La respiración del suelo se refiere a la producción de dióxido de carbono cuando los organismos del suelo respiran. Esto incluye la respiración de las raíces de las plantas , la rizosfera , los microbios y la fauna .
La respiración del suelo es un proceso ecosistémico clave que libera carbono del suelo en forma de CO 2 . Las plantas adquieren CO 2 de la atmósfera y lo convierten en compuestos orgánicos en el proceso de fotosíntesis . Las plantas utilizan estos compuestos orgánicos para construir componentes estructurales o respirarlos para liberar energía. Cuando la respiración de las plantas ocurre bajo tierra en las raíces, se suma a la respiración del suelo. Con el tiempo, los componentes estructurales de las plantas son consumidos por los heterótrofos . Este consumo heterótrofo libera CO 2 y cuando este CO 2 es liberado por organismos subterráneos, se considera respiración del suelo.
La cantidad de respiración del suelo que ocurre en un ecosistema está controlada por varios factores. La temperatura, la humedad, el contenido de nutrientes y el nivel de oxígeno en el suelo pueden producir tasas de respiración extremadamente dispares. Estas tasas de respiración se pueden medir mediante diversos métodos. Se pueden utilizar otros métodos para separar los componentes fuente, en este caso el tipo de vía fotosintética ( C3 / C4 ), de las estructuras vegetales respiradas.
Las tasas de respiración del suelo pueden verse afectadas en gran medida por la actividad humana. Esto se debe a que los humanos tienen la capacidad y han estado cambiando los diversos factores que controlan la respiración del suelo durante numerosos años. El cambio climático global se compone de numerosos factores cambiantes, incluido el aumento del CO 2 atmosférico , el aumento de la temperatura y los cambios en los patrones de precipitación . Todos estos factores pueden afectar la tasa de respiración global del suelo. El aumento de la fertilización con nitrógeno por parte de los seres humanos también tiene el potencial de afectar las tasas en todo el planeta .
Es extremadamente importante comprender la respiración del suelo y su tasa en los ecosistemas. Esto se debe a que la respiración del suelo desempeña un papel importante en el ciclo global del carbono , así como en los ciclos de otros nutrientes . La respiración de las estructuras vegetales libera no sólo CO 2 sino también otros nutrientes en esas estructuras, como el nitrógeno. La respiración del suelo también está asociada con una retroalimentación positiva del cambio climático global. La retroalimentación positiva se produce cuando un cambio en un sistema produce una respuesta en la misma dirección del cambio. Por lo tanto, las tasas de respiración del suelo pueden verse afectadas por el cambio climático y luego responder aumentando el cambio climático.
Toda respiración celular libera energía, agua y CO 2 de compuestos orgánicos. Cualquier respiración que ocurra bajo tierra se considera respiración del suelo. La respiración de las raíces de las plantas, las bacterias, los hongos y los animales del suelo libera CO 2 en los suelos, como se describe a continuación.
El ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), o ciclo del ácido cítrico , es un paso importante en la respiración celular. En el ciclo del TCA se oxida un azúcar de seis carbonos . [1] Esta oxidación produce CO 2 y H 2 O a partir del azúcar. Las plantas, los hongos, los animales y las bacterias utilizan este ciclo para convertir compuestos orgánicos en energía. Así es como ocurre la mayor parte de la respiración del suelo en su nivel más básico. Dado que el proceso depende del oxígeno, esto se conoce como respiración aeróbica.
La fermentación es otro proceso en el que las células obtienen energía de compuestos orgánicos. En esta vía metabólica , la energía se deriva del compuesto de carbono sin el uso de oxígeno. Los productos de esta reacción son dióxido de carbono y normalmente alcohol etílico o ácido láctico . [2] Debido a la falta de oxígeno, esta vía se describe como respiración anaeróbica . Esta es una fuente importante de CO 2 en la respiración del suelo en ecosistemas anegados donde el oxígeno es escaso, como en las turberas y los humedales . Sin embargo, la mayor parte del CO 2 liberado por el suelo se produce a través de la respiración y uno de los aspectos más importantes de la respiración subterránea se produce en las raíces de las plantas.
