Área de estudio

El área de estudio comprende los bosques de coníferas de clima templado del estado de Michoacán, México, abarcando aproximadamente 1 124 973 ha (^{Comisión Forestal del Estado de Michoacán [COFOM], 2015}). Estos bosques forman parte de las provincias fisiográficas Faja Volcánica Transversal (FVT) y Sierra Madre del Sur (SMS). La región cuenta con climas templados, donde las temperaturas medias anuales oscilan entre 8 y 30 °C, y la precipitación anual varía de 400 a 2 000 mm (^{Instituto Nacional de Estadística y Geografía [INEGI], 2018}). La altitud varía de 104 a 3 641 m (^{INEGI, 2019}).

Selección y análisis de variables asociadas con la aparición de brotes de insectos descortezadores

En el marco del proceso de análisis jerárquico (PAJ; ^{Saaty, 1980}) se organizaron, ponderaron y combinaron criterios (variables) para estimar el riesgo de brotes de descortezadores. El PAJ comprende tres fases (^{Malczewski, 1999}): 1) construcción de una jerarquía del problema con base en criterios y subcriterios relevantes, 2) ponderación de los criterios y subcriterios (variables) por expertos en el tema y 3) estimación de un valor de consistencia asociado a la ponderación de criterios y subcriterios, para garantizar que las ponderaciones asignadas no son producto del azar, sino de un análisis juicioso y correcto.

Fase 1

Los criterios y subcriterios relevantes para la aparición de un brote de D. frontalis y D. mexicanus fueron identificados y definidos a partir de una revisión bibliográfica y la consulta a siete expertos mexicanos en el tema de plagas forestales (^{Malczewski, 1999}). La revisión de literatura proporcionó información sobre la distribución geográfica (^{Salinas-Moreno et al., 2010}), características fisiográficas (^{Armendáriz-Toledano, Zuñiga, García-Roman, Valerio-Mendoza, & García-Navarrete, 2018}; ^{Salinas-Moreno et al., 2004}), climáticas (^{Morales-Rangel, Cambrón-Sandoval, Soto-Correa, Jones, & Obregón-Zuñiga, 2018}; ^{Raffa et al., 2015}) y condiciones dasométricas de los sitios donde ocurren brotes de insectos descortezadores (^{Krist et al., 2007}; ^{Negrón, Anhold, & Munson, 2001}; Raffa et al., 2015). Los criterios identificados como relevantes fueron: clima, ocurrencia de incendio forestal, densidad arbórea del rodal (área basal) y topografía. Como parte de estos se identificaron los subcriterios precipitación total anual, temperatura media anual, exposición, altitud y pendiente. La jerarquía del problema (Figura 1) se construyó a partir de dichos criterios y subcriterios (Malczewski, 1999).

Figura 1 Jerarquía de los criterios y subcriterios para la estimación del riesgo de infestación por Dendroctonus mexicanus y D. frontalis en bosques templados de Michoacán, México. 

Bases de datos espaciales

Se utilizaron mapas de la precipitación total anual y de la temperatura media anual (~1 km² de resolución espacial), generados previamente, para el escenario actual (^{Cuervo-Robayo et al., 2014}) y un escenario futuro (^{Fernández, Zavala, Romero, Conde, & Trejo, 2015}). Los mapas del escenario actual fueron construidos con datos climáticos mensuales promedio del periodo 1910-2009. Los correspondientes al escenario futuro, denominado trayectoria de concentración representativa (RCP 4.5) con horizonte cercano 2015-2039, resultaron de la modelación de una trayectoria de concentración baja de gases de efecto invernadero (580-650 ppm CO₂eq) que podría alcanzarse para el año 2100 y en el que pueden presentarse cambios de temperatura aproximados de 2.3 a 2.6 °C. El escenario RCP 4.5 es una de las cuatro trayectorias de concentración de gases de efecto invernadero adoptadas por el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (^{IPCC, 2014}) en los escenarios de cambio climático y que tiene más coincidencia con las emisiones acumuladas a corto plazo (^{Hausfather & Peters, 2020}). Por otro lado, se obtuvieron datos georreferenciados de incendios forestales registrados por la Comisión Nacional Forestal y el Sistema Nacional de Información y Gestión Forestal (^{CONAFOR & SNIGF, 2020}) para el periodo 2010 a 2019.

