¿Cómo responden al calentamiento los suelos profundos?

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Los científicos pretenden integrar observaciones de experimentos de calentamiento de suelos profundos en todo el mundo, para comprender mejor cómo reaccionarán al cambio climático los ecosistemas vitales para la seguridad alimentaria y la salud ambiental.

El cambio climático afecta a las plantas de la superficie, al suelo que se encuentra debajo y a las interacciones entre ellas. Aquí se muestra un perfil del suelo de una pradera en Islandia. Crédito: Fabrizzio Protti Sánchez.

Los ecosistemas del suelo desempeñan funciones fundamentales en el sostenimiento de la producción de alimentos y fibras, la mejora de la calidad y disponibilidad del agua, el secuestro de carbono y la satisfacción de otras necesidades de la sociedad. El calentamiento climático afecta la capacidad de los suelos para proporcionar estos servicios ecosistémicos, lo que probablemente plantea amplias consecuencias para la seguridad alimentaria y la estabilidad de los ecosistemas subterráneos y aéreos. Para predecir y gestionar estas consecuencias de forma eficaz, es fundamental comprender cómo responden los procesos del suelo al aumento de las temperaturas.

Científicos de todo el mundo han estado realizando experimentos de calentamiento de suelos profundos, en los que las capas del suelo se calientan deliberadamente para observar cómo responden las plantas, los suelos y los microbios. Sin embargo, recientemente los investigadores han reconocido la importancia de comparar e integrar los hallazgos de estos experimentos para ayudar a revelar nuevos conocimientos.

La red global DeepSoil 2100 surgió de conversaciones entre científicos del suelo convocadas en 2020 por uno de nosotros (M.W.I.S.) en respuesta a esta necesidad de coordinación. La red vincula a investigadores de campo y de laboratorio, modeladores, proveedores de datos y usuarios de datos, y proporciona una plataforma para compartir orientación práctica para ejecutar experimentos de campo, informar datos, discutir resultados y explorar sinergias de datos. Sus objetivos incluyen sintetizar los resultados de los experimentos sobre el calentamiento del suelo, hacer que estos hallazgos sean más accesibles a una comunidad científica más amplia y, en última instancia, facilitar predicciones y toma de decisiones más informadas sobre el cambio climático y las estrategias de mitigación y adaptación.

Los primeros esfuerzos de la red DeepSoil 2100 implicaron reunir a la comunidad de investigación para compartir conocimientos y experiencia y sentar las bases para futuras investigaciones y síntesis. En marzo de 2023, más de 50 investigadores de más de 10 países se reunieron en un taller celebrado en la Universidad de la Sorbona en París, y en abril de 2023 tuvo lugar una reunión de seguimiento durante la Asamblea General de la Unión Europea de Geociencias en Viena, Austria. Las discusiones en estas reuniones se centraron en áreas emergentes para la síntesis, el objetivo de aprender de diversos experimentos y preguntas que necesitan una investigación colaborativa.

Necesidad de una comprensión más profunda
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Los suelos sufren múltiples cambios interactivos a medida que aumentan las temperaturas. Los microorganismos del suelo generalmente se vuelven más activos, acelerando la descomposición de la materia orgánica del suelo y, a su vez, la liberación de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Estos cambios afectan muchas funciones relacionadas del suelo y pueden reforzar el cambio climático. Es decir, más CO2 en la atmósfera genera más calentamiento de efecto invernadero, lo que hace que los suelos liberen aún más CO2.

Por otro lado, las temperaturas elevadas pueden mejorar la absorción de carbono de la atmósfera por parte de las plantas al aumentar la fotosíntesis, lo que podría ayudar a compensar las pérdidas de carbono del suelo inducidas por el calentamiento. Además, las temperaturas más altas pueden afectar significativamente la humedad del suelo y el ciclo de nutrientes, lo que puede influir positiva o negativamente en el crecimiento de las plantas y los procesos del suelo.

