Cambios en el suelo y vegetación de un bosque de pino afectado por incendio

Changes in soil and vegetation in a pinus forest affected by fire

Juan Capulín Grande¹*, Leopoldo Mohedano Caballero¹ y Ramón Razo Zarate¹

¹ Instituto de Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Km 1 Av. Universidad, Rancho Universitario. 43660. Tulancingo, Hidalgo, México. *Autor responsable: (juan_capulin61@yahoo.com.mx).

RESUMEN

En México los incendios forestales son disturbios frecuentes, en el 2007 afectaron en un 10% áreas arboladas y 90% a pastos, arbustos y matorrales. Los incendios incrementan la disponibilidad de algunos elementos en el suelo y provocan la pérdida de otros en forma gaseosa, alterando la dinámica normal de la vegetación. El presente trabajo investigó la influencia de un incendio forestal natural, moderado y superficial, sobre la vegetación y el suelo. Se establecieron cinco parcelas de muestreo de 25 m², tres dentro de la zona incendiada y dos fuera de ésta (testigo). Tras el incendio se colectaron muestras compuestas del suelo integradas por cuatro submuestras tomadas aleatoriamente, en profundidades de 0–5 y 5–30 cm, generando cuatro condiciones que se evaluaron a los 15, 180, 365 y 540 días. En cada muestra se determinó pH, materia orgánica, carbono orgánico, nitrógeno total, fósforo y textura. La vegetación se muestreó a los 30, 180 y 540 días después del incendio mediante el método de barrido, empleando guías botánicas de identificación. El pH del suelo se incrementó significativamente por la incorporación de cenizas y bases cambiables respecto al área testigo. La materia orgánica, carbono orgánico y nitrógeno total disminuyeron con el incendio, siendo mayor el efecto en la capa superficial (0–5 cm); contrariamente, el fósforo incrementó su contenido en dicha capa, debido a que la intensidad del incendio fue moderada. Se incrementó la proporción de arena en detrimento de la arcilla. El estudio de la vegetación mostró incremento en el número de especies e individuos en el área siniestrada respecto al testigo, lo cual indica que el incendio creó condiciones para el establecimiento de especies pioneras que formaron un microclima para la regeneración natural de la vegetación original.

Palabras clave: alteración nutrimental, incendio forestal, vegetación secundaria.

SUMMARY

In Mexico forest fires are frequent disturbances. In 2007 fires affected approximately 10% of the tree and 90% of the grass and shrub vegetation. Forest fires increase availability of some soil nutriments, while others are lost in gaseous form, disturbing the normal dynamics of the vegetation. This work investigated how a natural, surface, moderate forest fire affected soil and vegetation. Five 25 m² sample plots were set up, three within a burned area and two outside of it, as a control. Compound soil samples were taken 15, 180 365, and 540 days after the fire. Each compound sample comprised four sub samples taken randomly at two soil depths (0–5 and 5–30 cm), resulting in four conditions. Organic matter, organic carbon, pH, total nitrogen, phosphorus, and texture were determined. Vegetation sampling took place 30, 180, and 540 days after fire by a sweep method. Plant species were identified using botanical guides. Soil pH values increased statistically, relative to the control, due to ashes and exchangeable bases. Organic matter, organic carbon and total nitrogen decreased after fire; this was more significant in the top layer (0–5 cm) because of litter accumulation. In contrast, phosphorus increased in this burned layer since fire temperature was not high enough to vaporize it, leading to its storage as ash. The proportion of sand increased, while that of clay decreased in the burned layer. The vegetation study showed increases in species diversity and number of plants in the burned area compared with the control, indicating that the fire created favorable conditions for incoming pioneer plant species which formed a microclimate allowing natural regeneration of the original vegetation.

Keywords: nutrimental alteration, forest fire, succession vegetation.

INTRODUCCIÓN

En México el 97% de los incendios forestales son provocados por el hombre y el 54% de éstos se deben a actividades agropecuarias. Más del 90% de los incendios son de tipo superficial y alcanzan temperaturas entre los 200 y 300 °C; su extensión e intensidad dependen de las condiciones ambientales, topografía, cantidad y características del combustible presentes en el sitio (Sosa et al., 1999). Entre 1991 y 2004 se registraron, en promedio, 7 985 incendios anuales en México, afectando una superficie promedio anual de 243 750 ha. En este lapso destaca 1998, con 14 445 incendios y 850 000 ha afectadas (Vera y Rodríguez, 2007). En el 2007 se registraron 5 893 incendios forestales en 32 entidades federativas, afectando una superficie de 141 660 ha. De esta superficie el 89.31% correspondió a áreas con pastos, arbustos y matorrales y el 10.69% a áreas arboladas (CONAFOR, 2008).