El criterio densidad arbórea se representó mediante un mapa de área basal (m²∙ha^-1), a partir de datos del Inventario Nacional Forestal y de Suelos (INFyS) (^{CONAFOR & SNIGF, 2020b}). Inicialmente, el área basal existente en los sitios del INFyS se determinó con estimadores de medias de razón (^{Šmelko & Merganič, 2008}); posteriormente, el área basal se mapeó en la totalidad del área que comprenden los bosques de coníferas del estado mediante el método de interpolación de la distancia inversa ponderada (^{Chirinos & Mallqui, 2016}). Finalmente, se generaron mapas de pendiente, exposición y altitud a partir del modelo digital de elevación con resolución espacial de 30 m (INEGI, 2019). Los mapas se construyeron en el programa ArcGis^® 10.5, homogeneizando el tamaño de píxel a 30 m, y la proyección cartográfica al sistema de coordenadas geográfico y el Datum Norteamericano de 1927 (NAD 27).

Estandarización de subcriterios

Los criterios y subcriterios identificados como relevantes para que se presente un brote por descortezadores se registran en unidades diferentes de medida, por ello fue necesario estandarizarlos a una unidad común, i. e. a valores en escala del 0 al 1 (^{Gómez & Barredo, 2005}). Para este propósito se utilizaron funciones de membresía borrosa (^{Malczewski, 1999}). En primera instancia se definieron los puntos de inflexión de las funciones (Cuadro 1) que sirvieron como base para definir el grado de pertenencia (aptitud) de cada píxel que conforma el área de estudio. El grado de pertenencia es mayor cuando el valor estandarizado se aproxima a uno y es menor cuando está cerca de cero. Las funciones de membresía pueden tener formas muy variadas, siendo las más comunes las de forma lineal, sigmoidal y en forma de “J” con dirección creciente, decreciente o simétrica (^{Eastman, 2016}). El criterio “incendio” se estandarizó utilizando valores binarios (0 o 1), debido a que no se dispuso de información referente al grado de intensidad. Las áreas con y sin presencia de incendio se clasificaron con valor igual a uno y cero, respectivamente. Los valores estandarizados de los subcriterios se generaron en el módulo Fuzzy del software TerrSet^® versión 18.31 (Eastman, 2016).

Cuadro 1 Funciones de membresía borrosa definidas para estandarizar los subcriterios de Dendroctonus mexicanus y D. frontalis. El eje “y” indica el nivel de aptitud para un subcriterio específico en el intervalo de 0 a 1 y el eje “x” indica los valores originales del subcriterio, v. g. precipitación total anual en mm. 

Factor	Función de membresía	Puntos de inflexión usados en el eje x
Precipitación total anual (mm)	Simétrica sigmoidal	a: 500, b: 550, c: 700: d: 1 200 D. mexicanus a: 700, b: 750, c: 900: d: 1 100 D. frontalis
Temperatura media anual (°C)	Simétrica sigmoidal	a: 5, b: 18, c: 22: d: 26 D. mexicanus a: 12, b: 20, c: 26: d: 30 D. frontalis
Área basal (m2∙ha-1)	Simétrica sigmoidal	a: 12, b: 15, c:20, d: 28 D. mexicanus a: 12, b: 15, c: 20, d: 28 D. frontalis
Altitud (m)	Simétrica sigmoidal	a: 900, b: 2 300, c: 2 500, d: 3 300 D. mexicanus a: 800, b: 1 600, c: 2 000, d: 3 000 D. frontalis
Pendiente (°)	Simétrica lineal	a: 0, b: 0.5, c: 2, d: 4 D. mexicanus a: 0, b: 0.5, c: 2, d: 3 D. frontalis
Exposición (°)	Simétrica lineal	a: 90, b: 135, c: 225, d: 270 D. mexicanus a: 90, b: 135, c: 225, d: 270 D. frontalis