Las plantas respiran algunos de los compuestos de carbono que se generaron mediante la fotosíntesis. Cuando esta respiración ocurre en las raíces, se suma a la respiración del suelo. La respiración de las raíces representa aproximadamente la mitad de toda la respiración del suelo. Sin embargo, estos valores pueden oscilar entre el 10 y el 90% dependiendo de los tipos de plantas dominantes en un ecosistema y las condiciones a las que están sometidas las plantas. Por lo tanto, la cantidad de CO 2 producida a través de la respiración de las raíces está determinada por la biomasa de las raíces y las tasas de respiración específicas de las raíces. [3] Directamente al lado de la raíz se encuentra el área conocida como rizosfera, que también juega un papel importante en la respiración del suelo.
La rizosfera es una zona inmediatamente próxima a la superficie de la raíz con su suelo vecino. En esta zona existe una estrecha interacción entre la planta y los microorganismos. Las raíces liberan continuamente sustancias o exudados al suelo. Estos exudados incluyen azúcares, aminoácidos , vitaminas , carbohidratos de cadena larga , enzimas y lisados que se liberan cuando las células de las raíces se rompen. La cantidad de carbono perdido como exudado varía considerablemente entre especies de plantas. Se ha demostrado que hasta el 20% del carbono adquirido mediante la fotosíntesis se libera al suelo en forma de exudados radiculares. [4] Estos exudados son descompuestos principalmente por bacterias. Estas bacterias respirarán los compuestos de carbono a través del ciclo del TCA; sin embargo, la fermentación también está presente. Esto se debe a la falta de oxígeno debido al mayor consumo de oxígeno por parte de la raíz en comparación con el suelo a granel, suelo a mayor distancia de la raíz. [5] Otro organismo importante en la rizosfera son los hongos o micorrizas que infectan las raíces . Estos hongos aumentan la superficie de la raíz de la planta y permiten que la raíz encuentre y adquiera una mayor cantidad de nutrientes del suelo necesarios para el crecimiento de la planta. A cambio de este beneficio, la planta transferirá azúcares a los hongos. Los hongos respirarán estos azúcares para obtener energía, aumentando así la respiración del suelo. [6] Los hongos, junto con las bacterias y los animales del suelo, también desempeñan un papel importante en la descomposición de la hojarasca y la materia orgánica del suelo .
Los animales del suelo se alimentan de poblaciones de bacterias y hongos, además de ingerir y descomponer la basura para aumentar la respiración del suelo. La microfauna está formada por los animales más pequeños del suelo. Estos incluyen nematodos y ácaros . Este grupo se especializa en bacterias y hongos del suelo. Al ingerir estos organismos, el carbono que inicialmente se encontraba en los compuestos orgánicos de las plantas y se incorporó a las estructuras bacterianas y fúngicas ahora será respirado por los animales del suelo. La mesofauna son animales del suelo de 0,1 a 2 milímetros (0,0039 a 0,0787 pulgadas) de largo e ingerirán la basura del suelo. La materia fecal retendrá una mayor cantidad de humedad y tendrá una mayor superficie. Esto permitirá un nuevo ataque de microorganismos y una mayor respiración del suelo. La macrofauna son organismos de 2 a 20 milímetros (0,079 a 0,787 pulgadas), como lombrices y termitas . La mayor parte de la macrofauna fragmenta la basura, exponiendo así una mayor cantidad de área al ataque microbiano. Otra macrofauna excava madrigueras o ingiere basura, lo que reduce la densidad aparente del suelo, rompe los agregados del suelo y aumenta la aireación del suelo y la infiltración de agua. [7]
La regulación de la producción de CO 2 en el suelo se debe a diversos factores abióticos o no vivos. La temperatura, la humedad del suelo y el nitrógeno contribuyen a la tasa de respiración en el suelo.
