Patrones de respiración del suelo urbano en Medellín y su influencia en algunos servicios ecosistémicos

Abstract

La expansión urbana no planificada y el cambio en los usos del suelo son factores limitantes para el desarrollo de ciudades sostenibles y para la calidad de los servicios ecosistémicos. La urbanización del suelo se relaciona con la impermeabilización y compactación del terreno, la reducción de áreas verdes y la disminución de funciones ecosistémicas, generando impactos significativos sobre funciones como la regulación hídrica, la mitigación del cambio climático, la retención de nutrientes y la provisión de hábitats para la biodiversidad. En Medellín, las dinámicas de expansión urbana transforman las propiedades fisicoquímicas y biológicas del suelo, comprometiendo su calidad y capacidad para sostener las funciones ambientales. El cambio en los usos del suelo tanto planificado como informal, ha afectado principalmente las laderas y suelos poco aptos para construcción. La reducción de las áreas verdes, el aumento de suelo impermeable y de infraestructura urbana han causado, por ejemplo, inundaciones más frecuentes al presentar menor capacidad de infiltración de agua lluvia en el suelo. Esta investigación desarrollada en la ciudad de Medellín, Colombia, analiza muestras de 33 sitios urbanos categorizados como suelos en parques, de uso institucional, vehicular o residencial. A su vez cada categoría separa la influencia de coberturas vegetales como césped, compuesta por vegetación rastrera o pasto, mixta compuesta por vegetación ornamental con altura menor a 1,5 m y arbórea donde predominan individuos arbóreos con altura superior a 1,5 m. En las muestras de suelo se determinaron propiedades físicas como la textura, densidad real (DReal), densidad aparente (DApa), estabilidad de los agregados, índice de estabilidad estructural (ISE), índice de estabilidad de los agregados (ISA), diámetro medio ponderado (DMP), materia orgánica (MO), capacidad de retención de humedad (CRH), punto de marchitez permanente (PMP), capacidad de campo (C.C) y porosidad (macroporosidad (Pma) y microporosidad (Pmi)). El análisis químico incluyó carbono orgánico (C.O), carbono orgánico disuelto (DOC), pH en H2O y KCl 1N, nutrientes como calcio (Ca), magnesio (Mg), potasio (K) y sodio (Na), fosforo disponible (P), iones nitrito (NO2-), nitrato (NO3-) y fosfatos (PO43-), metales potencialmente tóxicos como el cromo (Cr), cobre (Cu), níquel (Ni), plomo (Pb), zinc (Zn) y mercurio (Hg). Los patrones de respiración del suelo urbano presentaron concentración relativa de los gases dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de nitrógeno (NO2) y amoniaco (NH3). (texto tomado de la fuente) El procesamiento de los datos obtenidos incluyó un análisis descriptivo; medidas de tendencia central, dispersión, tablas y gráficos. También Se implementó un análisis no paramétrico de ANNOVA, aplicando Kruskal-Wallis y Dunn para identificar específicamente qué grupos son significativamente diferentes entre sí y un análisis de componente principales (PCA) con el fin de identificar patrones o tendencias, donde se identificó la variabilidad de las propiedades fisicoquímicas respecto a las categorías parque, institucional, vehicular y residencial con cada una de las coberturas césped, mixto y arbóreo y un análisis de escalamiento multidimensional no métrico (NMDS) con el que se identificó la similitud y disimilitud en los patrones de respiración del suelo urbano con respecto a cada una de las categorías de uso y las coberturas. Dentro de los resultados se destaca la categoría de uso institucional para la prestación de servicios ecosistémicos relacionado con la regulación del ciclo hidrológico (capacidad de retención de humedad entre 28-35%), la categoría residencial por presentar mejores condiciones para la captación de carbono y sumidero de CO2 (Contenido de materia orgánica entre 12-24% y patrón de emisión de CO2 entre 350-487 ppm). Adicionalmente todas las categorías de uso de suelo urbano presentaron propiedades moderadas para el soporte de vegetación y biodiversidad. Los patrones de respiración del suelo urbano en Medellín resaltan la necesidad de una gestión más sostenible del suelo para mejorar sus propiedades fisicoquímicas y biológicas, las cuales son fundamentales en la provisión de servicios ecosistémicos como la regulación climática, la purificación del aire y la fertilidad del suelo. Los resultados de esta investigación aportan una base técnica y científica que puede ser utilizada en futuros estudios sobre la calidad del suelo urbano en Medellín y en otros entornos urbanos con dinámicas similares. Asimismo, este trabajo puede servir como insumo bibliográfico para la formulación de políticas públicas orientadas a la gestión sostenible del suelo urbano y para el diseño de proyectos que contribuyan al cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), en especial el ODS 11 (ciudades y comunidades sostenibles), el ODS 13 (acción por el clima) y el ODS 15 (vida de ecosistemas terrestres), en el contexto de los centros poblados.