Estimación del riesgo de infestación actual y bajo un escenario de cambio climático

El riesgo de brote para ambas especies de descortezadores se estimó considerando cuatro criterios y cinco subcriterios (Figura 1). Después de que los subcriterios se estandarizaron mediante las funciones de membresía (Cuadro 1), se ponderaron al multiplicar por el peso asignado por los expertos (Figura 2). Posteriormente, los mapas subcriterio ponderados se sumaron para dar origen a mapas criterio. Mediante un procedimiento similar se generaron los mapas criterio ponderados y se multiplicaron por el peso que los expertos asignaron. Finalmente, los mapas criterio se sumaron para crear el mapa que estima el riesgo de brote de insectos descortezadores a nivel píxel (Figura 2). Para facilitar la interpretación, los valores calculados se agruparon en cuatro clases de riesgo: bajo (0-0.2), medio (0.2-0.4), alto (0.4-0.6) y muy alto (>0.6).

El procedimiento para generar el mapa de riesgo a futuro fue similar al explicado en el párrafo anterior para estimar el riesgo de infestación por Dendoctonus bajo las condiciones actuales; la única diferencia consistió en sustituir los mapas criterio de clima (subcriterios precipitación total anual y temperatura media anual) por mapas que registran la proyección de esos subcriterios considerando el escenario de cambio climático RCP 4.5. Este vislumbra, en general, aumento en la temperatura y disminución en la precipitación (^{Fernández et al., 2015}). El resto de los criterios permanecieron igual.

El mapa de riesgo generado para cada especie de descortezador se comparó con las coordenadas geográficas registradas para brotes de descortezadores ocurridos en el periodo 2010 a 2019.

Figura 2 Proceso de análisis jerárquico para la estimación del riesgo de brote de Dendroctonus sp. en el estado de Michoacán, México. 

Comparación de la distribución espacial actual y futura del riesgo de infestación

Los mapas de riesgo de infestación para el escenario actual y el escenario futuro (cambio climático) se compararon utilizando el módulo CrossTab del software TerrSet^® versión 18.31 (^{Eastman, 2016}). Este módulo generó una matriz de clasificación cruzada que permitió la identificación de los cambios en los valores estimados de riesgo de infestación para los dos escenarios modelados: ganancias, pérdidas, permanencias y cambio total en hectáreas, para cada una de las categorías de riesgo de infestación definidas para las dos especies de Dendroctonus (^{Martínez, Martín, & Román, 2000}). Adicionalmente, CrossTab proporcionó el índice Kappa, una medida cuantitativa de la concordancia entre los mapas comparados (Eastman, 2016). Este índice toma valores de -1 a 1; valores cercanos a 1 indican concordancia fuerte entre mapas, contrariamente, valores cercanos a -1 indican concordancia baja (Martínez et al., 2000).

Criterios y subcriterios identificados para ocurrencia de infestación de insectos descortezadores

Se identificaron cuatro criterios relevantes que inciden en la ocurrencia de brotes de D. mexicanus y D. frontalis. En orden de importancia son: clima, incendio, densidad arbórea y topografía (Cuadro 2). A nivel de subcriterio, la precipitación total anual, temperatura media anual, exposición, altitud y pendiente surgieron como relevantes.

La literatura primaria sobre descortezadores sustenta la ponderación encontrada del clima como criterio principal que incide en los brotes de estos insectos. Según ^{Chapman et al. (2012}) y ^{Raffa et al. (2015}), el aumento de la temperatura y la disminución en la precipitación favorecen el crecimiento de las poblaciones de insectos. Por otro lado, Raffa et al. (2008, 2015) mencionan que las sequías prolongadas provocan estrés en los árboles, ocasionando que se debiliten y opongan menor resistencia al ataque de descortezadores. ^{Morales-Rangel et al. (2018}) encontraron que una temperatura media anual entre 16 y 18 °C favorece el desarrollo de D. frontalis y D. mexicanus, mientras que ^{Moser, Fitzgibbon, y Klepzig (2005}) reportan que temperaturas medias por debajo de 16 °C disminuyeron la presencia de ambos insectos. Por su parte, ^{González-Hernández, Morales-Villafaña, Romero-Sánchez, Islas-Trejo, y Pérez-Miranda (2018}) indican que temperaturas promedio anuales de 12 a 18 °C y la precipitación en un rango de 600 a 1 200 mm incrementan el desarrollo de D. mexicanus.