La temperatura afecta a casi todos los aspectos de los procesos respiratorios. La temperatura aumentará la respiración exponencialmente hasta un máximo, momento en el cual la respiración disminuirá a cero cuando se interrumpa la actividad enzimática. La respiración de las raíces aumenta exponencialmente con la temperatura en su rango bajo cuando la tasa de respiración está limitada principalmente por el ciclo del TCA. A temperaturas más altas, el transporte de azúcares y productos del metabolismo se convierte en el factor limitante. A temperaturas superiores a 35 °C (95 °F), la respiración de las raíces comienza a interrumpirse por completo. [8] Los microorganismos se dividen en tres grupos de temperatura; criófilos , mesófilos y termófilos . Los criófilos funcionan de manera óptima a temperaturas inferiores a 20 °C (68 °F), los mesófilos funcionan mejor a temperaturas entre 20 y 40 °C (104 °F) y los termófilos funcionan de manera óptima a más de 40 °C (104 °F). En los suelos naturales existen muchas cohortes o grupos diferentes de microorganismos. Todas estas cohortes funcionarán mejor en diferentes condiciones, por lo que la respiración puede ocurrir en un rango muy amplio. [9] Los aumentos de temperatura conducen a mayores tasas de respiración del suelo hasta que los valores altos retardan la función microbiana; este es el mismo patrón que se observa con los niveles de humedad del suelo.
La humedad del suelo es otro factor importante que influye en la respiración del suelo. La respiración del suelo es baja en condiciones secas y aumenta hasta un máximo en niveles intermedios de humedad hasta que comienza a disminuir cuando el contenido de humedad excluye el oxígeno. Esto permite que prevalezcan las condiciones anaeróbicas y depriman la actividad microbiana aeróbica. Los estudios han demostrado que la humedad del suelo solo limita la respiración en las condiciones más bajas y más altas, existiendo una gran meseta en niveles intermedios de humedad del suelo para la mayoría de los ecosistemas. [10] Muchos microorganismos poseen estrategias de crecimiento y supervivencia en condiciones de baja humedad del suelo. En condiciones de alta humedad del suelo, muchas bacterias absorben demasiada agua, lo que provoca que su membrana celular se lise o se rompa. Esto puede disminuir temporalmente la tasa de respiración del suelo, pero la lisis de bacterias provoca un aumento en los recursos para muchas otras bacterias. Este rápido aumento de sustratos lábiles disponibles provoca una mejora de la respiración del suelo a corto plazo. La respiración de las raíces aumentará al aumentar la humedad del suelo, especialmente en ecosistemas secos; sin embargo, la respuesta de la respiración de las raíces de las especies individuales a la humedad del suelo variará ampliamente de una especie a otra dependiendo de los rasgos de la historia de vida. Los niveles superiores de humedad del suelo deprimirán la respiración de las raíces al restringir el acceso al oxígeno atmosférico. Con la excepción de las plantas de humedales, que han desarrollado mecanismos específicos para la aireación de las raíces, la mayoría de las plantas no están adaptadas a ambientes de suelos de humedales con poco oxígeno . [11] El efecto amortiguador de la respiración de la elevada humedad del suelo se amplifica cuando la respiración del suelo también reduce el redox del suelo a través de la bioelectrogénesis . [12] Las pilas de combustible microbianas basadas en el suelo se están convirtiendo en herramientas educativas populares para las aulas de ciencias.
El nitrógeno afecta directamente la respiración del suelo de varias maneras. El nitrógeno debe ser absorbido por las raíces para promover el crecimiento y la vida de las plantas. La mayor parte del nitrógeno disponible está en forma de NO 3 − , cuyo ingreso a la raíz cuesta 0,4 unidades de CO 2 porque se debe utilizar energía para moverlo hacia arriba en un gradiente de concentración . Una vez dentro de la raíz el NO 3 − debe reducirse a NH 3 . Este paso requiere más energía, lo que equivale a 2 unidades de CO 2 por molécula reducida. En plantas con simbiontes bacterianos , que fijan nitrógeno atmosférico, el coste energético para la planta para adquirir una molécula de NH 3 a partir de N 2 atmosférico es de 2,36 CO 2 . [13] Es esencial que las plantas absorban nitrógeno del suelo o dependan de simbiontes para fijarlo de la atmósfera para asegurar el crecimiento, la reproducción y la supervivencia a largo plazo.
