Introducción

El incremento en la demanda de recursos hídricos en el noroeste de México, requiere de un conocimiento más detallado de las variaciones climáticas de alta y baja frecuencia que ocurren directamente en los sitios de captación de agua, como es el caso de la Sierra Madre Occidental (SMO), donde se generan los escurrimientos que drenan hacia los grandes reservorios ubicados en la parte baja de la Cuenca del Río Yaqui (CRY) y que posteriormente son utilizados para riego superficial. El conocer con detalle las fluctuaciones hidroclimática y sus tendencias, permitirá fundamentar acciones de manejo integral de agua que consideren este comportamiento y permitan planear la liberación de los volúmenes de agua, acorde a esta variabilidad.

El objetivo de este estudio fue desarrollar una red dendrocronológica de madera temprana, tardía y de anillo total de especímenes de Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii Mirb. Franco) en la parte alta de la CRY y relacionarla con datos climáticos y escurrimientos registrados en la cuenca y con los volúmenes de agua generados a nivel subcuenca y captados en las diferentes presas; esta información es de relevancia científica para modelar tendencias de la variabilidad hidroclimática en esta cuenca y fundamentar acciones que permitan la conservación de los sitios de producción de agua y planear un manejo sustentable del recurso hídrico con base a la frecuencia de eventos extremos.

Materiales y métodos

Núcleos de crecimiento y secciones trasversales de individuos seleccionados de Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii) y de Pinus arizonica, se colectaron en bosques mixtos de coníferas en la sección sureste de la CRY en el estado de Chihuahua. Los sitios de colecta se distribuyeron en la parte oriental, subcuenca presa El Novillo en el estado de Chihuahua, estos fueron "Tutuaca", dentro del área de conservación Cebadillas-Tutuaca, "Cebadillas de Ocampo", "Bisaloachi", "Madera" en el ejido "El Largo y Anexos", "Bocoyna" y"Basagochi", sólo el sitio "Bacadehuachi" se ubicó en el extremo norte de la CRY en el estado de Sonora.

En cada sitio, se seleccionaron árboles longevos y se obtuvieron incrementos radiales con un taladro de Pressler. Adicionalmente, se colectaron secciones trasversales de árboles muertos para facilitar el fechado y lograr extender las series dendrocronológicas en el tiempo. Las muestras se fecharon mediante técnicas dendrocronológicas convencionales (^{Stokes y Smiley, 1968}; ^{Fritts, 1976}). Cada crecimiento individual, se dividió en bandas de crecimiento de madera temprana, tardía y anillo total (EW, LW y RW, por sus siglas en inglés), se midieron con un sistema convencional de medición VELMEX. El cofechado y exactitud de la medición de cada anillo, se verificó con el programa COFECHA (^{Holmes, 1983}). Las tendencias biológicas no relacionadas con clima, se removieron con el programa ARSTAN (^{Cook, 1987}), mediante el proceso de estandarización. Con ello, se genera un Índice de Ancho de Anillo (RWI, por sus siglas en inglés), otro de madera temprana (EWI y madera tardía LWI, por sus siglas en inglés.

La asociación entre series dendrocronológicas desarrolladas tanto dentro de la CRY, como fuera de la misma, se analizó mediante correlaciones simples y componentes principales para determinar, aquellas con una respuesta climática común e integrar una cronología representativa de la cuenca con fines de comparación con variables climáticas e hidrométricas.

Las cronologías también se compararon con volúmenes de escurrimiento registrados en cada una de las presas y con el escurrimiento total registrado por los escurrimientos de los ríos que descargan en la CRY. Debido a la anormalidad de los datos hidrométricos, estos se normalizaron al transformarlos a valores logarítmicos, cuadráticos, raíz cuadrada y valor inverso, luego se compararon contra los índices dendrocronológicos para determinar la mejor asociación con fines de explicar las fluctuaciones de alta y baja frecuencia que caracterizan la disponibilidad de los recursos hídricos en esta zona.