Referente a la ponderación de los incendios, de acuerdo con ^{Fonseca et al. (2009}), los árboles sometidos a la acción de un incendio liberan compuestos volátiles que sirven como atrayentes para algunos insectos descortezadores. Por otro lado, ^{Billings et al. (2004}) reportaron que la ocurrencia de incendios debilita los árboles, provocando que produzcan menos resina y tengan menor defensa ante un ataque de Dendroctonus.

Con respecto a la importancia de la estructura de un bosque, ^{Raffa et al. (2008}, 2015) señalan que la densidad arbórea influye en la aparición de brotes de insectos descortezadores. ^{Morris et al. (2018}) argumentan que los rodales con alta densidad arbórea son más susceptibles a infestarse, debido a la competencia por los recursos. Esto concuerda con lo reportado por ^{Negrón et al. (2001}), quienes encontraron más ataques de Dendroctonus pseudotsugae Hopkins en rodales de Pseudotsugae menziesii (Mirb.) Franco con área basal de más de 26.4 m²∙ha^-1 y con mayor intensidad en aquellos que superaban los 39 m²∙ha^-1.

En cuanto a la topografía, según ^{Krist et al. (2007}), esta variable juega un papel importante en el riesgo de mortalidad de los árboles. De acuerdo con ^{Bennie, Huntley, Wiltshire, Hill, y Baxter (2008}), la pendiente y la exposición influyen en la radiación solar que los árboles reciben, afectando la evapotranspiración y la humedad disponible en el suelo, principalmente los que se encuentran en laderas con exposición sur. Como consecuencia esos árboles sufren mayor estrés y están más propensos a un brote de descortezadores. ^{Cuéllar-Rodríguez, Equihua-Martínez, Villa-Castillo, Estrada-Venegas, y Romero-Nápoles (2013}) reportaron infestaciones de D. mexicanus en bosques de Pinus cembroides Zucc. establecidos en altitudes que oscilan de los 1 820 a 2 700 m y diferentes exposiciones, entre ellas la suroeste. ^{Salinas-Moreno et al. (2004}) mencionan un rango altitudinal preferente entre 2 100 y 2 500 m para este insecto. ^{Armendáriz-Toledano et al. (2018}) y ^{Salinas-Moreno et al. (2004)} reportaron mayor abundancia de D. frontalis en el intervalo altitudinal entre 1 500 y 2 000 m.

Riesgo de infestación por Dendroctonus mexicanus y D. frontalis

Se generaron dos mapas de riesgo por especie de insecto, uno para el escenario actual (1910-2009) y otro para el escenario futuro (2015-2039) (Figuras 3 y 4). El valor máximo estimado de riesgo de infestación para D. mexicanus fue 0.78 en el escenario actual y 0.83 en el escenario futuro. Para D. frontalis se estimaron valores máximos de 0.84 y 0.85 para los escenarios actual y futuro, respectivamente. En ambas especies, las áreas de mayor riesgo se ubican a lo largo de la FVT, lo que coincide con lo reportado por ^{Salinas-Moreno et al. (2010}) y ^{Armendáriz-Toledano et al. (2018}), quienes indicaron que las condiciones climáticas más favorables para los descortezadores bajo análisis se encuentran sobre la FVT. El riesgo de infestación mapeado es también consistente con los reportes de ocurrencia de brotes registrados en el periodo 2010 a 2019 por la CONAFOR (Figuras 3 y 4); para D. mexicanus se reportaron 2 255 registros y 99 registros de D. frontalis.