Otra forma en que el nitrógeno afecta la respiración del suelo es a través de la descomposición de la hojarasca . La cama con alto contenido de nitrógeno se considera de alta calidad y los microorganismos la descomponen más fácilmente que la cama de baja calidad. La degradación de la celulosa , un resistente compuesto estructural de las plantas, también es un proceso limitado por nitrógeno y aumentará con la adición de nitrógeno a la hojarasca. [14]
Existen diferentes métodos para la medición de la tasa de respiración del suelo y la determinación de fuentes. Los métodos se pueden dividir en métodos de campo y de laboratorio. Los métodos de campo más comunes incluyen el uso de sistemas independientes de flujo de suelo a largo plazo para mediciones en un lugar en diferentes momentos; Examinar los sistemas de respiración del suelo para medir en diferentes lugares y en diferentes momentos. El uso de relaciones de isótopos estables se puede utilizar tanto en mediciones de laboratorio como de campo.
La respiración del suelo se puede medir sola o con nutrientes añadidos y sustratos (de carbono) que suministran fuentes de alimento a los microorganismos. La respiración del suelo sin adiciones de nutrientes ni sustratos se denomina respiración basal del suelo (BR). Con la adición de nutrientes (a menudo nitrógeno y fósforo) y sustratos (p. ej. azúcares), se denomina respiración del suelo inducida por sustrato (SIR). Tanto en las mediciones BR como SIR, el contenido de humedad se puede ajustar con agua.
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Estos sistemas miden en un lugar durante largos períodos de tiempo. Dado que solo miden en un lugar, es común utilizar múltiples estaciones para reducir el error de medición causado por la variabilidad del suelo en distancias pequeñas. La variabilidad del suelo se puede probar con instrumentos de respiración del suelo.
Los instrumentos de larga duración están diseñados para exponer el lugar de medición a las condiciones ambientales tanto como sea posible entre mediciones.
Los sistemas cerrados toman mediciones a corto plazo (normalmente sólo durante unos minutos) en una cámara sellada sobre el suelo. [15] La tasa de salida de CO 2 del suelo se calcula sobre la base del aumento de CO 2 dentro de la cámara. Como es propio de las cámaras cerradas que el CO 2 continúe acumulándose, los períodos de medición se reducen al mínimo para lograr un aumento de concentración lineal detectable, evitando una acumulación excesiva de CO 2 dentro de la cámara con el tiempo.
Se puede acceder tanto a la información del ensayo individual como a la información de medición de la respiración diurna de CO 2 . También es común que dichos sistemas midan también la temperatura del suelo, la humedad del suelo y la PAR ( radiación fotosintéticamente activa ). Estas variables normalmente se registran en el archivo de medición junto con los valores de CO 2 .