Desafortunadamente, las predicciones de modelos de las respuestas de los ecosistemas terrestres al cambio climático, que resultan de nuestra comprensión de los procesos cambiantes del suelo y el equilibrio entre la pérdida y la ganancia de carbono del suelo, contienen incertidumbres significativas, especialmente a escala global Bradford et al., 2016. Por ejemplo, los componentes de la tierra en los modelos del sistema Tierra no representan a los microbios explícitamente, no resuelven la mayoría de los mecanismos que controlan las tasas de descomposición de la materia orgánica del suelo y tienen parámetros poco definidos para muchos ecosistemas y procesos.

Además, las proyecciones de los modelos actuales a menudo se basan en datos experimentales recopilados principalmente de los 10 centímetros superiores de los perfiles del suelo Yost y Hartemink, 2020. Estos estudios proporcionan información sobre cómo afecta el calentamiento las capas de suelo cercanas a la superficie, pero no capturan las complejas interacciones y mecanismos de retroalimentación que ocurren en las capas más profundas del suelo.

Los suelos profundos contienen más de la mitad de las reservas mundiales de carbono orgánico del suelo Rumpel y Kögel-Knabner, 2011; Jackson et al., 2017. Estas capas más profundas se están calentando tan rápidamente como las capas del suelo cercanas a la superficie Soong et al., 2020, pero han recibido menos atención. Sin embargo, en los últimos años, varios equipos de investigación independientes de todo el mundo han establecido experimentos de calentamiento profundo del suelo (Figura 1), calentando típicamente el suelo a más de 30 centímetros por debajo de la superficie para investigar las respuestas biogeoquímicas de las plantas y el suelo. Este enfoque proporciona una mejor representación de todo el complejo sistema de suelo al considerar todas las capas del suelo.

Estos novedosos experimentos se basan en cables enterrados, calentadores infrarrojos e incluso calefacción geotérmica natural para calentar suelos en una amplia gama de biomas Hanson et al., 2017; O’Gorman et al., 2014, desde bosques en áreas templadas y tropicales hasta tundra, turberas, marismas templadas y pastizales subárticos (Figura 1). Los esfuerzos están proporcionando nuevos conocimientos sobre las respuestas del carbono del suelo, el ciclo de los nutrientes, la vegetación y los microbios del suelo al calentamiento en todo el perfil del suelo. Por ejemplo, estudios recientes han informado de una mayor pérdida de carbono en el suelo debido al calentamiento en capas más profundas que en suelos cercanos a la superficie en bosques templados y subtropicales Soong et al., 2021; Lin et al., 2018.

Figura 1: Los experimentos de calentamiento del suelo profundo en la red DeepSoil 2100 están distribuidos por todo el mundo, aunque en la actualidad, todos se encuentran en el hemisferio norte. La escala de colores indica la densidad del carbono orgánico del suelo (COS) (en toneladas métricas por hectárea) en la capa de suelo de 0 a 30 centímetros. Las estimaciones del COS global fueron obtenidas de Hiederer y Köchy 2012. Crédito de la imagen: Fabrizzio Protti Sánchez, Michael W.I. Schmidt y Avni Malhotra.

Cuando sean sintetizados, los datos de estos experimentos proporcionarán la base para una comprensión más profunda y holística de las complejas interacciones atmósfera-tierra, mejorando así la precisión de las predicciones sobre cómo reaccionarán al cambio climático los ecosistemas terrestres bajo diferentes manejos.

Una base de datos global y áreas emergentes para la síntesis
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Uno de los primeros resultados de DeepSoil 2100 será una base de datos poblada de observaciones de los experimentos de calentamiento de suelos profundos que se muestran en la Figura 1 y tantos otros como sea posible. Estas observaciones incluyen cambios inducidos por el calentamiento en las reservas de carbono del suelo, la respiración del suelo, la biomasa de las raíces, la composición de la comunidad microbiana del suelo y muchos otros componentes del ecosistema del suelo. Los asistentes a las reuniones de 2023 discutieron las prioridades de la base de datos, que contará con un canal de entrada de datos optimizado, una estructura de datos clara y adaptable y una interfaz accesible para que los usuarios recuperen datos fácilmente.

