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Introducción
Las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) hacia la atmósfera, principalmente CO2, son una de las causas antrópicas más importantes para el cambio climático (Montes et al., 2008). La mayor cantidad de este gas es liberado por el consumo de combustibles fósiles para la generación de energía, uso doméstico y para el transporte, entre otros (Cruz, 2016). Las repercusiones del cambio climático se traducen en desertificación, incremento de la temperatura, aparición de plagas y enfermedades, pérdida de diversidad y desaparición paulatina de glaciares. En México, en los parques nacionales Pico de Orizaba e Izta-Popo Zoquiapan se observa la presencia de enfermedades fitosanitarias en sus bosque (Semarnat, 2016).
Los impactos negativos del cambio climático se pueden aminorar, mediante la conservación y el manejo de los ecosistemas forestales y sus servicios ambientales, entre otras acciones. La vegetación absorbe, asimila y retiene el CO2, y lo convierte en tejido estructural por medio de la fotosíntesis (Ordóñez y Masera, 2001; Zamora-Martínez, 2015; Romero, 2016). Evaluar el carbono capturado en los bosques permite calificar y cuantificar su contribución para mitigar los efectos de la modificación del clima, y con ello orientar y ejecutar prácticas de gestión que incrementen el carbono capturado en su biomasa (Barrionuevo et al., 2013).
En este sentido, las ecuaciones alométricas son una herramienta fundamental para la cuantificación de biomasa y carbono dentro de los ecosistemas. Las estimaciones se obtienen con variables de fácil medición, como el diámetro o la altura para relacionarlas con la biomasa o carbono acumulados en rodales y comunidades de vegetación más amplias (Schlegel, 2001; Acosta, 2003; Flores et al., 2011; Díaz et al., 2016).
En el Parque Nacional Iztaccíhuatl Popocatépetl (PN Izta-Popo) se lleva a cabo el Programa “Restauración, Protección y Conservación de los Recursos Naturales del Parque Nacional Iztaccíhuatl Popocatépetl”. Este proyecto de atención integral es una iniciativa conjunta de los sectores social, público y privado orientada a la conservación del patrimonio natural del lugar, de los recursos naturales del desarrollo sostenible del PN y su área de influencia, en el corto, mediano y largo plazo (Semarnat, 2013).
La empresa automotriz Volkswagen de México S. A. de C. V. ha patrocinado trabajos de reforestación en el PN Izta-Popo en 750 ha con Pinus hartwegii Lindl. Desde 2008, el año de inicio, dicho esfuerzo se enfocó en el mantenimiento de 300 ha bajo un esquema de “adopción”; posteriormente, en 2010, con apoyo de más colaboradores se anexaron 200 ha; en 2012, 100 ha; y recientemente, 150 ha. Uno de los propósitos del programa es evaluar la captura de carbono en las 750 ha en donde se han realizado los trabajos de restauración y reforestación. Por el interés de conocer el valor de las reforestaciones sobre la captura de carbono en sus diferentes etapas de crecimiento, el objetivo del presente estudio consistió en generar una ecuación alométrica ajustada para estimar la biomasa y el carbono acumulado en plantaciones en etapa de brinzales de Pinus hartwegii en el Parque Nacional Izta-Popo Zoquiapan.
Materiales y Métodos
Área de estudio
El estudio se realizó en el Parque Nacional Iztaccíhuatl-Popocatépetl, ubicado en el Eje Neovolcánico Transversal, entre los 21°11’58’’ norte y los 53°60’14.83’’ oeste, cuya altitud promedio es de 3 770 m en un intervalo entre los 3 000 y los 5 480 m (Semarnat, 2013). Abarca 39 mil 819.086 ha divididas entre el Estado de México, con 28 307.48 ha (71.09 %); Puebla con 11 072.91 ha (27.81 %) y Morelos con 438.68 ha (1.10 %) (Figura 1).
Fuente: Semarnat, 2013.
Figura 1 Localización del Área Natural Protegida del Parque Nacional Iztaccíhuatl Popocatépetl.
Sus geoformas (sierras, conos volcánicos y laderas) son de origen volcánico, en las que predominan las rocas basálticas y andesitas. De acuerdo con la clasificación de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, 2015), las unidades de suelo presentes son: litosoles, regosoles, andosoles, cambisoles y fluvisoles.
La temperatura media anual fluctúa de 3 a 5 °C, con variación anual menor de 3 °C, pero con una oscilación diurna suficiente para que se presenten heladas todo el año. La precipitación en promedio anual se distribuye entre los 600 y los 800 mm, y aunque un considerable porcentaje cae en forma de nieve, no permanece por largos periodos en el suelo. La insolación y el viento son intensos, por lo que la evaporación es alta (Rzedowski, 2006).
El Programa de Manejo PN Izta-Popo (Semarnat, 2013) está dividido en tres subzonas: Recuperación, Uso público y Preservación; en donde se estableció el área de estudio, en su mayor parte en la subzona de Recuperación (Figura 1).