Para determinar la respiración del suelo y la pendiente del aumento de CO 2 , los investigadores utilizaron análisis de regresión lineal, el algoritmo de Pedersen (2001) y regresión exponencial . Hay más referencias publicadas para análisis de regresión lineal; sin embargo, el algoritmo de Pedersen y los métodos de análisis de regresión exponencial también tienen sus seguidores. Algunos sistemas ofrecen una variedad de métodos matemáticos. [16]
Cuando se utiliza la regresión lineal , se grafican múltiples puntos de datos y los puntos se pueden equipar con una ecuación de regresión lineal, que proporcionará una pendiente. Esta pendiente puede proporcionar la tasa de respiración del suelo con la ecuación , donde F es la tasa de respiración del suelo, b es la pendiente, V es el volumen de la cámara y A es el área de superficie del suelo cubierta por la cámara. [17] Es importante que no se permita que la medición se realice durante un período de tiempo más largo ya que el aumento en la concentración de CO 2 en la cámara también aumentará la concentración de CO 2 en la capa superior porosa del perfil del suelo. Este aumento en la concentración causará una subestimación de la tasa de respiración del suelo debido al CO 2 adicional que se almacena dentro del suelo. [18]
Los sistemas de modo abierto están diseñados para encontrar tasas de flujo del suelo cuando se ha alcanzado el equilibrio de la cámara de medición. El aire fluye a través de la cámara antes de que la cámara se cierre y selle. Esto purga cualquier nivel de CO 2 no ambiental de la cámara antes de la medición. Una vez cerrada la cámara, se bombea aire fresco a la cámara a un caudal controlado y programable. Este se mezcla con el CO 2 del suelo y, después de un tiempo, se alcanza el equilibrio. El investigador especifica el punto de equilibrio como la diferencia en las mediciones de CO 2 entre lecturas sucesivas, en un tiempo transcurrido. Durante el ensayo, la tasa de cambio se reduce lentamente hasta que cumple con los criterios de tasa de cambio del cliente o el tiempo máximo seleccionado para el ensayo. Luego se determina el flujo del suelo o la tasa de cambio una vez que se alcanzan las condiciones de equilibrio dentro de la cámara. Los caudales y tiempos de la cámara son programables, se miden con precisión y se utilizan en los cálculos. Estos sistemas tienen respiraderos que están diseñados para evitar una posible acumulación inaceptable de presión parcial de CO 2 que se analiza en los sistemas de modo cerrado. Dado que el movimiento del aire dentro de la cámara puede provocar un aumento de la presión de la cámara, o que los vientos externos pueden producir una reducción de la presión de la cámara, se proporciona una ventilación que está diseñada para ser lo más resistente al viento posible.
Los sistemas abiertos tampoco son tan sensibles a la variación de la estructura del suelo ni a los problemas de resistencia de la capa límite en la superficie del suelo. El flujo de aire en la cámara en la superficie del suelo está diseñado para minimizar los fenómenos de resistencia de la capa límite.
También existe un sistema híbrido. Tiene un respiradero que está diseñado para ser lo más resistente al viento posible y evitar una posible acumulación parcial inaceptable de presión de CO 2 , pero está diseñado para funcionar como un sistema de diseño de modo cerrado en otros aspectos.
Se trata de instrumentos de modo abierto o cerrado que son portátiles o semiportátiles. Miden la variabilidad de la respiración del suelo de CO 2 en diferentes lugares y en diferentes momentos. Con este tipo de instrumento, se insertan en el suelo collares de suelo que se pueden conectar al instrumento de medición topográfico y se deja que el suelo se estabilice durante un período de tiempo. La inserción del collar de suelo perturba temporalmente el suelo, creando artefactos de medición. Por esta razón, es común insertar varios collares de suelo en diferentes lugares. Los collares de suelo se insertan lo suficientemente lejos como para limitar la difusión lateral de CO 2 . Después de la estabilización del suelo, el investigador pasa de un collar a otro de acuerdo con el diseño experimental para medir la respiración del suelo.
Los sistemas de respiración del suelo también se pueden utilizar para determinar la cantidad de instrumentos temporales independientes a largo plazo que se requieren para lograr un nivel de error aceptable. Diferentes ubicaciones pueden requerir diferentes cantidades de unidades independientes a largo plazo debido a la mayor o menor variabilidad de la respiración del suelo.