Las prioridades para la base de datos también incluyen la accesibilidad abierta y la interoperabilidad con las bases de datos de carbono del suelo existentes. Para optimizar la interoperabilidad, seguimos modelos de datos y plantillas de bases de datos exitosas recientes, como la International Soil Radiocarbon Database ISRAD, the Soils Data Harmonization database SoDaH, y la base de datos International Soil Carbon Network ISCN e.g., Malhotra et al., 2019.

Desde los encuentros, fue creada una base de datos preliminar con detalles sobre los experimentos actuales de calentamiento de suelos profundos, incluidas sus ubicaciones, enfoques de calentamiento, duraciones y profundidades (incluida la distancia desde la superficie, los horizontes del suelo y la densidad de raíces), así como parámetros ambientales como el clima, los suelos y la vegetación. El siguiente paso implicará solicitar datos originales de estos experimentos una vez que se haya firmado un acuerdo para compartir datos.

Los asistentes a la reunión también discutieron cómo la nueva base de datos facilitará estudios de síntesis y metanálisis, comparaciones de datos de modelos, la combinación de proyecciones de modelos con datos para refinar las predicciones y pruebas de hipótesis utilizando toda la gama de datos disponibles sobre el calentamiento del suelo profundo (Figura 2). La amplia gama de ecosistemas cubiertos por los datos experimentales de la base de datos permitirá a los científicos evaluar los patrones globales y los impulsores de las respuestas al calentamiento del suelo, al tiempo que identifican diferencias y similitudes clave entre los sitios. Además, dada la duración de los experimentos actuales de calentamiento de suelos profundos (más de la mitad han estado funcionando durante más de una década), podemos evaluar si los procesos ecosistémicos se están aclimatando a temperaturas más altas y comparar las respuestas de calentamiento del suelo a corto y largo plazo. por ejemplo, Melillo et al., 2017; Walker et al., 2020.

El primer gran resultado de la red DeepSoil 2100 será una base de datos global que recopilará observaciones de experimentos existentes sobre calentamiento de suelos profundos. Esta base de datos facilitará estudios de síntesis y modelización para abordar varios temas de investigación emergentes, así como otras actividades. Crédito de la imagen: Fabrizzio Protti Sánchez y Avni Malhotra

Los estudios de síntesis podrían centrarse en cómo la respuesta del ciclo del carbono del suelo dentro y entre sitios depende de los nutrientes del suelo y la dinámica de la humedad del suelo. El aumento de las temperaturas puede reducir la humedad del suelo y alterar la disponibilidad de nutrientes, los cuales pueden cambiar el comportamiento de componentes clave del ciclo del carbono (por ejemplo, plantas y microbios) bajo un calentamiento prolongado. La variabilidad estacional e interanual de la humedad y los nutrientes del suelo podría ser otro mecanismo a considerar. Por ejemplo, se prevé que la respiración del suelo y la productividad primaria bruta (la tasa a la que las plantas capturan energía solar durante la fotosíntesis) serán más sensibles al calentamiento durante las transiciones estacionales de condiciones secas a húmedas, probablemente impulsadas por un aumento en la disponibilidad de nitrógeno.

La síntesis de datos globales sobre suelos profundos también será valiosa para obtener información sobre la dinámica y las respuestas al calentamiento de los organismos del suelo responsables del ciclo del carbono y los nutrientes, la estequiometría de las plantas y el suelo (el equilibrio relativo de nutrientes y otros elementos presentes), y aportes de carbono bajo y sobre la tierra. aportes de carbono. Todos estos factores se combinan para influir en la estabilidad y composición de los ecosistemas del suelo, así como en la fertilidad del suelo para las plantas.