Los índices anuales de las series dendrocronológicas individuales y la regional representativa de la CRY, se compararon contra los índices ENSO para definir el impacto de este patrón circulatorio, el cual explica gran parte de la variabilidad hidroclimática invierno-primavera observada a nivel regional (^{Díaz et al, 2002}; ^{Cleaveland et al, 2003}; ^{Nicholas y Battisti, 2008}; ^{Villanueva et al, 2009}; ^{Cerano et al., 2012}). La asociación con estos fenómenos circulatorios, se realizó al contrastar tanto los índices dendrocronológicos individuales como el regional con índices registrados del Niño Oscilación del Sur (SOI) (^{Allan etal., 1996}), índices SOI reconstruidos para el norte de México (^{Stahle et al, 1998}), e índice de lluvia tropical (TRI, por sus siglas en inglés), que constituye un estimativo de la variabilidad de ENSO (Wright, 1970).

Las reconstrucciones dendroclimáticas desarrolladas se verificaron en la medida de lo posible con reconstrucciones previas y con documentos históricos relacionados con la producción de alimentos y de otros impactos sociales y económicos descritos para la región (^{McCullough, 2005}; ^{Endfield y Fernández, 2006}).

Resultados

Red dendrocronológica

La red dendrocronológica se integró por siete sitios de muestreo de Douglas-fir en zonas de captación de agua en parte de la CRY en el estado de Chihuahua. Dos cronologías adicionales, una de Douglas-fir (Sierra de los Ajos) y otra de Pinus arizonica (Bacadehuachi) para la parte norte de la CVY en el estado de Sonora y tres cronologías adicionales en la parte sur de Chihuahua (Cuadro 1).

Cuadro 1 Sitios de colecta, coordenadas geográficas y extensión de las cronologías generada en la CRY en los estados de Chihuahua, Sonora y fuera de la cuenca con fines comparativos. 

Seis de las cronologías (TUT, BIS, CDO, MAD, CAC, ENA) se ubicaron en la porción central de la subcuenca que drena hacia la presa "El Novillo" y una más (MDG) en el extremo norte de la misma subcuenca (Figura 1).Al considerar como referencia la serie dendrocronológica de anillo total del sitio Tutuaca, se determinó que existe una correlación que supera 0.60 (p< 0.001) para la mayoría de las series ubicadas dentro de la misma cuenca.

Figura 1 Distribución geográfica de sitios de muestreo de Douglas-fir en la CRY para la generación de series dendrocronológicas. 

Respuesta climática de las cronologías

La cronología de Tutuaca y la regional integrada por los sitios CDO, MAD, MDG, TUT, BIS, CAC y ENA dentro de la subcuenca de la presa El Novillo, se comparó contra los datos de precipitación promedio de las estaciones climáticas presentes en esta subcuenca como son las estaciones "Peñitas" (29.217^o latitud norte, 108.023; 2,212 m),"Tres Ojitos" (28.917^o latitud norte, 108.083 longitud oeste; 2 600 m), "Madera" (29.20^o latitud norte, 108.10^o longitud oeste; 2 092 m) y "La Junta"(28.75^o latitud norte, 107.96^o longitud oeste; 2 053 m). Tanto la cronología estándar EW del sitio Tutuaca, como la regional, mostraron una correlación significativa con la precipitación acumulada febrero-mayo con valores de 0.73 y 0.74 (1938-1988, p< 0.01), respectivamente. Para fines de reconstruir la variabilidad de lluvia, se utilizó la cronología regional, la cual integra la variabilidad del clima en esta zona y es más representativa de las condiciones hidroclimática dominantes de la subcuenca.

Los registros de precipitación disponible (1938-1988) se dividieron en dos subperíodos con fines de calibración (1938-1964) y verificación (1965-1988). Debido a que ambos subperíodos fueron significativos con correlaciones de 0.83 y 0.71, respectivamente, se utilizó el período total de datos disponibles (1938-1988) para generar un modelo lineal de reconstrucción, el cual fue el siguiente:

Donde: Ppt= es la precipitación reconstruida estacional febrero-mayo (mm); Xi= es el índice anual de madera temprana.