Las plantas adquieren CO 2 y producen compuestos orgánicos mediante una de tres vías fotosintéticas . Las dos vías más frecuentes son los procesos C 3 y C 4 . Las plantas C 3 se adaptan mejor a condiciones frescas y húmedas, mientras que las plantas C 4 se desarrollan bien en ecosistemas cálidos y secos. Debido a las diferentes enzimas fotosintéticas entre las dos vías, se adquieren preferentemente diferentes isótopos de carbono . Los isótopos son el mismo elemento que difieren en el número de neutrones, lo que hace que un isótopo sea más pesado que el otro. Los dos isótopos de carbono estables son 12 C y 13 C. La vía C 3 discriminará más el isótopo más pesado que la vía C 4 . Esto hará que las estructuras vegetales producidas a partir de plantas C 4 estén más enriquecidas en el isótopo más pesado y, por lo tanto, los exudados de raíces y la hojarasca de estas plantas también estarán más enriquecidos. Cuando se respira el carbono en estas estructuras, el CO 2 mostrará una proporción similar de los dos isótopos. Los investigadores cultivarán una planta C 4 en un suelo que anteriormente estaba ocupado por una planta C 3 o viceversa. Al tomar mediciones de la respiración del suelo y analizar las proporciones isotópicas del CO 2, se puede determinar si la respiración del suelo es principalmente carbono viejo o carbono formado recientemente. Por ejemplo, el maíz, una planta C 4 , se cultivó en un suelo donde anteriormente se cultivaba trigo de primavera , una planta C 3 . Los resultados mostraron respiración de C 3 MOS en los primeros 40 días, con un aumento lineal gradual en el enriquecimiento de isótopos pesados hasta el día 70. Los días posteriores al 70 mostraron una desaceleración del enriquecimiento hasta un pico en el día 100. [19] Mediante el análisis de isótopos de carbono estables Con estos datos es posible determinar los componentes fuente de la MOS respirada que fue producida por diferentes vías fotosintéticas.
Un problema en la medición de la respiración del suelo en el campo es que la respiración de los microorganismos no se puede distinguir de la respiración de las raíces de las plantas y de los animales del suelo. Esto se puede superar utilizando técnicas de isótopos estables. El azúcar de caña es un azúcar C 4 que puede actuar como marcador isotópico. [20] [21] El azúcar de caña tiene una abundancia ligeramente mayor de 13 C (δ 13 C ≈ −10 ‰) que el carbono endógeno (natural) en un ecosistema C 3 (δ 13 C = −25 a −28 ‰). El azúcar de caña se puede rociar sobre el suelo en una solución y se infiltrará en la capa superior del suelo. Sólo los microorganismos respirarán el azúcar agregado porque las raíces respiran exclusivamente productos de carbono que son asimilados por la planta a través de la fotosíntesis. Mediante análisis del δ 13 C del CO 2 que se desprende del suelo con o sin adición de azúcar de caña, se puede calcular la fracción de C 3 (raíz y microbiano) y C 4 (respiración microbiana). [22] [23]
La respiración de campo utilizando isótopos estables se puede utilizar como herramienta para medir la respiración microbiana in situ sin perturbar las comunidades microbianas mezclando nutrientes del suelo, oxígeno y contaminantes del suelo que puedan estar presentes. [23]
A lo largo de los últimos 160 años, los humanos hemos cambiado el uso de la tierra y las prácticas industriales, lo que ha alterado el clima y los ciclos biogeoquímicos globales . Estos cambios han afectado la tasa de respiración del suelo en todo el planeta. Además, los fenómenos climáticos extremos cada vez más frecuentes [24], como las olas de calor (que implican perturbaciones de altas temperaturas y sequías intensas asociadas), seguidas de lluvias intensas, afectan a las comunidades microbianas y a la fisicoquímica del suelo y pueden inducir cambios en la respiración del suelo. [25]
Desde la Revolución Industrial , los seres humanos hemos emitido enormes cantidades de CO 2 a la atmósfera. Estas emisiones han aumentado enormemente con el tiempo y han elevado los niveles globales de CO 2 en la atmósfera a su nivel más alto en más de 750.000 años. La respiración del suelo aumenta cuando los ecosistemas están expuestos a niveles elevados de CO 2 . Se han realizado numerosos estudios de enriquecimiento de CO 2 en aire libre (FACE) para probar la respiración del suelo en condiciones futuras previstas de elevación de CO 2 . Estudios FACE recientes han demostrado grandes aumentos en la respiración del suelo debido al aumento de la biomasa de las raíces y la actividad microbiana. [26] Se ha descubierto que la respiración del suelo aumenta hasta un 40,6% en un bosque de liquidámbar en Tennessee y en bosques de álamos en Wisconsin en condiciones elevadas de CO 2 . [27] Es extremadamente probable que los niveles de CO 2 superen los utilizados en estos experimentos FACE a mediados de este siglo debido al mayor uso humano de combustibles fósiles y prácticas de uso de la tierra.
