estabilidad del carbono presente en el suelo y su disponibilidad como fuente de energía para los microorganismos. En zonas como la del sureste español, con un régimen climático semiárido, la progresiva degradación que sufren los suelos afectará de forma primordial a la vegetación que soportan, es decir, a la autóctona del lugar del que se trate. Si dicha vegetación desaparece, los suelos quedan entonces desprovistos de su principal barrera contra la degradación y erosión, y dichos procesos comenzarán a instalarse de forma predominante. Como parece lógico, la pérdida de cubierta vegetal conllevará una pérdida de materia orgánica en el suelo al no existir entradas de carbono por vía natural (aportes vegetales), y también se producirá la pérdida de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. Todo ello dificultará, sin duda, el establecimiento de los ciclos biogeoquímicos de los elementos en el suelo, incidiendo negativamente sobre las condiciones biológicas del mismo y generando una pérdida de calidad. En esta situación, la aplicación de enmiendas orgánicas al suelo podría ser entonces considerada como una biotecnología apta para su recuperación en zonas semiáridas. Por todo lo expuesto, en esta Memoria de Tesis Doctoral, se propuso un objetivo general consistente en generar información suficiente en torno a parámetros sensibles de tipo biológico, microbiológico y bioquímico, que nos permita establecer un índice (Índice de Degradación biológica de Suelos, IDBS) que ponga de manifiesto de forma cuantitativa el estado de degradación biológica en el que se encuentran los suelos semiáridos. También dentro de este Objetivo General se contempla determinar la eficacia de la adición de diferentes enmiendas orgánicas (basadas en residuos orgánicos) como estrategia válida para la recuperación de suelos abandonados, validando en dichos suelos recuperados el IDBS obtenido con anterioridad. Para conseguir el objetivo propuesto se evaluarán aspectos claves de la calidad biológica, relacionados con el tamaño, actividad y estructura de la comunidad microbiana edáfica. En todo este contexto se hace hincapié en que las estrategias propuestas para recuperar suelos degradados (aplicación de enmiendas orgánicas basadas en residuos de origen urbano a dichos suelos degradados) supone ofrecer una salida medioambientalmente factible a los mencionados residuos orgánicos, mediante su reciclado en el suelo, consiguiendo así aumentar el contenido en carbono del mismo, contribuyendo por tanto a la fijación de dicho elemento (carbono) y mitigando en parte el desprendimiento a la atmósfera de CO2 y el efecto invernadero que ello conlleva. Con el ánimo de satisfacer los objetivos marcados, el trabajo experimental desarrollado en esta tesis se ha dividido en dos partes que serán comentadas a continuación señalando además las principales conclusiones. 1) En primer lugar, uno de los objetivos marcados en esta Memoria fue la generación de un índice de degradación biológica de suelos válido para catalogar, de forma sensible, el nivel de degradación en que se encuentran los suelos situados en zonas semiáridas, así como para comprobar, en un momento dado, la recuperación experimentada por dichos suelos. La elaboración de este índice pasó por dos fases: i) la monitorización microbiológica y bioquímica de un amplio rango de suelos con diferente nivel de degradación, y ii) el desarrollo del mencionado índice de degradación utilizando para ello los datos obtenidos en la monitorización previa. Para ello, diferentes parámetros relacionados con la materia orgánica del suelo (carbono orgánico total, carbono hidrosoluble, carbohidratos hidrosolubles), con el tamaño de las poblaciones microbianas (carbono de biomasa microbiana) y su actividad (ATP, respiración y actividades enzimáticas) fueron analizados, en tres estaciones del año y durante dos años consecutivos, en tres áreas del sureste español, cada una de las cuales presentaba suelos con diferente nivel de degradación (dado por su distinta cobertura vegetal). Como conclusiones más importantes de este capítulo podemos señalar las siguientes: Parece claro que una gran parte de los suelos abandonados después de haber sido sobreexplotados por acciones antrópicas como las agrícolas, y que se encuentran en zonas semiáridas del sureste español (Región de Murcia), han sufrido intensos procesos degradativos. La monitorización realizada en base a parámetros indicativos de su actividad microbiana y de su funcionalidad, en particular aquellos basados en actividades enzimáticas marcadoras de las evoluciones de los ciclos de elementos en el suelo, así lo ha puesto de manifiesto. Se puede decir que dichos suelos cuentan con una calidad mermada en exceso, y con una productividad y fertilidad sumamente baja. Con parámetros