De acuerdo con ^{Armendáriz-Toledano et al. (2018}), en la SMS también existen condiciones climáticas ideales para que prosperen ambas especies de descortezadores; sin embargo, los resultados muestran que el riesgo de ocurrencia de un brote en esta zona es menor que el estimado para la FVT. En otro estudio, ^{Salinas-Moreno, Ager, Vargas, Hayes, y Zúñiga (2010}) reportaron que las especies de pino más comunes en la FVT y la SMS son muy parecidas, por lo que se puede dar el caso de que D. mexicanus y D. frontalis se encuentren en la misma zona, debido a que tienen preferencias por hospederos similares y pueden atacar y coexistir en el mismo árbol (Armendáriz-Toledano et al., 2018; ^{Moser et al., 2005}). Tanto D. mexicanus como D. frontalis son especies agresivas que atacan a diversas especies de pino en el hemisferio norte en función de la latitud; aunque en apariencia son especies generalistas, las principales hospedantes de D. frontalis en México son Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl., P. pringlei Shaw, P. teocote Schiede ex Schltdl., P. leiophylla Schiede ex Schltdl. et Chamisso, mientras que para D. mexicanus son Pinus leiophylla, P. teocote, P. pseudostrobus Lindl., P. devoniana Lindl., P. montezumae Lamb. y P. oocarpa (^{Salinas-Moreno et al., 2010})

Figura 3 Riesgo de infestación por Dendroctonus mexicanus en los bosques de clima templado del estado de Michoacán, México. a) periodo 1910-2009 y b) riesgo con trayectoria de concentración representativa (RCP 4.5) de emisiones bajas de gases de efecto invernadero con horizonte de futuro cercano 2015-2039. Los puntos negros representan brotes del insecto reportados por la CONAFOR (2010-2019). 

Figura 4 Riesgo de infestación por Dendroctonus frontalis en los bosques de clima templado del estado de Michoacán, México. a) periodo 1910-2009 y b) riesgo con trayectoria de concentración representativa (RCP 4.5) de emisiones bajas de gases de efecto invernadero con horizonte de futuro cercano 2015-2039. Los puntos negros (muy pocos) representan brotes del insecto registrados por la CONAFOR 2010-2019. 

Comparación del riesgo de infestación actual y futuro

El Cuadro 3 muestra la matriz de clasificación cruzada para el caso de D. mexicanus; el análisis indicó que 767 013 ha (82.7 %) de la superficie clasificada en los niveles del periodo 1910-2009 se mantuvo sin cambios en el escenario futuro. El resto de la superficie (160 194 ha; 17.3 %) sufrió cambio en la categoría de riesgo inicialmente asignada (periodo 1910-2009). La superficie clasificada con riesgo alto de infestación incrementó 10 135 ha (36 326 a 46 461) y la superficie con riesgo muy alto permanecerá constante en términos prácticos, ya que incrementó 508 ha (2 511 a 3 019). De manera contraria, la superficie clasificada en la categoría de riesgo bajo incrementó de 620 176 ha (66.9 %) en el escenario 1910-2009 a 671 204 ha (72.4 %) para el escenario futuro (Figura 5), significando una ganancia de 51 028 ha, lo cual ocasiona disminución en la categoría de riesgo medio (pérdida de 61 672 ha). En general, y contrario a la percepción común, estos resultados indican que, bajo el escenario de cambio climático utilizado, el riesgo de brotes por D. mexicanus será menor en el futuro; sin embargo, la ganancia no debe pasar desapercibida, ya que, en términos absolutos, la superficie clasificada con riesgo alto y muy alto en el escenario futuro incrementará 10 136 y 508 ha, respectivamente.

Figura 5 Porcentaje del área total en categorías de riesgo de infestación por Dendroctonus mexicanus para el escenario 1910-2009 y el escenario RCP 4.5 de concentración de emisiones bajas de gases de efecto invernadero y horizonte de futuro cercano (2015-2039). 