Los incendios forestales son eventos que traen consigo consecuencias negativas para los ecosistemas, como pérdida de biodiversidad, modificación del paisaje, reducción del área de captación de agua de lluvia, migración o muerte de fauna silvestre, contaminación del aire por humo, y degradación de los suelos por efecto del aumento de la escorrentía y el alto potencial erosivo del agua (Rodríguez, 1996). Sin embargo, estos siniestros también pueden ser benéficos ya que muchos ecosistemas dependen del fuego para su regeneración. Los incendios ayudan a la apertura de conos de los pinos serótinos para liberar la semilla, también favorecen la penetración de luz en el bosque, aumentando la fotosíntesis, y propician la inmediata disponibilidad de algunos nutrimentos contenidos en las cenizas de los residuos orgánicos (Dai, 1996; Rodríguez, 1996).

El fuego es un factor que modifica algunas propiedades físicas y químicas del suelo, durante e inmediatamente después de haber ocurrido éste (Giovannini y Lucchesi, 1997). Las propiedades físicas que se modifican en un incendio son: el color y la capacidad de retener humedad a consecuencia de la pérdida de la cubierta forestal; el color oscuro de un suelo incendiado absorbe mayor cantidad de radiación solar, lo que favorece el incremento de la temperatura superficial. Cuando ocurre un incendio de gran intensidad, la estructura y la textura también se pueden modificar debido al cambio en la proporción y arreglo de las partículas (Mac Donald y Huffman, 2004), y en sitios con pendiente pronunciada puede ocurrir pérdida de suelo por erosión (Uribe et al., 2002). El incendio también altera las propiedades químicas del suelo, esta alteración se relaciona con la rápida liberación de nutrimentos ya que algunos minerales contenidos en la materia viva y en el manto de residuos orgánicos en proceso de descomposición de la superficie se pierden por volatilización o lixiviación, y otros más se transforman en óxidos. Binkley et al. (1992) reportan que temperaturas superiores a 700 °C del horizonte superficial pueden romper la dinámica del ecosistema, alterando el ciclo de los nutrimentos e incrementando la disponibilidad de elementos alcalinos en el suelo; sin embargo, esta condición puede favorecer la pérdida de C, N, S y P en forma gaseosa (Caldwell et al., 2002).

La cantidad de MO y Nt que permanece en el suelo se reduce en más de un 50%, dependiendo de la intensidad del incendio (Maycotte et al., 2002), por lo tanto, estos disturbios repercuten de manera inmediata en la reducción de la fertilidad del suelo (Fassbender y Bornemisza, 1987), aunque a través del tiempo el contenido de MO tiende a incrementarse en el ecosistema debido a la repoblación natural de la vegetación y su aporte de biomasa en el sitio (Perry, 1994). El pH se modifica durante la combustión como consecuencia de que se genera gran cantidad de cenizas y se reduce la formación de ácidos orgánicos, producto de la descomposición biológica natural del residuo orgánico, lo que ocasiona una disminución en la actividad microbiológica (Ortiz y Ortiz, 1990; Rodríguez, 1996).

Dependiendo de la intensidad del incendio la diversidad de la vegetación se reduce o desaparece al propiciar la apertura de espacios que son ocupados posteriormente por los árboles (Gray y Spies, 1997). Existen básicamente dos mecanismos por los que el bosque se regenera después de un incendio: la diseminación y germinación de semillas (resistentes al fuego), y la formación de rebrotes (Zavala et al., 2000). La entrada de nuevas especies después del incendio depende en gran medida del banco de semillas latentes en el área afectada (Peña y Bonfil, 2003). El fuego es una de las perturbaciones más frecuentes en el bosque y por ello es importante realizar estudios de su impacto sobre el suelo y la vegetación. El objetivo de la investigación fue determinar el efecto de un incendio sobre la dinámica de algunas propiedades del suelo, y el comportamiento de la vegetación en un bosque de Pinus patula en el estado de Hidalgo, México, durante 18 meses.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se desarrolló en el predio denominado Tres fracciones de fondones (20° 37' 20" LN y 98° 40' 00" LW) en el municipio de Zacualtipán, estado de Hidalgo; el 25 de abril de 2005 ocurrió un incendio natural, de forma superficial y de intensidad moderada, dentro de un bosque templado húmedo con vegetación dominante de Pinus patula. El clima del área de estudios es templado subhúmedo con lluvias en verano [C(W2)], su temperatura media anual es de 14 °C, sus inviernos presentan vientos fríos acompañados con lluvia. La precipitación anual es de 2047 mm en el período de junio a septiembre. El suelo del predio bajo estudio es Feozem háplico; la textura del suelo es migajosa, con profundidad media de 20 cm y pedregosidad moderada; la MO es abundante (INEGI, 1992). Dentro del área incendiada se establecieron tres parcelas experimentales de 25 m² de superficie, y fuera de esta área dos parcelas de iguales dimensiones, que se usaron como testigo. Las parcelas tuvieron orientación SE sobre una pendiente del 15%.

