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Introducción
Los ecosistemas forestales son hábitats críticos para la diversidad biológica y proveen de una amplia gama de servicios ecosistémicos para el bienestar humano (Brockerhoff et al. 2017, Kelly et al. 2020). Sin embargo, estos ecosistemas sufren cambios fundamentales a través de tiempo por causas antropogénicas y naturales tales como incendios forestales, cambio de uso del suelo, sucesión y recuperación natural (Aryal et al. 2018, Lindenmayer et al. 2018, Díaz-Nigenda et al. 2021). Estos cambios estructurales y funcionales de los ecosistemas se han exacerbado con el tiempo por efecto de cambio climático (Aryal y Ruiz-Corzo 2020, Halofsky et al. 2020). En México, cada año ocurren numerosos incendios forestales en sus diferentes ecosistemas y son producto de las condiciones climatológicas, especialmente sequías prolongadas, cantidad de material combustible acumulado y de factores naturales (rayos y vulcanismo) o por provocación humana (Hernández et al. 2016). En algunos casos, estos incendios provocan pérdidas de recursos naturales de gran valor ecológico, económico y vidas humanas (Xelhuantzi et al. 2011). Los incendios forestales pueden reducir drásticamente el almacenamiento de carbono y diversidad biológica por alterar las capacidades de captura de carbono o alteración de hábitat natural de flora y fauna (Kelly et al. 2020, Sampayo-Maldonado et al. 2021).
Los combustibles forestales tales como hojarasca, mantillo y material leñoso seco son uno de los principales componentes involucrados en la ocurrencia e intensidad de esos fenómenos. La intensidad del fuego está en función de la cantidad y del tipo de material susceptible de quemarse. Los combustibles forestales constituyen uno de los tres factores clave que determinan el comportamiento del fuego y los efectos de los incendios forestales, junto con el estado del tiempo atmosférico y las condiciones topográficas (Rentería et al. 2005, Wong y Viller 2007, Walker et al. 2020). Los combustibles forestales son la biomasa producida por los árboles, con la senescencia se caen y se depositan en el piso forestal a través del tiempo (Walker et al. 2020). Este proceso de caída y descomposición de biomasa senescente es fundamental para la transferencia de la materia orgánica de biomasa viva al suelo y el reciclaje de nutrientes. Por lo tanto, un buen entendimiento de la dinámica temporal de acumulación de esta materia podría contribuir en el manejo adecuado de ecosistemas para evitar riesgos de incendios catastróficos.
Algunos estudios mencionan que por la acción humana, el cambio climático y por falta de conocimiento empírico sobre la dinámica de carga de combustible, el régimen del fuego ha sido alterado en ecosistemas forestales, causando grave daño en su capacidad de provisión de servicios ecosistémicos como captura de carbono, regulación de flujos de agua y conservación de la diversidad biológica (Venkatesh et al. 2020). Desde el punto de vista de Cansler et al. (2019), las propiedades de los combustibles varían por especie, edad, historia de perturbaciones y productividad de los ecosistemas. La caída de combustibles forestales está determinada por los mecanismos fisiológicos y variables ambientales. Los patrones estacionales de caída de combustibles varían de acuerdo al tipo de ecosistema (Zhang et al. 2014, Becker et al. 2015, Aryal et al. 2015). La caída puede distribuirse uniformemente durante todo el año en los ecosistemas forestales perennes y ocurren en un periodo corto del año en los ecosistemas caducifolios. Teniendo en cuenta que la mayoría de los ecosistemas forestales anualmente producen hojas, flores y frutos, que son desprendidos de las ramas ocasionando acumulación horizontal sobre la superficie del suelo, reciclando y aumentando la carga anualmente, por lo que la cuantificación de la dinámica de producción es importante para el entendimiento del funcionamiento de los ecosistemas forestales (De Jong 2013, Sánchez-Silva et al. 2018, Aryal et al. 2021).
Existen pocos estudios de análisis de la dinámica y almacenamiento de los combustibles forestales en diferentes condiciones y ecosistemas, por lo que es de suma importancia realizar estudios sobre el tema para implementar acciones de manejo, control y prevención de incendios forestales. De acuerdo con el triángulo del fuego, para que se genere ignición, es necesario que estén presentes tres elementos: calor, oxígeno y combustible y que al faltar uno de ellos no se generará ignición (Rodríguez-Trejo et al. 2020). Por lo tanto, de las tres variables mencionadas, solo el combustible es la única variable que se puede manipular, por lo que es de suma importancia conocer su dinámica temporal y almacenamiento. Por lo anterior, el objetivo del estudio fue analizar la dinámica temporal de almacenamiento y efecto del incendio en los combustibles forestales en bosque de pino del Cerro Nambiyugua, Villaflores, Chiapas.