Debido al aumento de la temperatura del suelo, los niveles de CO 2 en nuestra atmósfera aumentan y, como tal, la temperatura media media de la Tierra está aumentando. Esto se debe a actividades humanas como la tala de bosques , la denudación del suelo y desarrollos que destruyen los procesos autótrofos . Con la pérdida de plantas fotosintéticas que cubren y enfrían la superficie del suelo, la energía infrarroja penetra en el suelo calentándolo y provocando un aumento de bacterias heterótrofas. Los heterótrofos del suelo degradan rápidamente la materia orgánica y la estructura del suelo se desmorona, por lo que se disuelve en arroyos y ríos en el mar. Gran parte de la materia orgánica arrastrada por las inundaciones provocadas por la tala de bosques va a los estuarios , humedales y, finalmente, al océano abierto. El aumento de la turbidez de las aguas superficiales provoca una demanda biológica de oxígeno y mueren más organismos autótrofos. Los niveles de dióxido de carbono aumentan con el aumento de la respiración de las bacterias del suelo después de que las temperaturas aumentan debido a la pérdida de la cobertura del suelo.
Como se mencionó anteriormente, la temperatura afecta en gran medida la tasa de respiración del suelo. Esto puede tener la influencia más drástica en el Ártico . Grandes reservas de carbono están encerradas en el permafrost congelado . Con el aumento de la temperatura, este permafrost se está derritiendo y las condiciones aeróbicas comienzan a prevalecer, aumentando con ello considerablemente la tasa de respiración en ese ecosistema. [28]
Debido a los patrones cambiantes de temperatura y las condiciones oceánicas cambiantes, se espera que los patrones de precipitación cambien en ubicación, frecuencia e intensidad. Se esperan tormentas más grandes y frecuentes cuando los océanos puedan transferir más energía a los sistemas de tormentas en formación. Esto puede tener el mayor impacto en los ecosistemas xéricos o áridos. Se ha demostrado que la respiración del suelo en ecosistemas áridos muestra cambios dinámicos dentro de un ciclo de lluvia . La tasa de respiración en suelo seco generalmente alcanza un nivel muy alto después de la lluvia y luego disminuye gradualmente a medida que el suelo se seca. [10] Con un aumento en la frecuencia e intensidad de las precipitaciones en áreas sin precipitaciones extensas previas, se puede inferir un aumento dramático en la respiración del suelo.
Desde el inicio de la Revolución Verde a mediados del siglo pasado, se han producido e introducido enormes cantidades de fertilizantes nitrogenados en casi todos los sistemas agrícolas. Esto ha llevado a aumentos en el nitrógeno disponible para las plantas en los ecosistemas de todo el mundo debido a la escorrentía agrícola y la fertilización impulsada por el viento . Como se mencionó anteriormente, el nitrógeno puede tener un efecto positivo significativo en el nivel y la tasa de respiración del suelo. Se ha descubierto que los aumentos en el nitrógeno del suelo aumentan la respiración oscura de las plantas, estimulan tasas específicas de respiración de las raíces y aumentan la biomasa total de las raíces. [29] Esto se debe a que las altas tasas de nitrógeno están asociadas con altas tasas de crecimiento de las plantas. Las altas tasas de crecimiento de las plantas conducirán al aumento de la respiración y la biomasa encontrados en el estudio. Con este aumento de la productividad se puede asegurar un aumento de las actividades del suelo y por tanto de la respiración.
La respiración del suelo desempeña un papel importante en los ciclos globales del carbono y los nutrientes, además de ser un impulsor de los cambios climáticos. Estos roles son importantes para nuestra comprensión del mundo natural y la preservación humana.