sensibles y de rápida respuesta, los cuales lógicamente se ven implicados y afectados negativamente por los procesos degradativos de los suelos, hemos elaborado un Índice de Degradación Biológica de Suelos (IDBS). Los indicadores que han sido elegidos para este índice han sido: carbono hidrosoluble, carbohidratos hidrosolubles, actividad deshidrogenasa, actividad ureasa y respiración basal. Este índice ha sido capaz de marcar diferencias entre suelos con mayor o menor cobertura vegetal, lo cual se relaciona con su nivel de degradación. El IDBS puede ser considerado como una herramienta biológica de detección de la degradación de suelos en ambientes semiáridos que establece cuatro niveles de degradación (muy alto, alto, medio y bajo) y que permite monitorizar, de forma sensible, los cambios en la calidad biológica del suelo. 2) Una vez establecida la existencia de una problemática ligada a la degradación del suelo en zonas semiáridas y que dicha degradación tiene como uno de sus principales causantes a la escasez de materia orgánica, se planteó como objetivo la realización de un estudio comparativo de la efectividad, tanto a corto-medio plazo como a largo plazo, de la aplicación de materiales orgánicos en la recuperación de suelos semiáridos degradados, atendiendo en particular a la calidad biológica de dichos suelos monitorizada mediante parámetros de tipo biológico, microbiológico, bioquímico y molecular. Este estudio constó de dos fases. En una primera fase, se realizó, en parcelas experimentales establecidas en un área semiárida altamente afectada por procesos de degradación, un estudio comparativo de los efectos a corto plazo sobre la calidad del suelo de la adición al mismo de un lodo de depuradora o de un compost de dicho lodo. En una segunda fase, y aprovechando un experimento en el que 17 años antes se habían aplicado diferentes dosis de una enmienda orgánica (fracción orgánica de basuras domésticas) a un suelo altamente degradado, se llevó a cabo una monitorización de la incidencia de esta enmienda sobre la vegetación y las características del suelo tras esos 17 años (efecto a largo plazo). Las principales conclusiones de este capítulo fueron las siguientes: La adición de enmiendas orgánicas al suelo ya sea a corto-medio plazo (2 años) como a largo plazo (más de 17 años de experimento), supone una mejora en diversas propiedades de ese suelo, tanto en aquellas físicas (se está aportando un material con densidad muy baja), como en las biológicas (las enmiendas basadas en residuos orgánicos pueden ser catalogados como materiales biológicamente activos), y en las bioquímicas. Las enmiendas producen una serie de sustratos capaces de activar diversas enzimas, cuya actividad permite poner en movimiento a elementos de interés agronómico en el suelo (carbono, nitrógeno y fósforo), imprescindibles para su funcionalidad. Estas enmiendas orgánicas provocan un aumento en el desarrollo y actividad de los microorganismos del suelo, e inducen la aparición de una cubierta vegetal de gran densidad. Aplicando el IDBS a estos suelos, se demuestra claramente la recuperación de los mismos y su menor nivel de degradación biológica después de 17 años de incorporación de una única enmienda orgánica. Un aspecto a señalar es que hay diferencias entre los efectos de la aplicación de lodo fresco o de compost de lodo, debido a la calidad de su materia orgánica. Este último, al contener una materia orgánica más estructurada debido al propio proceso de compostaje con un agente estructurante, produce en el suelo un mejor comportamiento del carbono orgánico total, siendo más estable y duradero. Además, la aplicación del compost implica una mayor concentración en sustancias húmicas debido a su diferente calidad con respecto al lodo, hecho este de interés para la mejor fijación de carbono en los suelos. La adición de enmiendas orgánicas conlleva un desarrollo paralelo de bacterias y hongos en suelos semiáridos. A corto plazo, la adición de enmiendas orgánicas supone un descenso en la diversidad vegetal, sin que ello conlleve una variación en la diversidad microbiana estimada mediante el índice de Shannon para PLFAs. Este hecho permite concluir que, a corto plazo, la aplicación de la materia orgánica tiene un efecto directo sobre la diversidad vegetal. Sin embargo, a largo plazo, la adición de enmienda orgánica supone un aumento en la diversidad vegetal y microbiana del suelo, lo que indica que, en un largo periodo de tiempo, los cambios de sustratos y el fuerte desarrollo vegetal influyen, más que la propia enmienda orgánica, en la estructura de la comunidad microbiana edáfica. Estos resultados permiten concluir que el tiempo es un factor clave en la estructura de la comunidad microbiana de suelos semiáridos sometidos a enmiendas orgánicas.