Introducción

El clima es un conjunto de condiciones atmosféricas propias de un lugar, constituido por la cantidad de precipitación y temperatura cuya acción influye en la existencia de los seres sometidos a ella. Las modificaciones que experimenta el clima respecto al historial climático en una región y que persiste durante un periodo prolongado sonllamadas cambio climático y es debido tanto a causas naturales como antropogénicas (^{Crowley y North, 1988}).

De acuerdo con el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (^{IPCC, 2013}) en la actualidad está ocurriendo un cambio climático que impactará las diferentes regiones del mundo, el calentamiento del sistema climático es inequívoco y desde la década de 1950's, muchos de los cambios observados no tiene precedentes. Para todos los escenarios considerados de trayectorias de concentración representativas (RCP), excepto para el escenario RCP2.6, es probable que la temperatura tenga un incremento superior a 2 °C para el año 2100.

Estimaciones futuras sobre los efectos del cambio climático pronostican que enAmérica Latina son muy significativos, afectando de manera irreversible los ecosistemas y los servicios que éstos proporcionan (^{Vergara et al, 2007}). Las cifras del Banco Mundial (BM) para la reducción del riesgo de desastres indican que México se ubica entre los países con mayor vulnerabilidad ya que su territorio se encuentra altamente expuesto al riesgo de efectos adversos directos del cambio climático. Dentro de los efectos del cambio climático se encuentran la reducción de la disponibilidad de agua, aumento de inundaciones, sequías, reducción de rendimiento de la agricultura y pérdida de biodiversidad (^{Herrán, 2012}).

En países de centro y Sudamérica se han realizado estudios sobre la afectación del cambio climático sobre las zonas de vida de Holdridge (^{Mendoza et al, 2001}), con estimaciones plasmadas en su afectación sobre los ecosistemas. Esto es debido a que en las zonas de vida de Holdridge se propone la asociación como una unidad natural en la cual la vegetación, la actividad animal y el clima están todos interrelacionados en una combinación reconocida única (^{Holdridge, 1996}).

Es importante considerar que una zona de vida representa las condiciones climáticas que influyen en la vegetación potencial y el funcionamiento de los ecosistemas y no el estado de la cubierta vegetal en un tiempo determinado. Las variables utilizadas para su clasificación son factores que representan restricciones ecofisiológicas para el crecimiento de las plantas (^{Lugo et al, 1999}).

En nuestro país se han realizado esfuerzos importantes con la finalidad de estimar la distribución espacial de las condiciones climáticas bajo distintos modelos y escenarios desarrollados por el IPCC (^{Roeckner et al., 1996}; ^{UNIATMOS, 2014}) en donde se evidencian las tendencias generales de incrementos en la temperatura (^{Trejo et al., 2007}); sin embargo, la información referente a estudios sobre la vulnerabilidad de los ecosistemas es muy escasa, generalmente enfocada a especies muy particulares de plantas o animales.

Una de las principales limitantes que existen, incluso en los trabajos en donde se ha utilizado el sistema de zonificación bioclimática de Holdridge, como unidad experimental ante los escenarios de cambio climático, es la omisión de las zonas de transición bioclimática, donde los ecosistemas son particularmente sensibles a los cambios climáticos (^{Jiménez et al., 2010}). Un ecosistema es el conjunto de especies de un área determinada que interactúan entre ellas y con su ambiente. México cuenta con una superficie continental de 1 964 375 km² por lo tanto, para análisis enfocados al comportamiento de los ecosistemas ante cambios en el clima, es conveniente delimitar zonas de estudio que arrojen información significativa aún con variaciones pequeñas de incrementos de temperatura y disminución de precipitaciones.

En respuesta a esta necesidad, el objetivo del presente estudio es realizar una zonificación bioclimática basada en el modelo de zonas de vida de Holdridge, delimitando las zonas de transición con tendencia a cálidas y cálido secas las cuales, son especialmente sensibles a incrementos en la temperatura y reducciones de precipitación.

Materiales y métodos

Se realizó un sistema informático de zonificación bioclimática para la república mexicana basada en la metodologia de ^{Holdridge (Holdridge, 1996}). Se calculó la biotemperatura, la evapotranspiración potencial y el promedio de la precipitación anual total. La estimación de los factores climáticos para la zonificación tuvo como fuente de información los datos contenidos en el Extractor Rápido de Información Climatológica (ERIC, III), contenedor de las estaciones climatológicas del Instituto Mexicano de Tecnologia del Agua (^{IMTA, 2013}).