La reconstrucción estacional febrero-mayo (invierno-primavera) mostró alta variación interanual en 479 años (1534-2012) de extensión de la reconstrucción (Figura 2). Períodos extremadamente secos se presentaron en 1541-1552, 1608-1624, 1666-1676, 1681-1695, 1733-1743, 1770-1779, 1801-1806 (excepto, 1804), 1840-1843, 1860-1866, 1879-1887, 1892-1894, 1908-1911, 1934-1939, 1949-1956, 1959-1963, 1993-1996 y 2002-2012 (excepto 2010). Los períodos húmedos fueron menos frecuentes y de menor duración y algunos de los más intensos ocurrieron en 1569-1603, 1649-1655, 1744-1747, 1780-1784, 1872-1878, 1923-1926 y 1983-1987.

Figura 2 Reconstrucción estacional de la precipitación invierno-primavera (febrero-mayo) para la subcuenca productora de agua en parte de la SMO en el estado de Chihuahua y que drena hacia la CRY. 

La cronología regional estándar EW mostró una asociación significativa (r= 0.55, 1902-2003, n=102,p< 0.001) con la precipitación reconstruida invierno-primavera (noviembre-abril) para la CRY. Por lo que respecta a la cronología regional LW, esta no indicó ninguna asociación con el índice de precipitación de verano para el área total de la CRY; valores generados al integrar la base de datos de ^{Hulme et al. (1998)} del período 1900-1996 y de ^{Zhu y Lettermaier (2007)} de 1925-2004 (^{Nicholas y Battisti, 2008}).

Para el caso de la presa El Novillo, la mayor correlación (r= 0.41, 1964-2006, n= 43, p<0.05) se produjo al relacionar la cronología regional longitud oeste y los volúmenes acumulados mensuales de los tributarios de dicha subcuenca para el período enero-mayo. Finalmente, el volumen anual de los tributarios de la presa Oviachi estuvo correlacionado con la cronología regional RW (r= 0.49, 1952-2006, n= 55, p< 0.01).

La asociación entre las entradas (aportaciones deducidas + lluvias) del sistema de presas del Río Yaqui y la cronología regional EW, mostró una asociación significativa (r= 0.71, 1956-2012, p< 0.01), por lo que esta asociación se utilizó para reconstruir los volúmenes totales de entradas de flujo a las presas. Los registros disponibles se dividieron en dos porciones, una para calibración (1984-2012) y otro para verificación (1957-1983). Las correlaciones encontradas para ambos subperíodos fueron de 0.76 (p< 0.01) y 0.72 (p< 0.01), respectivamente y debido a la significancia de ambos subperíodos, se utilizó el período total (1957-2012) de datos disponibles para generar el modelo de reconstrucción, que fue el siguiente:

Donde: entradas = total de volumen de escurrimiento registrado por los tributarios de la CRY; X_i= Índice de madera temprana de la cronología estándar regional.

Al aplicar el modelo lineal a los índices regionales EW, se generó una reconstrucción de los volúmenes en logaritmos base 10, valores que mediante el antilogaritmo se trasformaron a volúmenes estacionales (Figura 3). La reconstrucción mostró alta variabilidad en el tiempo, con la presencia de períodos secos y húmedos aún más intensos que los detectados en los registros instrumentales hidrométricos; situación indicativa de la probabilidad de que se puedan presentar nuevamente eventos de tal magnitud.

Figure 3 Accumulated entries from October to June of the reconstructed volumes of the last 479 years (1532 2012) of the main rivers that feed the CRY. 

