Se pronostica que para los próximos 40 años la emisión de gases invernadero aumentará en forma alarmante, siendo el bióxido de carbono (CO2) el gas predominante. A la luz del cambio en el medio ambiente, los científicos del Servicio de Investigación Agrícola de Estados Unidos con sede en Urbana, Illinois, y en Raleigh, North Carolina, están tratando de determinar los efectos del incremento de los gases invernadero, en especial del CO2 y el ozono, en la soya y el trigo, dos de los cultivos más importantes del mundo entero.

CÁMARAS ABIERTAS PARA OBSERVAR HACIA EL INTERIOR

En la Unidad de Estudios Científicos de Vegetales en Raleigh, los fisiólogos en vegetales Fitzgerald Booker, Kent Burkey y Ed Fiscus estudian la forma cómo el cambio climático podría afectar el desarrollo y productividad de los cultivos de soya y trigo, así como los posibles cambios en la composición del suelo agrícola por exposición a niveles elevados de CO2 y ozono que existirán en el 2050 según proyecciones y estimaciones científicas.

El grano de soya, el trigo y otros cultivos se desarrollan mejor en presencia de niveles elevados de CO2 porque existe más carbón que las plantas necesitan capturar durante la fotosíntesis. Sin embargo, estas mismas plantas se dañan cuando los niveles de ozono a nivel del suelo tienen niveles muy elevados. El ozono es un gas invernadero que se forma con la quema de combustibles fósiles que emiten gases que reaccionan con la luz solar para formar ozono.

Se ha comprobado que los niveles de CO2 y ozono están aumentando en forma significativa en todo el planeta. Ante este hecho, el Panel Intergubernamental del Cambio Climático, un panel internacional integrado por destacados científicos, estima que los niveles de CO2 en 2050 pueden llegar a elevarse unas 1.5 veces más de lo que existe hoy en día que se calcula alcanza las 380 partes por billón. El panel también estima que el ozono que se registra durante las horas del día en verano, ahora es aproximadamente de 50-55 partes por billón y puede aumentar un 20 por ciento más en el mismo período.

En forma paralela, se estudian los efectos a futuro en los cultivos conforme se calcula aumentarán las emisiones de gases invernadero a la atmósfera. Para ello, los investigadores están llevando a cabo un proyecto a cinco años para desmentir la creencia muy difundida en la que se acepta que los sistemas de cultivo mejoran la calidad de la tierra y permiten la secuestración de carbón cuando aumentan
los niveles de gases invernadero; en especial del CO2.

Los investigadores de Raleigh han construido 16 cámaras abiertas, divididas en 4 secciones: 4 con niveles elevados de ozono, 4 con niveles elevados de CO2, otras 4 con niveles elevados de ambos gases, y finalmente, 4 cámaras bajo control. En cada una de las cámaras se bombea un 40 por ciento más de ozono y CO2 del que se encuentra hoy en día en el aire del ambiente. También se está filtrando carbón en el aire a fin de tratar de reducir el ozono en las cámaras de control para observar si es posible revertir el impacto en las plantas bajo la presencia de diferentes niveles de ozono y CO2.

Además, los investigadores están colocando en las cámaras residuos post-cosecha, como tallos, raíces, semillas-huecas y hojas secas, fundamentalmente para que el terreno semeje lo más posible a las condiciones naturales que existen en la realidad. Para medir los cambios del contenido de carbón y nitrógeno del suelo, los investigadores toman muestras dos veces al año. El CO2 que se bombea dentro de las cámaras tiene un marcador de isótopos específico con el cual se puede trazar la trayectoria del gas hacia las plantas y al interior del suelo. Así mismo, se realizan análisis de las capas vegetales más profundas del suelo para determinar los posibles cambios en su composición y determinar la cantidad de bacterias y hongos que existen en cada estrato y para ver si las poblaciones de microorganismos o las comunidades han cambiado.

Después de haber estudiado estos procesos durante tres años, los resultados preliminares muestran una tendencia a niveles elevados de carbón bajo la tierra en las cámaras que tienen niveles elevados de CO2 pero esto no sucede en las cámaras que tienen niveles elevados de ozono. Los niveles elevados de CO2 también reducen la cantidad de proteína en el harina de trigo de un 7 a un
11 por ciento; pero no se han encontrado diferencias en el contenido de proteína en el grano de soya.

SOYFACE: NUEVA TECNOLOGÍA, NUEVA COMPRENSIÓN

Los investigadores que están trabajando en Urbana colaboran con investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en el proyecto denominado “SoyFACE”. (FACE: Soybean Free Air Concentration Enrichment - Soya con Aumento Libre de Aire Concentrado) que también mide la manera como el incremento proyectado de CO2 y de ozono podría afectar la producción de soya.