Se procesó una serie histórica de datos climatológicos con rango 1961-2003 y se estimó la distribución espacial de las temperaturas máximas mensuales, temperaturas minimas mensuales y la precipitación anual total, el resultado fue un conjunto de archivos ráster con resolución espacial de 0.001665 grados de unidades de arco. La secuencia de estimación de las zonas de vida se realizó como se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Diagrama descriptor de la secuencia de estimación de las zonas de vida (ZV), regiones de humedad (RH), regiones latitudinales (RL) y regiones altitudinales (RA). 

Se realizó la estimación de la Biotemperatura, la cual se entiende como la temperatura del aire, aproximadamente entre 0 °C y 30 °C, que determina el ritmo e intensidad de los procesos fisiológicos de las plantas (fotosintesis de las plantas, respiración y transpiración) y la tasa de evaporación directa del agua contenida en el suelo y en la vegetación (^{Crivelli y Dzendoletas, 2002}).

Para el cálculo de la Biotemperatura Media Mensual (BMM), se tienen tres casos usando la temperatura media mensual (TMM):

Donde: BMM= biotemperatura media mensual; TMaxM=temperatura máxima mensual; y TMinM= temperatura mínima mensual

La biotemperatura media anual (BMA) se estimó mediante la siguiente ecuación.

3)

Donde: BMA= biotemperatura media anual; BMM=biotemperatura media mensual; y n= número de meses.

Se calculó la evapotranspiración potencial, que es la cantidad de agua que sería evaporada directamente del suelo y la transpira por la vegetación natural en un estado estable que se encuentra sobre un suelo de buenas características y con un contenido óptimo de humedad (^{Samani, 2000}). Se estimó mediante la siguiente ecuación.

4)

Donde: EP= evapotranspiración potencial; y BMA=biotemperatura media anual.

La razón de evapotranspiración potencial, está en función de la biotemperatura y la precipitación, es un indice de las condiciones de humedad que refleja la disponibilidad de agua para el crecimiento de las plantas y los procesos ecológicos (^{Holdridge, 1996}; ^{Lugo et al, 1999}). Se estimó mediante la siguiente ecuación.

5)

Donde: REP= razón de evapotranspiración potencial; EP= evapotranspiración potencial; y PMA= precipitación media anual.

Una vez estimados cada uno de los componentes necesarios se procedió a utilizar el nomograma de Holdridge para identificar las zonas bioclimáticas. Uno de los principales inconvenientes del sistema de clasificación de Holdridge es el uso de progresiones logarítmicas en el nomograma, lo que limita su uso prácticamente a solo interpretaciones gráficas. Para corregir esta situación se transformaron las unidades logarítmicas del nomograma a unidades lineales utilizando las siguientes ecuaciones:

6)

Donde: Da= distancia en escala lineal; Vb= valor a transformar; Li= limite inferior de cada rango de escalas logarítmicas; y 2/log2= constante asociada al espaciamiento entre los valores de las escalas logarítmicas. 2 garantiza que la distancia gráfica entre intervalos logarítmicos sea de 2 cm.

7)

Donde: Ci= distancia lineal corregida; Da= distancia en escala lineal; y Di= espaciamiento acumulado de los intervalos desde el origen hasta la posición deseada.

La conversión de las unidades permitió reproducir en nomograma gráfico a un plano cartesiano con unidades lineales desde sus estructuras básicas. El software que se utilizó para esa actividad fue el AutoCad®. Asignando una coordenada de inicio (x, y) fue posible reconstruir cada uno de los componentes del nomograma en un ambiente que conjunta las utilidades gráficas y analíticas (Figura 2).

Figura 2 Nomograma de holdridge completo en AutoCad®. 

Una vez graficados los hexágonos que componen a las zonas de vida y plasmados en un plano cartesianos de unidades lineales fue posible obtener los centroides en coordenadas x, y de cada uno de ellos, asi como los rangos que delimitan cada una de las regiones latitudinales, altitudinales y de humedad del sistema de clasificación.

Se desarrolló un método que permite estimar la ubicación espacial de las unidades REP y PMA en coordenadas x, y. Para ello, primeramente es necesario encontrar la ubicación de cada valor sobre su recta de origen del nomograma mediante las ecuaciones.