Materiales y métodos
Área de estudio
El estudio se realizó en ecosistemas forestales de Pinus oocarpa (Figura 1) del cerro Nambiyugua en el municipio de Villaflores, Chiapas (Figura 2). El Municipio de Villaflores se localiza en los límites de la Depresión Central y de la Sierra Madre de Chiapas, predominando el relieve montañoso. Sus coordenadas geográficas son 16° 14.0’ LN y 93° 16.0’ LO. Limita al norte con Suchiapa, Jiquipilas y Ocozocoautla, al este con Chiapa de Corzo y Villa Corzo, al sur con Villa Corzo y Tonalá, al oeste con Jiquipilas y Arriaga. Su extensión territorial es de 1 232.10 km2, lo que representa el 14.82% de la superficie de la región Frailesca y el 1.63% de la superficie estatal, su rango altitudinal es de 400 a 2 200 msnm, el tipo de suelo predominante son Cambisol, Faozem, Litosol, Regosol, Rendzina y Vertisol (INEGI 2013).
Figura 1 a) Ecosistemas forestales de pino (Pinus oocarpa); b) acumulación de combustibles forestales sobre el suelo; c) incendios, la carga de combustibles forestales como fuente de energía para ignición; d) signos de incendios y reducción de combustibles forestales después de un año del incendio.
El Cerro Nambiyugua está ubicado, al noroeste de la cabecera municipal de Villaflores. Las coordenadas geográficas del centro del Cerro son: 16° 16” 45.78” LN, 93° 19” 32.79” LO (Cepeda et al. 2010). Presenta una altitud máxima de 1 520 msnm y se caracteriza por rasgos topográficos muy accidentados con pendientes de más de 100%, con cañadas, depresiones y elevaciones. Presenta climas que van desde el cálido subhúmedo con lluvias en verano por debajo de los 800 msnm, hasta el semi-cálido subhúmedo con lluvias en verano de los 800 a 1520 msnm (CONANP 2012).
Muestreo de combustibles forestales
La recolección de datos se realizó en un bosque de pino (Pinus oocarpa Schiede), con el método del Inventario Nacional Forestal y de Suelos (INFyS) que impulsa a nivel nacional la Comisión Nacional Forestal (CONAFOR). La metodología empleada por el INFyS (2010), consistió en establecer en una Unidad de Muestreo Primaria (UMP) con un radio de 56.42 m para una superficie equivalente a una hectárea. Los conglomerados integrados por cuatro unidades equidistantes del centro a cada 45.14 m, constituida por cuatro sitios circulares de muestreos o Unidades de Muestreo Secundaria (UMS) con un radio de 11.28 m para una superficie aproximada de 707 m2, donde se llevó a cabo las mediciones de las variables, Sitio 1 es el centro, el Sitio 2 se colocó a 0° de azimut, el Sitio 3 a una dirección 120° de azimut y el Sitio 4 se acomodó a 240° de azimut, estas distribuciones de los sitios corresponden a una “Y” invertida.
Hojarasca y Mantillo
Se muestreó la hojarasca en una serie de puntos (ocho) en cada sitio distribuidos en cuatro transectos dentro del sitio circular de 1000 m2. El procedimiento consistió en medir el espesor del mantillo, compuesto por una capa de hojarasca y una capa en descomposición, con eso un total de 16 muestras (8 de hojarasca frescas y 8 de humus) fueron colectadas por sitio. La capa de hojarasca es la capa más superficial del horizonte orgánico de suelo, que resultó de la acumulación de hojas y acículas recientemente caídas, en mayor medida, su estructura original y una mínima alteración por descomposición. La capa en descomposición (fermento) es la capa que se encontró justo debajo de la hojarasca como materia orgánica que ha perdido completamente su estructura original y presentó diferentes grados de descomposición (desde materia orgánica completamente descompuesta -humus- hasta parcialmente descompuesta). Este horizonte es más compacto que el de hojarasca e incluye generalmente una alta proporción de madera putrefacta.
La profundidad de ambas capas constituyó el espesor del mantillo, mismo que se midió con una cinta métrica. Para la colecta de muestras de hojarasca y fermento, se utilizó un cuadrante de 30 x 30 cm2 que delimitó el área de muestreo para cada punto señalado. Se midió el peso húmedo de la muestra recolectada en el área del cuadrante. Para el secado de la muestra se utilizaron bolsas de papel estraza que contenían el material y se colocaron, en estufa a 70°C durante 72 horas. Después de secar las muestras de biomasa, se pesó y se calculó el almacén de materia seca de acuerdo a la fórmula siguiente:
Donde: Ah: Almacén de hojarasca (t ha-1), Ps: Peso seco (g) y A: Área de muestreo (0.09 m2).