La relación entre la reconstrucción de volúmenes escurridos (octubre-junio) en la CRY y la precipitación invierno-primavera (febrero-mayo) de la parte alta de la cuenca en el estado de Chihuahua, indicó una correlación de 0.83 (p< 0.001), valor altamente significativo para los últimos 479 años, e indicativo de la gran importancia hidrológica de las cuencas ubicadas en la SMO para explicar la variabilidad en la disponibilidad de agua en el Valle del Yaqui. Al igual que con la precipitación, los períodos con disponibilidad de volúmenes inferiores a la media fueron más frecuentes que aquellos con mayor escurrimiento (Figura 4).

Figura 4 Años en que las entadas acumuladas a la CRY en el periodo octubre-junio fueron inferiores a la media. (Barras negras) y aquellos con escurrimientos por encima de la media (barras blancas). Se observa la dominancia de escurrimientos inferiores al promedio. 

Los volúmenes reconstruidos, se caracterizan por la dominancia de períodos secos de 2 a 5 años (52 eventos), aunque también se presentaron períodos hasta de más de 10 años consecutivos (4 eventos), como los ocurridos de 1541 a 1552, 1610-1620, 1771-1782 y 1998-2008. Los períodos húmedos fueron menos comunes y dominaron los de dos (24 eventos) y tres años consecutivos (3 eventos) y sólo los intervalos de 1638-1643, 1580-1587 y 1809-1818, superaron seis años con escurrimientos superiores al promedio.

Asociación entre los indices de oscilación del sur y la serie dendrocronológica regional

Uno de los fenómenos de mayor impacto en la variabilidad hidroclimática del norte de México es ENSO, en particular durante su fase cálida, que se caracteriza por un incremento en la precipitación invernal (^{Stahle et al, 1998}).Al comparar los índices de la cronología regional EW e índices del SOI, como los generados por ^{Allan et al. (1996)}, National Climatic Data Center (^{NOAA, 2014}), TRI (Wright, 1970) y los reconstruidos para el norte de México (^{Stahle et al, 1998}), se encontró una asociación significativa entre ambas variables (Cuadro 2).

Cuadro 2 Relación ente la cronología regional EW para la CRY y los indices estacionales promedio SOI del periodo invierno-primavera. 

La relación encontrada entre los índices SOI reconstruidos para el norte de México y la serie regional EW, corroboran el efecto favorable de este fenómeno al incrementar la precipitación del período invernal en esta región. No obstante, esta influencia no ha sido estable y ha mostrado fluctuaciones a través del tiempo (Figura 5). De esta manera en subperíodos de 25 años, las correlaciones encontradas fueron mínimas de 1756 a 1780 (r= 0.01), aunque en otros subperiodos superaron una correlación de 0.70. Los resultados anteriores indican que en esta región, el crecimiento anual de la madera temprana explica hasta 35% de la variabilidad de ENSO.

Figura 5 Relación entre la cronologia regional EW de la CRY y el indice SOI reconstruido para el norte de México. La relación es negativa, ya que mientras los SOI se tornan negativos (años Niño) el crecimiento de la madera temprana se incrementa. 

El fenómeno del Monzón de Norteamérica tiene una influencia elevada en esta región, particularmente en el verano, donde se produce más de 50% de los escurrimientos que se registran en las presas (^{Douglas et al, 1993}), no obstante lo anterior, su variabilidad interanual y multianual es comparativamente menor con relación a la media histórica. En este estudio, no se encontró una relación significativa entre el índice EW, LW o RW con la precipitación regional de verano reconstruida por ^{Nicholas y Battisti (2008)} para la CRY; resultado que se refleja en el pobre potencial de los anillos de Douglas.

Discusión

Las series dendrocronológicas generadas en la porción oriental de la CRY en el estado de Chihuahua, mostraron una variabilidad interanual y multianual común, como se deduce de las altas correlaciones observadas entre las cronologías individuales (0.60 a 0.75). Este comportamiento similar, resulta del impacto de variables climáticas comunes que afectan por igual esta zona en una superficie aproximada de 15 000 km² y que no obstante, constituir sólo 21% de la superficie total de dicha cuenca, representa una fuente hidrológica de gran importancia para la disponibilidad de escurrimientos en el Valle del Yaqui.