8)

Donde: xa= coordenada X sobre la recta de origen del nomograma; 0= ángulo formado entre las rectas REP y PMA (60°); y Di= espaciamiento acumulado de los intervalos desde el origen hasta la posición deseada.

9)

Donde: ya= coordenada Y sobre la recta de origen del nomograma; 0=ángulo formado entre las rectas REP y PMA (60°); y Di= espaciamiento acumulado de los intervalos desde el origen hasta la posición deseada.

Tenemos que:

10)

Donde: b= ordenada al origen; m= pendiente de la recta; y 0= ordenada del origen del nomograma.

Obtenidos los valores de (xa, ya y b) para REP y PMA se procede a hacer uso de la ecuación de la recta para cada uno de ellos.

11)

Donde: y= valor correspondiente al eje de las ordenadas; xa= coordenada X sobre la recta de origen; nomograma; m= pendiente de la recta; y b= ordenada al origen.

Finalmente se resuelve el sistema de ecuaciones obtenido y el resultado es un par de coordenadas (x,y) que corresponden a una ubicación dentro del nomograma.

Cada uno de los hexágonos de zonas de vida cuenta con un centroide de coordenadas (x, y) por lo tanto, el centroide más cercano al par de coordenadas resultante del sistema de ecuaciones REP y PMA será el correspondiente al hexágono de la zona de vida que le atañe. Los pisos altitudinales y latitudinales se encuentran bien definidos por el eje de coordenadas "y" dentro del plano cartesiano mientras que la región de humedad se encuentra definida directamente por los valores de REP (Figura 3).

Figura 3 Ejemplificación de un par de coordenadas que permiten la ubicación de una zona de vida. 

Una de las características más importantes del nomograma de holdridge es la posibilidad de identificar en los hexágonos áreas de transición de las zonas de vida (Figura 4). Las lineas principales de los hexágonos son los limites de cada zona de vida. Las lineas guia de biotemperatura, precipitación y relación de evapotranspiración potencial, forman seis triángulos en cada hexágono. Estos triángulos son las áreas de transición. Dentro de cada triángulo, dos de los tres factores principales, corresponden a la misma región, la misma provincia de humedad o la banda de precipitación a que corresponde el cuerpo principal del hexágono. El tercer factor corresponde a la región, faja, provincia o régimen de precipitación del hexágono vecino (Jiménez, 1993).

Figura 4 Zonas de transición en una zona de vida. 

Se desarrolló un sistema informático escrito en lenguaje C, que realiza las operaciones antes descritas a nivel pixel, una vez que se le proporciona la información climática en formato ráster. Esto permite reproducir el procedimiento de manera automatizada estando en posibilidad de probar repetidamente tanto los datos actuales como los escenarios futuros de precipitación y temperatura causados por el cambio climático. En el análisis no fueron consideradas las correcciones por asociaciones edáficas, hidricas y atmosféricas.

Validación del modelo

Para verificar las veracidad de las zonas de vida se realizó una comparación entre las zonas estimadas e información medida directamente en campo a través de los levantamientos del proyecto Inventario Nacional Forestal y de Suelos (INFyS) (^{CONAFOR, 2011}). Se seleccionaron 24 sitios de muestreo, para cada uno se extrajo información referente a localización geográfica, dominancia y riqueza de especies (Cuadro 1). Utilizando la localización geográfica de cada sitio se extrajo del mapa de zonas de vida la clasificación correspondiente y se procedió a hacer una evaluación de la concordancia como se muestra en el Cuadro 2.

Cuadro 1 Datos de levantamientos de campo INFyS. 

Cuadro 2 Evaluación de concordancia de zonas de vida estimadas y observadas por el INFyS. 

La evaluación de concordancia se realizó mediante el coeficiente Kappa (^{Cohen, 1960}), haciendo uso de la ecuación 12.

12)

Donde: K= coeficiente Kappa; N= número de elementos; Xij= sumatoria de la diagonal; Xc= sumatoria de columnas; y Xl= sumatoria de renglones.

De acuerdo a la evaluación de concordancia realizada, se obtuvo un valor de 0.95. El coeficiente Kappa toma valores teóricos entre 0 (total desacuerdo) y 1 (máximo acuerdo) por lo tanto, el grado de concordancia obtenido es casi perfecto (^{Landis y Koch, 1977}), lo que demuestra la validez de la zonificación bioclimática.