Material leñoso caído
El muestreo de material leñoso caído se realizó de acuerdo con la metodología de intersecciones planares propuesta por Van Wagner (1982) y Brown (1974). Se consideró material leñoso caído (MLC) a todas las ramillas, ramas y troncos que se ubicaron tendidos sobre la superficie del terreno, separadas de su fuente original (no pegadas al tronco) y acumuladas a ras de suelo de 0 cm hasta 2 m de altura. Se midió este material en cada uno de los sitios de estudio y en los cuatro transectos orientados hacia cada punto cardinal considerando su pendiente, medida desde el centro del sitio hasta el punto final. Se registraron la frecuencia de piezas leñosas intersectadas en los últimos cinco metros del transecto piezas de 1 h, 10 h y en todo el transecto se registró y se midió el diámetro a las piezas leñosas de 100 h y 1 000 h. La categoría de horas se clasificó de acuerdo con la metodología de INFyS (Tabla 1). En el que el tiempo de retardación: Es una forma de medir el tiempo con el que un combustible alcanza el contenido de humedad de equilibrio. Tiempo requerido para perder el 60% (2/3 partes) del contenido de humedad inicial o actual y el contenido de humedad de equilibrio con el ambiente (INFyS 2010).
Tabla 1 Clasificación del material leñoso caído
| Categoría | Diámetro(cm) | Tiempo de retardación del fuego (horas) | Medición en el transecto (m) |
|---|---|---|---|
| Finos | Hasta 0.5 | 1 | 10 a 15 |
| Regulares | > 0.5 hasta 2.5 | 10 | 10 a 15 |
| Medianos | > 2.5 hasta 7.5 | 100 | 0 a 15 |
| Gruesos | > 7.5 | 1000 | 0 a 15 |
Modificada del INFyS 2010
Para la medición del diámetro del material leñoso caído se utilizó una cinta diamétrica y para el tiempo de retardación se utilizó un calibrador. El volumen de madera muerta se calculó usando la ecuación propuesta por (Brown y Roussopoulos 1974, Van Wagner 1982).
Donde: V = Volumen de madera muerta (m3 ha-1), L = Longitud de la línea de muestreo (m), y di = Diámetros de madera muerta en la intersección (cm).
El peso seco de la madera muerta se calculó aplicando densidad de madera según el estado de descomposición. Se aplicaron densidades de madera de 0.52 g cm3, 0.48 g cm3, 0.35 g cm3 y 0.23 g cm3 respectivamente según su grado de descomposición (Reyes et al. 1992, Gutiérrez et al. 2010).
Análisis de datos
Se usaron las estadísticas básicas como media, desviación estándar e 95% de intervalos de confianza para reportar las cantidades de combustibles forestales en diferentes años de muestreo. Se realizó una prueba de normalidad de datos usando la prueba de Shapiro-Wilk (W). Se analizó la información estadísticamente utilizando el análisis de varianza (ANOVA, p < 0.05) de una vía para evaluar las diferencias significativas entre los años de muestreo. Se utilizó la Prueba de Tukey (p = 0.05) para verificar la comparación de media entre años de muestreo.
Resultados
La carga de hojarasca fue significativamente diferente entre los años (F4,155 = 20.12 y p < 0.001). Se encontró un aumento gradual del almacenamiento de hojarasca de 2010 a 2018, con las mayores cargas de hojarasca en el año 2018 con 12.671 ha-1 (Figura 3a). Sin embargo, la carga de hojarasca disminuyó drásticamente después del incendio forestal del año 2019, con la carga de 5.671 ha-1 en 2020. Se reflejó que el stock de hojarasca comienza a recuperarse gradualmente de nuevo, notando para el 2021 un aumento a 8.65 t ha-1 (Figura 3a).
Figura 3 Carga de hojarasca y mantillo en diferentes años de muestreo. a) Hojarasca; b) mantillo. Los puntos con misma letra indican que no hubo diferencia significativa entre años de muestreo (Tukey p = 0.05). Barra de error, indican el 95% de intervalos de confianza.