Obtención de la biomasa
La metodología empleada fue similar a la propuesta por diversos investigadores (Acosta, 2003; Avendaño et al., 2009; Carrillo et al., 2014; Carrillo et al., 2016), con la diferencia de que, en lugar de usar el diámetro normal (DN) como variable independiente, se trabajó con el diámetro a la base, la altura a la primera rama viva y la altura total, debido a que la mayoría de los brinzales aún no han desarrollado un DN plenamente.
Para obtener una ecuación alométrica de biomasa y carbono se usó un tamaño de muestra de 90 brinzales, a partir del costo de su extracción. El criterio de selección fue que los ejemplares hubiesen sido plantados mediante los proyectos de reforestación desde 2008, y contar con una edad máxima de 10 años, a fin de incluir la mayoría de las categorías disponibles; y con ello, aumentar el intervalo de variabilidad.
Antes de la extracción de los brinzales desde la raíz, a cada uno se les midió el diámetro a la base, la altura total y la altura a la primera rama viva. Se guardaron en costales con su respectivo número de identificación y fueron trasladados al invernadero del Campo Experimental Valle de México del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), ubicado en Coatlinchán, Texcoco de Mora, Estado de México. Ahí, se les mantuvo dentro de los costales durante cinco semanas para que perdieran la mayor cantidad de humedad posible, antes de introducirlos a una estufa de secado Blue M 0v-490A2.
Se separaron los componentes: follaje, ramas, tallo y raíz y se pesaron en una báscula digital Tecnocor 20-CHIS con precisión mínima de 200 g y máxima de 30 kg para determinar el peso seco. Las muestras con peso inferior a 200 g, se pesaron en una balanza de precisión Scout ® Pro. Posteriormente, se obtuvieron alícuotas para introducirlas a la estufa de secado por 48 h a 70 °C y contar con el peso seco de cuatro componentes por los 90 brinzales, lo que significó un total de 360 muestras. Al porcentaje de humedad registrado después de pasar por la estufa de secado, se le agregó al peso fresco de cada componente, con lo que se calculó la biomasa total y por sección.
Con los datos de biomasa, se ajustaron los modelos predictivos para cada una de las variables de interés: el diámetro de la base, la altura total y la altura a la primera rama viva. La ecuación en su forma potencial se utilizó para las variables de diámetro de la base y altura total:
Para fines prácticos, se abrevió el diámetro de la base como DB y altura total como h T .
La ecuación en su forma lineal polinómica de segundo grado se usó para la altura a la primera rama viva:
Donde:
B = Biomasa (kg)
X’s = Variables independientes
β’s = Coeficientes de ajuste
Todos los análisis estadísticos se realizaron con el software libre R (The R Team, 2013).
Categorías de las variables de interés
Se definieron cuatro categorías diamétricas para el diámetro de la base y 10 para la altura total; ambas se utilizaron para construir una tabla de biomasa que permita predecir dicha variable por medio de esas dos medidas.
Determinación del carbono
Para el cálculo del carbono contenido en los brinzales se seleccionaron 13 ejemplares, a fin de incluir la mayor amplitud de intervalos de tamaño, con sus respectivos componentes; y se obtuvieron submuestras, las cuales se llevaron al Laboratorio de Fertilidad de Suelos y Química Ambiental del Colegio de Postgraduados, campus Montecillo. Se les aplicó el método de combustión seca en el analizador de carbono Shimadzu TOC 5050A.
A los resultados del análisis, se les aplicó el coeficiente de contenido de carbono por componente, a los 90 brinzales.
Resultados y Discusión
Peso fresco y peso seco
Dado que los brinzales eran de porte pequeño, no fue necesario determinar el peso fresco de forma directa en campo, como lo sugieren varios autores (Acosta, 2003; Avendaño et al., 2009; Bonilla, 2009; Carrillo et al., 2016). Los promedios de pérdida de humedad para cada componente fueron de 8.3 % para follaje, 11.1 % para ramas, 16.2 % para tallo; y 15.6 % para raíz.
Distribución de la biomasa
La distribución de la biomasa en los brinzales fue de 30 % en el follaje, 8 % en ramas, 24 % en tallo y 37 % en la raíz. Diferentes autores, (Díaz et al., 2007; Avendaño et al., 2009; Carrillo et al., 2014; Carrillo et al., 2016) sugieren diferentes distribuciones, aunque no consideran la raíz. Castañeda et al. (2012) propone un porcentaje de raíz para arbolado adulto de entre 15 y 20 %, que también está alejado de los resultados que aquí se presentan.
Chávez et al. (2016) mencionan que la edad afecta directamente a la distribución de la biomasa en los árboles. En las primeras etapas de un rodal, esta distribución está condicionada por las funciones fisiológicas de las especies. Las primeras etapas del género Pinus se enfocan en la alta demanda de carbohidratos destinados al fuste que dará soporte y se puede mantener con una proporción constante durante su crecimiento. La raíz debe abastecer, constantemente, de agua al follaje, que a su vez, necesita una gran capacidad fisiológica al incrementar el área foliar para capturar y usar la energía solar, que aumentará las tasas fotosintéticas y la producción de biomasa. Vose y Ryan (1994); Van y Franklin (2000); Wang et al. (2007) y Pretzsch (2014) indican que la biomasa foliar y la estructura de la copa de diferentes especies forestales son determinantes en el crecimiento y desarrollo de los árboles.