De igual forma, para evaluar el grado de sensibilidad de las zonas de transición al cambio climático, se procedió realizar una comparación del estado actual de las zonas bioclimáticas respecto a los cambios esperados con las variaciones de temperatura estipuladas en el escenario RCP2.6 para el periodo 2016 - 2035 del IPCC (^{IPCC, 2013}).

Resultados y discusión

Resultado de la zonificación bioclimática se obtuvo un mapa con las zonas de vida que le corresponden a la república mexicana, otro con las regiones de humedad y un más con las regiones latitudinales acorde a sus características climáticas.

De acuerdo con la clasificación de zonas de vida actual, la clasificación bosque domina en la República Mexicana con 56.58% del territorio, seguido por el monte espinoso con 30.56%, 8.69% es matorral desértico, 4.05% está constituido por desierto y finalmente 0.12% corresponde a estepa (Figura 5).

Figura 5 Zonas de vida actuales de la República Mexicana. 

La distribución de las regiones de humedad estimadas del territorio nacional corresponden al 37.32% a la región sub húmedo; 33.61% es semiárido; 9.88% corresponde a la región árida; 4.01% es súper árido y 0.5% es desecado. Por otra parte, 1.21% el territorio nacional pertenece a la región húmedo y tan solo el 0.0005% corresponde a la región súper húmedo (Figura 6).

Figura 6 Regiones de humedad de la República Mexicana. 

Las regiones latitudinales estimadas corresponden a 21.96% del territorio nacional como tropicales; 48.44% fue clasificado como subtropical; 28.25% corresponde a la región templado cálida; 1.28% pertenece a la región templado fría y finalmente 0.07% corresponden a las regiones boreal, subpolar y polar (Figura 7).

Figura 7 Regiones latitudinales de la República Mexicana. 

Haciendo uso de los triángulos que corresponden a las zonas de transición cálida y cálida - seca dentro de las zonas de vida, se obtuvo que casi una tercera parte del territorio nacional (29.61%), se localiza en estas zonas de transición; es decir, 581 613.86 km² de nuestro país son especialmente vulnerables a los cambios climáticos, considerando pequeñas reducciones en la precipitación o elevaciones de temperatura, provocarán grandes cambios en la composición de los ecosistemas que las componen (Figura 8).

Figura 8 Localización de superficies en zonas de transición cálida y cálida - seca. 

Resultado de la comparación del estado actual de las zonas bioclimáticas respecto a los cambios esperados con las variaciones de temperatura estipuladas en el escenario RCP2.6 para el periodo 2016 - 2035 del IPCC, se presentan en el Cuadro 3. Puede observarse como un incremento de temperatura de 0.3 °C provocará cambios en las zonas bioclimáticasactuales en 17.25% del total de la superficie estimada como zona de transición, causando que sus caracteristicas climáticas las ubiquen como regiones latitudinales más cálidas y regiones de humedad más secas. Cuando el incremento es de 0.7 °C, los cambios en la superficie de transición aumentan a 34.65%. En las Figuras 9, 10 y 11, se pueden visualizar la distribución de las regiones bioclimáticas que experimentaria la república mexicana, pero estos cambios son más acentuados en las zonas de transición.

Cuadro 3 Porcentaje de cambio que sufren las zonas de transición ante la presencia de pequeñas variaciones de temperatura y precipitación. 

Figura 9 Zonas de vida de la República Mexicana una vez incrementados 0.7 °C de temperatura. 

Figura 10 Regiones de humedad de la República Mexicana una vez incrementados 0.7 °C de temperatura. 

Figura 11 Regiones latitudinales de la República Mexicana una vez incrementados 0.7 °C de temperatura. 

De acuerdo con lo anterior se pudo observar la sensibilidad de las zonas de transición bioclimática frente a pequeños cambios en la precipitación y temperatura, confirmándose de esta manera la importancia de su delimitación.

Conclusiones

Se desarrolló un sistema de zonificación bioclimática bajo la metodologia de Holdridge. Mediante la zonificación se obtuvo que 29.61% de la superficie continental de la República Mexicana se localizó en zonas de transición, lo que las vuelve especialmente sensibles a las variaciones climáticas. Un incremento de 0.7 °C es capaz de producir cambios hasta34.65% de dichas superficies provocando que se ubiquen en regiones latitudinales más cálidas y regiones de humedad más secas. La delimitación de zonas sensibles a las variaciones climáticas proporciona una valiosa información para investigaciones futuras referentes a las capacidades de adaptación de los ecosistemas y los efectos que el cambio climático puede causar a gran escala.