Palabras clave: Desarrollo sostenible; servicios ecosistémicos; usos del suelo, tecnosoles, calidad del suelo, gestión del suelo, planificación urbana, Análisis de escalamiento multidimensional no métrico (NMDS), Gases Efecto Invernadero (GEI), calidad del aire, cobertura vegetal

Unplanned urban expansion and changes in land use are limiting factors for the development of sustainable cities and for the quality of ecosystem services. Soil urbanization is associated with land sealing and soil compaction, the reduction of green areas, and the decline of ecosystem functions, generating significant impacts on processes such as water regulation, climate change mitigation, nutrient retention, and the provision of habitats for biodiversity. In Medellín, urban expansion dynamics transform the physicochemical and biological properties of soils, compromising their quality and their capacity to sustain environmental functions. Changes in land use, both planned and informal, have mainly affected hillsides and soils that are poorly suited for construction. The reduction of green areas, the increase in impervious surfaces, and the expansion of urban infrastructure have led, for example, to more frequent flooding due to the lower capacity of soils to infiltrate rainwater. This research conducted in Medellín, Colombia, analyzes samples from 33 urban sites categorized as park, institutional, vehicular, and residential soils. Each category also differentiates the influence of vegetation cover types such as grass, composed of creeping vegetation or turfgrass; mixed cover, composed of ornamental vegetation less than 1.5 m in height; and tree cover, where tree individuals taller than 1.5 m predominate. Soil samples were analyzed for physical properties including texture, particle density (PD), bulk density (BD), aggregate stability, structural stability index (SSI), aggregate stability index (ASI), mean weight diameter (MWD), organic matter (OM), water retention capacity (WRC), permanent wilting point (PWP), field capacity (FC), and porosity (macroporosity and 14 microporosity). Chemical analysis included organic carbon (OC), dissolved organic carbon (DOC), pH in H2O and KCl 1N, nutrients such as calcium (Ca), magnesium (Mg), potassium (K), and sodium (Na), available phosphorus (P), nitrite ions (NO2 ), nitrate (NO3 - ), and phosphates (PO4 3- ), as well as potentially toxic metals such as chromium (Cr), copper (Cu), nickel (Ni), lead (Pb), zinc (Zn), and mercury (Hg). Urban soil respiration patterns showed relative concentrations of the gases carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitrogen dioxide (NO2), and ammonia (NH3). The processing of the obtained data included descriptive analysis, measures of central tendency and dispersion, as well as tables and graphs. A non-parametric ANOVA analysis was also implemented using the Kruskal–Wallis and Dunn tests to identify which groups were significantly different from each other. In addition, a principal component analysis (PCA) was conducted to identify patterns or trends, allowing the variability of physicochemical properties to be identified across the categories park, institutional, vehicular, and residential with each vegetation cover type (grass, mixed, and tree). A nonmetric multidimensional scaling analysis (NMDS) was also performed to determine similarity and dissimilarity in urban soil respiration patterns with respect to each land-use category and vegetation cover. Among the results, the institutional land-use category stands out for the provision of ecosystem services related to hydrological cycle regulation (water retention capacity between 28–35%), while the residential category shows better conditions for carbon capture and CO2 sequestration (organic matter content between 12–24% and CO2 emission patterns between 350–487 ppm). Additionally, all urban land-use categories showed moderate properties for supporting vegetation and biodiversity. Urban soil respiration patterns in Medellín highlight the need for more sustainable soil management to improve physicochemical and biological properties, which are fundamental for the provision of ecosystem services such as climate regulation, air purification, and soil fertility. The results of this research provide a technical and scientific basis that can be used in future studies on urban soil quality in Medellín and in other urban environments with similar dynamics. Likewise, this work can serve as a bibliographic input for the formulation of public policies aimed at sustainable urban soil management and for the design of projects that contribute to achieving the Sustainable Development Goals (SDGs), particularly SDG 11 (Sustainable Cities and Communities), SDG 13 (Climate Action), and SDG 15 (Life on Land), within the context of urban settlements.