Ajuste de las ecuaciones
Para el DB se estimó un coeficiente de determinación de R 2=0.9521 y una ecuación potencial B=0.0092*DB 2.7226. Para h T, R 2=0.8644 y la ecuación B=0.7546*h T 2.5819. Para la altura la primera rama viva, R 2=0.3203, por lo que no fue necesario presentar la ecuación debido a que dicho coeficiente estuvo por debajo de lo que se consideró como un buen ajuste. La gráfica para el DB se muestra en la Figura 2 y para h T en la Figura 3.
Figura 3 Dispersión de los datos y línea de tendencia de los valores de biomasa relacionando la altura total.
Brown et al. (1989) opinan que es mejor no incluir siempre la altura total del arbolado en los procedimientos de estimación de biomasa, debido a la complejidad de medir la altura por la presencia de las copas cerradas y porque los inventarios ecológicos no incluyen esos datos, en el caso de bosques tropicales.
Con los resultados anteriores se observa que la altura sí es una variable significativa para estimar la biomasa en los brinzales, ya que este tipo de vegetación no forma copas cerradas, aunado a que las distancias entre los árboles de Pinus hartwegii son muy extensas (en algunos casos hasta de 15 o 20 m de distancia entre árbol y árbol), probablemente por una característica inherente a la especie.
Tablas de biomasa
En el Cuadro 1 se muestran, las tablas de biomasa generadas a partir de las ecuaciones de DB y h T (con mayor coeficiente de determinación), con las categorías definidas para dichas variables.
Cuadro 1 Tablas de biomasa generadas a través de las ecuaciones obtenidas y las categorías de las variables DB y h T .
| Categoría diámetro basal (DB) centímetros |
Biomasa
(kg) B=0.0092(DB)2.7226 R2 =0.9521 |
Categoría altura total (hT) metros |
Biomasa
(kg) B=0.7546(hT)2.5819 R2=0.8644 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.009 | 0.01 | 0.000 |
| 5 | 0.736 | 0.25 | 0.021 |
| 10 | 4.857 | 0.50 | 0.126 |
| 15 | 14.649 | 0.75 | 0.359 |
| 20 | 32.061 | 1.00 | 0.755 |
| - | - | 1.25 | 1.343 |
| - | - | 1.50 | 2.150 |
| - | - | 1.75 | 3.200 |
| - | - | 2.00 | 4.518 |
| - | - | 2.25 | 6.124 |
| - | - | 2.50 | 8.038 |
| - | - | 2.75 | 10.281 |
| - | - | 3.00 | 12.871 |
La tabla anterior representa una herramienta que facilita en campo el cálculo de la biomasa para un árbol específico o un conjunto de árboles, como un rodal, a través de las categorías de diámetro basal o altura total.
Obtención del contenido de carbono
Los resultados de carbono se presentan en el Cuadro 2.
Cuadro 2 Promedio y desviación estándar del contenido de carbono en los componentes follaje, ramas, tallo y raíz.
| Follaje | Ramas | Tallo | Raíz | |
|---|---|---|---|---|
| Promedio | 50.57 | 50.79 | 51.67 | 50.21 |
| Desviación Estándar | 0.67 | 1.09 | 2.62 | 1.36 |
| Promedio Total | 50.81 |
El porcentaje de carbono en el presente estudio fue similar (50 %) al propuesto por el International Panel for Climate Change (IPCC, 1996). Algunos autores calcularon porcentajes semejantes para especies de clima templado-frío. Por ejemplo, Carrillo et al. (2016) estimaron 48.5 % para Pinus hartwegii;Avendaño et al. (2009), 46.48 % para Abies religiosa (Kunth) Schltdl. et Cham.; y Carrillo et al. (2013), 48 % para Quercus. En el caso de Pinus patula Schiede ex Schltdl. & Cham., Carrillo et al. (2016) determinaron 48.55 % y Díaz et al. (2007), 50.31 % para la misma especie.
Con el coeficiente obtenido, se calculó el contenido de carbono aplicando el valor de 0.5081 a la biomasa total o por componente de cada brinzal.
Conclusiones
Las ecuaciones para estimar la biomasa total son confiables cuando se emplea el diámetro basal DB y la altura total hT, porque los coeficientes de determinación son de R 2=0.9521 y 0.8644, respectivamente. En cambio, cuando se emplea la altura a la primera rama viva, el coeficiente de determinación es bajo: R 2=0.3203, por lo que su uso no es confiable.
Si se aplica un coeficiente de 50.81 % a la biomasa calculada con las ecuaciones alométricas para el diámetro basal o la altura total, es suficiente para conocer el contenido de carbono en un árbol, un rodal o una plantación de brinzales de Pinus hartwegii; por lo tanto su uso es confiable.