La tecnología que utiliza FACE es un método científico que fue utilizado por vez primera en ARS para la investigación de los cultivos bajo la dirección de Bruce Kimball, fisiólogo en plantas de ARS y Jack Mauney (ahora ya retirado), en colaboración con los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de Estados Unidos, que les permitió llevar a cabo pruebas con las plantas en condiciones del medio ambiente natural al aire libre. Los científicos de ARS Don Ort, Lisa Ainsworth y Carl Bernacchi, de la Unidad de Investigación en Fotosíntesis, y Randall Nelson, de la Unidad de Investigación del germoplasma, patología y genética de la soya/maíz, utilizan esta tecnología para producir condiciones atmosféricas semejantes a las que se predice podrán existir hacia el año 2050.

Los científicos de ARS Carl Bernacchi, Don Ort y Lisa Ainsworth en el campo experimental de soya que ha sido tratado con elevados niveles de CO2 del Programa SoyFACE de la Universidad de Illinois en Urbana. (Foto: Agricultural Research, 2009)

Para cada prueba en esta investigación se utilizan pipas horizontales en forma de octágonos con cerca de 21 metros de diámetro. Con ayuda de la computadora se mide la dirección y la velocidad del viento, y entonces se lanzan cantidades concentradas de CO2 y de ozono. El viento hace lo suyo y dispersa los gases sobre el campo de cultivo de soya.

“Al inicio de este proyecto, queríamos observar y entender la forma como el CO2 y el ozono afectan en forma independiente el cultivo de soya”, señaló Ort. “Encontramos que la cosecha se soya se incrementa en cerca de un 12 por ciento con los niveles elevados de CO2 que se predice existirán en el 2050, lo que indica que es una cantidad mayor a lo que otros estudios ya habían estimado con anterioridad. También han encontrado que el incremento de los niveles de ozono dañan la producción con reducciones de hasta un 20 por ciento. De hecho, nuestro estudio mostró que los niveles actuales de ozono reducen la productividad de la soya hasta en un 15 por ciento”.

Los resultados de estos estudios independientes permiten a los científicos examinar los efectos combinados del CO2 y del ozono en la soya. Han encontrado que un nivel elevado de CO2 puede contrarrestar parcialmente los efectos nocivos del ozono. Estos descubrimientos que se han realizado con SoyFACE confirman los resultados generales que se han obtenido con los estudios en las cámaras abiertas sobre los efectos del CO2 y del ozono para medir la productividad de las cosechas y que han sido conducidos en Raleigh y otras localidades. Sin embargo, la habilidad de la tecnología de SoyFACE confirma los resultados generales que se han obtenido con estudios realizados en cámaras abiertas por la parte superior para medir el efecto del CO2 y del ozono en los campos de cultivo de soya y trigo, sin modificaciones en el medio ambiente que las mismas cámaras causan, lo que significa una mayor confiabilidad en los resultados y en la comprensión de la manera como las plantas responden al mundo real, incluyendo las actuales estimaciones del impacto de los gases invernadero en la productividad de los cultivos. Estos son grandes avances en la investigación de los efectos del cambio climático, aumento de gases invernadero, calentamiento global y cambios en la composición del suelo en la agricultura; no obstante, los investigadores coinciden en que todavía hay un gran camino por recorrer. En un futuro será necesario incrementar los estudios y la observación acerca de los factores de interacción que entran en juego con la presencia de ozono a nivel del suelo y que hay proyecciones que indican que se incrementarán en forma significativa a mediados de este siglo. En fechas recientes, los científicos han empezado a estudiar el efecto en la soya con factores combinados. Por ejemplo, presencia de ozono y aumento en la temperatura del ambiente; incremento de las sequías y de la temperatura ambiental, sequía y aumento del CO2; aumento de CO2 y aumento en la temperatura. También existen líneas de investigación para medir la cantidad de carbón que existe en la tierra agrícola y cómo estos cambios afectan la producción de soya, trigo y otros cultivos. Estos proyectos proporcionan información valiosa que puede ayudar a los agricultores a desarrollar con más eficiencia plantas útiles como son la soya, el trigo y otros cultivos, adaptándolas a los nuevos cambios y transformaciones del medio ambiente.

Estas investigaciones son parte de los Programas Nacionales de ARS: Programa Air Quality (#203), Global Change (#204), y Plant Biological and Molecular Processes (#302). (Mayor información en: www.nps.as.usda.gob).

* Stephanie Yao y Dennis O’Brien. Agricultural Research. November-December 2009, p.p. 10-11.