Con base en el Cuadro 4, el comparativo de riesgo actual y futuro para D. frontalis indicó que 80.54 % de la superficie (746 784 ha) no sufrió cambio y que la superficie clasificada con los riesgos de infestación de mayor interés para los administradores de áreas forestales (riesgo alto y muy alto) será similar en el escenario futuro (Figura 6). De hecho, la superficie de la clase de riesgo alto disminuyó 11 015 ha (100 353 a 89 338) y la clase de riesgo muy alto disminuyó 82 ha (3 901 a 3 819).

Figura 6 Porcentaje del área total en categorías de riesgo de infestación por Dendroctonus frontalis para el escenario actual (1910-2009) y el escenario RCP 4.5 de concentración de emisiones bajas de gases de efecto invernadero y horizonte de futuro cercano (2015-2039). 

El índice Kappa se estimó en 0.91 para D. mexicanus y 0.89 para D. frontalis. Estos valores sugieren una concordancia muy alta (0.81-1.00) (^{Landis & Koch, 1977}) en la distribución espacial de las clases de riesgo mapeadas en las Figuras 3 y 4. Los valores de Kappa indican que una fracción importante (la mayor parte) de las clases de riesgo de infestación permanecen sin variación entre los escenarios que se están comparando, lo cual se observa en las gráficas de las Figuras 5 y 6.

Aunque en México existe un “sistema de alerta temprana y de evaluación de riesgo de plagas forestales” (SATERF), administrado por la Comisión Nacional Forestal y el Sistema Integral de Vigilancia y Control Fitosanitario Forestal (^{CONAFOR & SIVICOFF, 2020}), la propuesta metodológica y el análisis aquí presentado son novedosos y podrían aportar al desarrollo de este tipo de herramientas. A diferencia del SATERF, la metodología aquí planteada define una jerarquía ponderada de los criterios relevantes para que se presenten brotes epidémicos. Adicionalmente, incorpora a la densidad forestal (área basal) como un factor importante para la predicción del riesgo de brotes de descortezadores (^{Morris et al., 2018}; ^{Negrón et al., 2001}; ^{Raffa et al., 2015}). Por otro lado, también se aporta una mejora en la escala en la que se presentan los resultados. El SATERF publica mapas nacionales y estatales por mes; a nivel nacional emite pronunciamientos en los que determina riesgo alto en las zonas forestales de Michoacán y por entidades reporta riesgo alto en la mayoría de la SMS y el suroeste de la FVT (^{CONAFOR & SIVICOFF, 2020b}), lo que dificulta encontrar referencias para la confirmación o contrastación de los resultados.

El escenario climático futuro (RCP 4.5) pronostica aumento en la temperatura y disminución en la precipitación. De acuerdo con ^{Sáenz-Romero, Rehfeldt, Crookston, Duval, y Beaulieu (2012}), la temperatura aumentará 1.4 °C y la precipitación disminuirá alrededor de 5.6 % en Michoacán para 2030. Considerando que el criterio más importante para los expertos fue el clima (0.45), se esperaba aumento en el nivel de riesgo en el escenario futuro; sin embargo, los mapas de precipitación y temperatura analizados en el procesamiento de la información indicaron que algunas áreas que conforman los bosques de Michoacán tendrán mayor precipitación y menores temperaturas en el escenario futuro. Estos pronósticos se reflejan en la estimación espacial del riesgo de infestación, de tal manera que las áreas de riesgo medio para el escenario actual presentan mayor superficie que las del escenario futuro.

^{Morales-Rangel et al. (2018}) sugieren un aumento aproximado de 3.0 °C en la temperatura media anual para el 2030, lo cual favorecería la incidencia de brotes de D. mexicanus y D. frontalis en lugares donde antes se reportaba bajo riesgo. Los resultados de esta investigación dan pie para argumentar que tal aseveración es debatible, debido a que se omite la ocurrencia futura de condiciones de temperatura y precipitación menos favorables para el desarrollo de los descortezadores, lo que tenderá a equilibrar los cambios esperados en el riesgo de infestación en los bosques del estado de Michoacán.