En lo que corresponde al mantillo, su almacén varió significativamente entre los años de muestreo F4,155 = 56.42 y p < 0.001). Hubo un aumento significativo del 2010 a 2017 pero no hubo diferencias significativas entre los años 2017 y 2018. Las cargas mayores de mantillo se encontraron en el año 2017 con 17.87 t ha-1, disminuyendo a 16.50 t ha-1 en el 2018 por descomposición. A su vez, después del incendio del 2019, se disminuyó drásticamente alcanzando 3.491 ha-1 en año 2020 por efecto del incendio forestal ocurrido en el sitio de muestreo. Para el año 2021, la carga de mantillo fue de 2.10 t ha-1 siendo la menor carga encontrada entre todos los años de muestreo (Figura 3b).
La carga de combustible forestal de material leñoso caído de 1 hora de retardación (Figura 4a), no hubo diferencia significativa entre los años de muestreo. Numéricamente, se encontraron las mayores cargas en los años 2010 y 2020 con 0.03 t ha-1, desde el año 2010 al 2017 se observa un decremento en la acumulación de combustible, luego del 2017 al 2020 un aumento. Esto explica que, por el efecto del incendio forestal ocurrido en el 2019, los materiales se desecaron en los árboles para después caer y acumularse en el sitio de muestreo, luego descomponerse disminuyendo la carga de combustible forestal en el año 2021.
Figura 4 Carga de Material Leñoso Caído en años diferentes de muestreo. a) MLC 1 h, b) MLC 10 h, c) MLC 100 h, d) MLC 1000 h. Los puntos con misma letra indican que no hubo diferencia significativa entre años de muestreo (Tukey p = 0.05). Barra de error, indican el 95% de intervalos de confianza.
En los materiales leñosos caídos de 10 horas se encontraron diferencias significativas solo en entre los años 2014 y 2020, 2017 y 2020 (F5,90 = 4.50 y p = 0.001). Las cargas mayores fueron 1.49 t ha-1 en 2020 y 1.17 t ha-1 en 2018. Para el año 2021, la carga de combustible forestal de 10 horas de retardación se disminuyó a 0.71 t ha-1 posiblemente por descomposición del mismo (Figura 4b).
Asimismo, en los MLC de 100 horas (Figura 4c), fueron significativamente diferentes entre los años 2010 y 2018, 2014 y 2018 (F5,90 = 3.28 y p = 0.009). Las cargas de MLC mayores corresponden al año 2018 con 2.03 t ha-1, disminuyendo después del incendio forestal del año 2019, con 1.11 t ha-1 en el año 2021. La MLC de 1000 horas no fueron significativamente diferente entre los años de muestreo (F5,90 = 0.84 y p = 0.53). Se encontró las mayores cargas en el 2018 con 10.45 t ha-1, después del incendio forestal disminuyo a 1.81 t ha-1 en el 2020, para el año 2021 no se encontró MLC de 1000 horas de retardación (Figura 4d).
En la suma de carga de combustible forestal de 1, 10, 100 y 1000 horas de retardación no fueron significativamente diferente entre los años de muestreo. Las mayores cargas acumuladas se obtuvieron en el año 2018 con 13.67 t ha-1, disminuyendo después del incendio forestal en el 2019 a 5.06 t ha-1 en el año 2020 y 1.87 t ha-1 para el año 2021 (Figura 5).
Discusión
Los cambios observados a través del tiempo de carga de combustibles forestales en el bosque de pino (Pinus oocarpa Shiede), muestran que la acumulación de hojarasca, mantillo y materiales leñosos caídos de 100 y 1000 h, aumentan gradualmente en el trascurso de los años. Sin embargo, después del incendio forestal en el año 2019, estos combustibles disminuyeron, perdiéndose como emisión de CO2 a la atmosfera. Asimismo, los materiales leñosos caídos de 1 y 10 h, son los más dinámicos acumulando su carga a través de los años. Estos se disminuyeron después del incendio en el año 2019, pero luego recuperaron su carga debido al efecto de la intensidad del fuego en las ramas de los árboles, provocando desecación, desprendimiento de acículas, MLC finos y regulares. Lo anterior es consistente con las observaciones de Flores et al. (2005), quienes señalan que la acumulación de combustibles forestales finos puede aumentar después de la ocurrencia de un incendio. Ellos mencionan que la recuperación de los combustibles finos puede ocurrir en un lapso de 7 - 8 semanas después del incendio. Sin embargo, los materiales leñosos de 1000 h pueden tardar más de 20 años para recuperación de carga al nivel antes del incendio (Dunn y Bailey 2015).