La respiración del suelo juega un papel fundamental en la regulación del ciclo del carbono a nivel de ecosistema y a escala global. Cada año , las plantas terrestres absorben aproximadamente 120 petagramos (Pg) de carbono y una cantidad similar se libera a la atmósfera a través de la respiración de los ecosistemas. Los suelos globales contienen hasta 3150 Pg de carbono, de los cuales 450 Pg existen en humedales y 400 Pg en suelos permanentemente congelados. Los suelos contienen más de cuatro veces más carbono que la atmósfera. [30] Los investigadores han estimado que la respiración del suelo representa 77 Pg de carbono liberado a la atmósfera cada año. [31] Este nivel de liberación es mayor que la liberación de carbono debida a fuentes antropogénicas (56 Pg por año), como la quema de combustibles fósiles . Por lo tanto, un pequeño cambio en la respiración del suelo puede alterar seriamente el equilibrio entre la concentración de CO 2 en la atmósfera y las reservas de carbono del suelo . Al igual que la respiración del suelo puede desempeñar un papel importante en el ciclo global del carbono, también puede regular el ciclo global de nutrientes .
Un componente importante de la respiración del suelo proviene de la descomposición de la hojarasca, que libera CO 2 al medio ambiente y al mismo tiempo inmoviliza o mineraliza los nutrientes. Durante la descomposición, los microbios inmovilizan nutrientes como el nitrógeno para su propio crecimiento. A medida que estos microbios son ingeridos o mueren, se agrega nitrógeno al suelo. El nitrógeno también se mineraliza a partir de la degradación de proteínas y ácidos nucleicos de la basura. Este nitrógeno mineralizado también se agrega al suelo. Debido a estos procesos, la tasa de nitrógeno agregado al suelo se combina con la tasa de respiración microbiana. Los estudios han demostrado que las tasas de respiración del suelo estaban asociadas con las tasas de recambio microbiano y mineralización de nitrógeno. [5] Las alteraciones de los ciclos globales pueden actuar aún más para cambiar el clima del planeta.
Como se indicó anteriormente, el CO 2 liberado por la respiración del suelo es un gas de efecto invernadero que seguirá atrapando energía y aumentando la temperatura media global si las concentraciones continúan aumentando. A medida que aumenta la temperatura global, también lo hará la tasa de respiración del suelo en todo el mundo, lo que conducirá a una mayor concentración de CO 2 en la atmósfera, lo que nuevamente conducirá a temperaturas globales más altas. Este es un ejemplo de un circuito de retroalimentación positiva . Se estima que un aumento de la temperatura de 2 °C provocará una liberación adicional de 10 Pg de carbono por año a la atmósfera debido a la respiración del suelo. [32] Esta es una cantidad mayor que las actuales emisiones antropogénicas de carbono. También existe la posibilidad de que este aumento de temperatura libere carbono almacenado en suelos permanentemente congelados, que ahora se están derritiendo. Los modelos climáticos han sugerido que esta retroalimentación positiva entre la respiración del suelo y la temperatura conducirá a una disminución del carbono almacenado en el suelo a mediados del siglo XXI. [33]
La respiración del suelo es un proceso ecosistémico clave que libera carbono del suelo en forma de dióxido de carbono. El carbono se almacena en el suelo como materia orgánica y lo respiran plantas, bacterias, hongos y animales. Cuando esta respiración ocurre bajo tierra, se considera respiración del suelo. La temperatura, la humedad del suelo y el nitrógeno regulan la tasa de conversión del carbono de los compuestos orgánicos del suelo a CO 2 . Se utilizan muchos métodos para medir la respiración del suelo; sin embargo, la cámara dinámica cerrada y el uso de proporciones de isótopos estables son dos de las técnicas más frecuentes. Los seres humanos han alterado los niveles de CO 2 atmosférico , los patrones de precipitación y las tasas de fertilización, todo lo cual ha tenido un papel importante en las tasas de respiración del suelo. Los cambios en estas tasas pueden alterar los ciclos globales del carbono y los nutrientes, además de desempeñar un papel importante en el cambio climático.