La serie regional EW para la cuenca alta del río Yaqui fue sensible a la precipitación invierno-primavera, la reconstrucción desarrollada para este sector de la cuenca es importante para cuantificar la precipitación que ocurre en esta época del año, de la cual depende el crecimiento de madera temprana de coníferas de interés comercial y al mismo tiempo, permite determinar las fluctuaciones en la disponibilidad hídrica en el período invernal, donde se presentan lluvias, que aunque no son de gran intensidad, si favorecen su almacenamiento en la matriz del suelo, para ser utilizado posteriormente por los árboles al inicio de la estación de crecimiento (^{Cleaveland et al, 2003}; ^{Villanueva et al, 2009}).

Las grandes sequías detectadas en la reconstrucción de lluvia estacional como las ocurridas en 1541-1552, 1608 1624, 1733-1743, 1770-1779, 1860-1866, 1879-1887, 1934-1939, 1943-1956 y 1993-2012, han sido reportadas en reconstrucciones previas para Durango y Chihuahua (^{Díaz et al, 2002}; ^{Cleaveland et al, 2003}; ^{Villanueva et al, 2009}; ^{Sosa-Nájera et al, 2010}), y algunas de ellas como las de la década de 1550, también se registraron para el noreste y centro de México (^{Therrell et al, 2006}). Los efectos de estas sequías afectaron la disponibilidad de alimentos y en algunas de ellas se presentaron hambrunas y epidemias que diezmaron notablemente la población indígena, como es el caso de la sequía de 1540-1550, que afectó severamente el centro y norte de México (^{Acuña-Soto et al., 2002}).

En el estado de Chihuahua y con base a documentos históricos, ^{Endfield y Fernández (2006)} , reportan crisis de producción de alimentos y presencia de epidemias en los siglos XVIII y XIX, particularmente en las décadas de 1730 y 1740. Los años de 1785 y 1786 conocidos como "El Año del Hambre" fueron de gran escases de alimentos debido a una sequía generalizada que impactó principalmente el centro de México (^{Florescano, 1980}).

En el período de 1804 a 1806 se presentó una sequía muy intensa en la región de Chihuahua y Durango que produjo crisis de producción de alimentos. Los períodos de sequías severas como los ocurridos en las décadas de 1860, 1890, 1900, 1950 y 1990 han sido reportados en diversas reconstrucciones paleoclimáticas (^{Villanueva et al., 2009}) y para la sequías recientes (1992-2004; 2002-2012) datos de producción agrícola para la CRY indican un impacto, tanto en la superficie cultivada como en rendimientos unitarios de trigo (^{CONAGUA, 2008}; ^{Cruz y García, 2008}).

La relación observada entre las series dendrocronológicas desarrolladas en cada una de las subcuencas y los volúmenes de escurrimiento registrados en las presas fue significativa. Para el caso de la presa LaAngostura, la serie dendrocronológica EW del sitio MDG, explica 45% de los escurrimientos que en ella se registran de octubre ajunio, información que corrobora su alto potencial para el desarrollo de reconstrucciones históricas de esta variable. Series dendrocronológicas individuales como Tutuaca, o Bisaloachi, no estuvieron correlacionadas con los volúmenes de escurrimiento registrados en las presas El Novillo u Oviachi, pero sí con la cronología regional de anillo total o de maderatardía; las correlaciones, sin embargo, aunque significativas, no superaron 0.49 (p< 0.05, 1952-2006), lo cual habla de la necesidad de ampliar la red dendrocronológica en cada una de las subcuencas para reconstruir su flujo histórico y analizar con detalle su variabilidad en el tiempo.