Otros estudios de síntesis pueden examinar las respuestas explícitas en profundidad al calentamiento, incluidos los cambios en la producción de CO2 del suelo y las reservas de carbono orgánico del suelo, así como las variaciones en los componentes químicos de la materia orgánica del suelo y la distribución por edades del carbono del suelo a través del perfil del suelo. Se espera que las distintas respuestas de calentamiento del suelo con la profundidad sean impulsadas por factores como la humedad del suelo, la densidad de las raíces, la actividad de la fauna del suelo y las interacciones entre la materia orgánica del suelo y los minerales del suelo.

La exploración de los procesos en las zonas de enraizamiento en comparación con los de los suelos en masa en los distintos sitios experimentales es otra área rica para la exploración colaborativa a través de DeepSoil 2100. Los sustratos del suelo y la disponibilidad de nutrientes difieren a lo largo de los perfiles del suelo, y los cambios en los aportes subterráneos de materiales como los exudados de las raíces (compuestos liberados por las células vivas de las raíces) median muchos procesos microbianos y del suelo, lo que podría influir en las respuestas de calentamiento a largo plazo en las distintas profundidades. Los experimentos de campo coordinados que utilicen el etiquetado isotópico podrían complementar dichos estudios, por ejemplo, para examinar cómo cambian los depósitos específicos de carbono y nutrientes con el calentamiento. Además, los experimentos de incubación en laboratorio a temperatura controlada pueden ser útiles para dilucidar los procesos responsables de los cambios inducidos por el calentamiento observados durante las observaciones de campo.

Convocatoria a estudios y datos interdisciplinarios sobre suelos profundos
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Obtener una comprensión más profunda de los efectos del clima y el cambio climático en la biogeoquímica subterránea requiere estudios interdisciplinarios integrales que impliquen muestreo coordinado en diferentes sitios experimentales y en todas las profundidades del suelo. Los participantes de la red DeepSoil 2100 realizan investigaciones en una variedad de biomas, pero varios tipos de ecosistemas y regiones geográficas carecen de representación, como los ecosistemas de tierras secas y los ecosistemas de África, Oceanía y el hemisferio sur en general (Figura 1).

Como red, alentamos el establecimiento de nuevos experimentos sobre calentamiento de suelos profundos, especialmente en estas áreas no representadas, y brindamos experiencia y apoyo a los investigadores que planifican dichos experimentos conectándolos con científicos involucrados en esfuerzos establecidos. También damos la bienvenida con entusiasmo a representantes de esfuerzos experimentales actuales que aún no están vinculados a DeepSoil 2100 para que se unan a la red.

La colaboración interdisciplinaria global entre experimentadores, científicos de datos y modeladores es indispensable. A través de dicha colaboración, podemos llevar a cabo investigaciones integrales, desarrollar protocolos estandarizados para experimentos de campo y de laboratorio y lograr avances importantes en la construcción de modelos precisos para obtener información sobre la dinámica de todo el suelo y cómo cambian a medida que el suelo se calienta. Sólo con estos conocimientos podremos adaptar adecuadamente la gestión de los ecosistemas en el futuro.

Pueden surgir desafíos para los futuros estudios de síntesis y bases de datos debido a las diferencias en las estructuras de datos y las metodologías utilizadas en los sitios experimentales, pero el diálogo abierto y el aprendizaje compartido facilitado a través de la red DeepSoil 2100 brindan oportunidades para superar estos obstáculos. Al consolidar datos de múltiples experimentos en una única base de datos estandarizada, DeepSoil 2100 promueve el intercambio de datos en todo el mundo y facilita una toma de decisiones más informada para abordar los profundos impactos del calentamiento global en los procesos del suelo y, por extensión, en los ecosistemas y la sociedad.