Aunque los bosques de Pinus oocarpa están adaptados al fuego, al presentarse un incendio severo, sufren de cicatrices sobre el tronco y chamuscado de copa, causando desecación de las acículas y ramillas de los árboles por lo que esto provoca el desprendimiento de hojarasca y MLC de 1 y 10 h principalmente, por ende, la acumulación de combustibles finos sobre la superficie del suelo (Rodríguez et al. 2019). De acuerdo con los resultados, las mayores cargas de combustibles existentes sin presencia de incendio fueron en el año 2017 y 2018, por lo que en el área de estudio no se habían presentado perturbaciones. Pero después del incendio del 2019 las cargas de acumulación de combustibles disminuyeron drásticamente, solo la hojarasca comenzó a aumentarse después del incendio reflejando un cambio positivo para el año 2021.
Se observó que la capa de hojarasca tiende a recuperarse más rápido que la capa de mantillo (fermento) después de la perturbación de incendios forestales. La capa de fermento es una capa de acumulación de más tiempo que la hojarasca por lo que su recuperación puede tardar más tiempo de la hojarasca fresca. La pronta recuperación de hojarasca contribuye en la reducción de erosión y degradación suelo después de incendios forestales, principalmente en zonas de laderas (Pereira et al. 2018).
La acumulación de carga de los combustibles forestales puede alterarse en el paso de los años, por la época del año y por las perturbaciones naturales o antropogénicos (Brandeis y woodall 2008, Xelhuantzi et al. 2011). Además de que los incendios, vientos, huracanes, sequía prolongada son otros factores que pueden alterar la acumulación de combustibles forestales (Halofsky et al. 2020, Kelly et al. 2020). Al respecto, Gould et al. (2008) señalan que la acumulación de combustibles forestales en los ecosistemas forestales es el único componente del triángulo del fuego que puede ser manipulado y controlado por el hombre.
El monitoreo continuo de ecosistemas y el estado de sus funciones como la acumulación de carga de combustibles a largo plazo puede proporcionar advertencias tempranas de los daños por incendios de los ecosistemas forestales (Cruz et al. 2018, Lindenmayer et al. 2018). Los resultados pueden ser de mucha utilidad en la prevención y control de incendios forestales. Una mejor comprensión de la dinámica temporal de la acumulación de carga de combustible puede ayudar en diseñar estrategias de manejo de combustibles forestales a través de quemas prescritas de baja intensidad, prevención de incendios a través de brechas corta fuego y periodicidad de estas intervenciones.
El impacto del incendio en la disminución de combustibles es considerable, pero también deja la superficie descubierta lo que provoca la erosión del suelo. Los incendios forestales liberan los gases como dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxido de azufre y óxidos de nitrógeno (Sandoval et al. 2021). Además de emisión de gases de efecto invernadero, el incendio provoca la pérdida de vegetación, fauna, contaminación de cuerpos de agua y aire por la propagación de humo, ceniza, aerosoles orgánicos y compuestos orgánicos volátiles (Úbeda y Francos, 2018, Gil 2020). Mientras que Harris et al. (2019) mencionan que la intensidad del fuego puede alterar la composición de especies forestales y la acumulación de carbono en diferentes especies. En tanto que otros estudios mencionan que la disminución de combustibles forestales como hojarasca y material leñoso puede alterar la composición y actividad de microorganismos, especialmente los hongos, en descomposición de materia orgánica y reciclaje de nutrientes (Owen et al. 2019). Los resultados de este estudio también aportan el conocimiento sobre el comportamiento temporal de ecosistemas forestales y sus respuestas ante los incendios catastróficos.
Conclusiones
La carga de combustibles forestales aumentó gradualmente con el tiempo, pero disminuyó después de un incendio forestal. La hojarasca y los materiales leñosos caídos de 1 y 10 horas son más dinámicos, lo cual se reflejó en los cambios rápidos en comparación al mantillo y los materiales leñosos caídos de 100 y 1000 horas. Conocer los procesos, patrones y cantidades de combustibles forestales en el ecosistema es una herramienta clave en la gestión y desarrollo de políticas públicas para un manejo adecuado de recursos naturales. El comportamiento de carga de combustibles forestales da pauta para realizar actividades de manejo del fuego como quemas prescritas para promover la regeneración natural y disminuir la carga de combustibles forestales. Estas prácticas pueden ser importantes en la regeneración natural porque si se deja que se acumulen los combustibles, impide que las semillas lleguen al suelo y germinen. Efecto de incendios forestales sobre la dinámica de nutrientes en el suelo, actividades microbianas y otros servicios ecosistémicos son cuestiones importantes que estudiar en el futuro para una mejor comprensión de funcionamientos ecosistémicos en la región.