La capacidad de las cronologías con fines de analizar la variabilidad en la disponibilidad de los recursos hídricos en la CRY, se manifiesta al integrar series de cronologías con una respuesta común; en este aspecto, la cronología regional EW integrada por siete cronologías distribuidas en la subcuenca de la presa El Novillo, explicó la variabilidad en los escurrimientos acumulados octubre-junio para toda la CRY, volúmenes que constituyen 43% de los escurrimientos registrados durante el ciclo agrícola. Esta reconstrucción sugiere que la planeación del ciclo agrícola en términos de superficie cultivada, no debe fundamentarse en los registros de escurrimientos promedio de los últimos 70 años; en contraste, deben considerarse eventos extremos hasta de 10 años consecutivos que se presentan al menos una vez por siglo y que han afectado el valle del Yaquí en los últimos 479 años.

La variabilidad hidroclimática detectada en esta región y en particular durante el período invernal, tiene alta influencia de ENSO (^{Stahle et al., 1998}; ^{Nicholas y Battisti, 2008}). La asociación encontrada entre los índices EW y SOI reconstruidos fue de -0.59, situación que implica que la fase cálida de este fenómeno produjo un efecto favorable al incrementar la precipitación invernal, pero también sequías intensas durante la fase fría, como ocurrió en última década, con una reducción drástica en la superficie cultivada.

Cronologías de Pseudotsuga menziesii desarrolladas en el norte de México son muy sensibles a la variabilidad hidroclimática, como se ha demostrado con diversas reconstrucciones de precipitación para Chihuahua (^{Díaz et al., 2002}; ^{Villanueva et al., 2009}) y Durango (^{Cleaveland et al., 2003}; ^{González et al., 2005}; ^{Villanueva et al., 2005}).

Conclusiones

Las series dendrocronológicas desarrolladas en al CRY y en particular, las ubicadas en la subcuenca El Novillo, poseen una variabilidad interanual y multianual similar, debido a que son afectados por fenómenos climáticos, que ejercen una influencia común en el crecimiento radial Douglas-fir en esta región. Este comportamiento permitió integrar las series dendrocronológicas en una cronología regional, representativa de toda la cuenca y de utilidad para reconstruir y analizar la variabilidad de lluvia estacional, escurrimientos y definir el impacto de patrones de circulación general como ENSO, en más de 450 años de extensión de las series generadas.

Los registros de escurrimiento en la Presa La Angostura estuvieron relacionados significativamente con la serie dendrocronológica EW del sitio MDG; esta relación aunque significativa, pudiera mejorarse mediante la generación de una red dendrocronológica a nivel subcuenca, con la que se captaría toda la variabilidad climática que en ella ocurre.

Las reconstrucciones de precipitación estacional y de escurrimientos con la serie regional EW estuvieron altamente correlacionadas, lo que implica, que la precipitación invierno-primavera determina los escurrimientos que se presentan en el período octubre-junio y que constituyen el 43% de los registrados en la CRY. La precipitación de verano, que origina 57% de los escurrimientos y que se presenta de julio a septiembre, está influenciada por el Monzón de Norteamérica, el cual no mostró alta variabilidad interanual y no se reflejó en el crecimiento de la madera tardía; situación que sugiere la necesidad de desarrollar una red dendrocronológica más completa de series de madera tardía de Douglas-fir y de otras coníferas, que permitan definir con mayor claridad, el efecto potencial de la precipitación en el incremento radial de las especies arbóreas involucradas.

La variabilidad de interanual en el crecimiento de la madera temprana en la CRY estuvo asociada significativamente con los SOI, esta relación aunque alta no fue constante en el tiempo, pero en ciertos subperíodos superó 0.70, lo que le confiere el potencial para generar modelos de predicción de escorrentías con base a la relación incremento radial-ENSO. Muchos de los períodos secos y húmedos detectados en las reconstrucciones han sido reportados en reconstrucciones para el norte y centro de México, lo que sugiere que estudios de este tipo deben promoverse para un mejor entendimiento de la variabilidad hidroclimática natural y la provocada por causas antropogénicas.