Reconocimientos
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Agradecemos a los participantes presenciales y en línea del taller DeepSoil 2100 celebrado en París en 2023 por sus contribuciones a temas de síntesis emergentes y al Observatoire des Sciences de l’Univers Ecce Terra por su financiación. Debemos un agradecimiento especial a Abad Chabbi y Samuel Abiven por su ayuda con la organización y dirección científica del taller y a Jeffrey Beem-Miller por la actualización sobre el estado de la base de datos. FPS reconoce el apoyo del proyecto FutureArctic, financiado por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco de las Acciones Marie Skłodowska-Curie (subvención 813114). A.M. reconoce el apoyo de la Swiss National Science Foundation (proyecto 200021_215214) y el Laboratory Directed Research and Development Program at Pacific Northwest National Laboratory en virtud del contrato DE-AC05-76RL01830 del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). MST reconoce el apoyo de la Oficina de Ciencias, Department Of Eenergy de EE. UU., bajo el contrato DE-AC02-05CH11231. CR agradece a la Agence Nationale de la Recherche (ANR) francesa por la financiación del proyecto Soilwarm (ANR-21-CE01-0025). M.W.I.S. reconoce el proyecto DEEP C financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (200021_172744).

Referencias
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Bradford, M. A., et al. (2016), Managing uncertainty in soil carbon feedbacks to climate change, Nat. Clim. Change, 6(8), 751–758

Hanson, P. J., et al. (2017), Attaining whole-ecosystem warming using air and deep-soil heating methods with an elevated CO2 atmosphere, Biogeosciences, 14(4), 861–88

Hiederer, R., and M. Köchy (2012), Global Soil Organic Carbon Estimates and the Harmonized World Soil Database, Inst. for Environ. and Sustainability, Ispra, Italy

Jackson, R. B., et al. (2017), The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls, Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst., 48, 419–445

Lin, W., et al. (2018), Warming exerts greater impacts on subsoil than topsoil CO2 efflux in a subtropical forest, Agric. For. Meteorol., 263, 137–146

Malhotra, A., et al. (2019), The landscape of soil carbon data: Emerging questions, synergies and databases, Prog. Phys. Geogr., 43(5), 707–719

Melillo, J. M., et al. (2017), Long-term pattern and magnitude of soil carbon feedback to the climate system in a warming world, Science, 358(6359), 101–105

O’Gorman, E. J., et al. (2014), Climate change and geothermal ecosystems: Natural laboratories, sentinel systems, and future refugia, Global Change Biol., 20(11), 3,291–3,299

Rumpel, C., and I. Kögel-Knabner (2011), Deep soil organic matter—A key but poorly understood component of terrestrial C cycle, Plant Soil, 338(1), 143–158

Soong, J. L., et al. (2020), CMIP5 models predict rapid and deep soil warming over the 21st century, J. Geophys. Res. Biogeosci., 125(2), e2019JG005266

Soong, J. L., et al. (2021), Five years of whole-soil warming led to loss of subsoil carbon stocks and increased CO2 efflux, Sci. Adv., 7(21), eabd1343

Walker, T. W. N., et al. (2020), A systemic overreaction to years versus decades of warming in a subarctic grassland ecosystem, Nat. Ecol. Evol., 4(1), 101–108

Yost, J. L., and A. E. Hartemink (2020), How deep is the soil studied—An analysis of four soil science journals, Plant Soil, 452(1–2), 5–18

Información sobre los autores
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Fabrizzio Protti Sánchez, Department of Ecology, University of Innsbruck, Innsbruck, Austria; Avni Malhotra, Department of Geography, University of Zurich, Zurich, Switzerland; also at Biological Sciences Division, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Wash.; Michael W. I. Schmidt, Department of Geography, University of Zurich, Zurich, Switzerland; Cornelia Rumpel, Institute of Ecology and Environmental Sciences, Centre National de la Recherche Scientifique, Sorbonne Université, Paris, France; and Margaret S. Torn, Climate and Ecosystem Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Calif.

El paper How are deep soils responding to warming?, de Protti Sánchez, F., A. Malhotra, M. W. I. Schmidt, C. Rumpel, and M. S. Torn (2024), fue publicado el 17 de abril de 2024 en Eos, 105

El artículo How Are Deep Soils Responding to Warming?, publicado el 17 de abril de 2024 en Eos, con la firma de Fabrizzio Protti Sánchez, Avni Malhotra, Michael W. I. Schmidt, Cornelia Rumpel and Margaret S. Torn