El estudio fue planteado como un diseño completamente al azar, las condiciones surgieron de la combinación de la presencia o ausencia de fuego en el suelo del bosque (con incendio/sin incendio), y la profundidad de muestreo del suelo (0–5 cm / 5–30 cm) originando cuatro condiciones, las cuales tuvieron 3 repeticiones dentro de la zona incendiada y los testigos 2 repeticiones. Los datos obtenidos se analizaron mediante el programa estadístico SAS, con las herramientas de análisis de varianza y la prueba de comparación de medias de Tukey entre condiciones con una probabilidad del 95% (SAS, 1997).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El pH del suelo se clasificó como fuertemente ácido (León, 1991) y no mostró diferencia significativa (P • 0.05) al hacer la comparación de medias de los sitios incendiado y no incendiado, así como entre profundidades (Cuadro 1). Sin embargo, después del incendio el valor de pH se incrementó en casi una unidad, lo que favoreció la disponibilidad de los nutrimentos bajo estudio; este incremento del pH se debe principalmente a la aportación de cenizas y bases cambiables, provenientes del material orgánico calcinado, y a la reducción de la aportación de iones H+ durante el proceso de mineralización de la MO (Giovannini y Lucchesi, 1997).

El efecto de la salinidad, medida por la conductividad eléctrica del suelo, es nulo debido a que se trata de un bosque natural (Rodríguez y Rodríguez., 2002) y no se considera perjudicial para el crecimiento de la vegetación.

Los contenidos de MO, CO y Nt a los 15 DDI, mostrados en el Cuadro 1, indican diferencia estadística de la capa superficial (0–5 cm) respecto a la capa profunda (5–30 cm), siendo 3.5 veces mayor para MO y CO, y 3.7 veces para Nt. La comparación de las áreas indicó que hubo una reducción del 34 y 13% para MO y Nt, respectivamente, con el paso del incendio, aunque a pesar de esta reducción el contenido de MO se clasificó como muy rico (Castellanos et al., 2000) debido a la abundante acumulación de material vegetal sobre la superficie del suelo, y al lento proceso de descomposición y mineralización de la MO como resultado de la condición ácida del suelo. El Nt presentó el mismo comportamiento que la MO puesto que su liberación depende de la mineralización de esta última; no obstante lo anterior, el contenido de Nt en el suelo se considera como alto (Castellanos et al., 2000), a pesar de ocurrir pérdidas por volatilización durante el incendio (Rodríguez, 1996).

El contenido de P se incrementó en la parte superficial después del incendio (Cuadro 1), debido a la aportación de este elemento en las cenizas, ya que como el incendio fue de intensidad moderada no alcanzó la temperatura suficiente para su volatilización (Caldwell et al., 2002). Estos resultados concuerdan con lo que reportan Maycotte et al. (2002) quienes también encontraron una mayor abundancia de este elemento en el suelo en condiciones similares.

La temperatura provocada por el incendio causó marcada variación en las propiedades físicas y químicas del suelo. La distribución de partículas mostró un incremento de la fracción arenosa con el paso del fuego, correspondiendo simultáneamente a un decremento de la fracción arcillosa, este cambio en la proporción de partículas se debe a la transformación causada por la fusión de las partículas de arcilla en arena, como resultado de la modificación térmica del hierro y los aluminosilicatos (Giovannini y Lucchesi, 1997). Como consecuencia de lo anterior la capa superficial del suelo (0 a 5 cm) mostró variación en su clase textural, de migajón arcilloso antes del incendio, a franco después de éste. Al respecto Giovannini y Lucchesi (1997) reportaron cambios en la proporción de las partículas de un suelo Lithic Xerocrept incendiado, de 34% de arena y 32 % de arcilla a una temperatura de 25 °C, a 52% y 17% de arena y arcilla respectivamente, al elevarse la temperatura hasta 457 °C como consecuencia del incendio.

Dinámica nutrimental

La MO en el suelo disminuyó al transcurrir el tiempo después del incendio, principalmente en la parte superficial (0–5 cm) por haber estado expuesta al fuego. En la capa subsuperficial (5–30 cm) la pérdida fue menor (Figura 2); en el caso del predio estudiado las causas principales de esta disminución se atribuyen a la reducción en la cantidad del residuo orgánico así como del número y actividad de las poblaciones microbianas (Pritchett, 1991), involucrados en los procesos de mineralización y humificación (Fassbender, 1975). Por su parte el área no incendiada se observó una tendencia hacia la disminución de MO, debido a la marcada estacionalidad del clima durante el período de estudio lo que altera los procesos de edafogénesis, fundamentalmente los relacionados con la tranformación de la MO, ya que la combinación de temperatura y humedad bajas reduce la actividad mineralizadora de los microorganismos (Labrador, 2001).

Perry (1994) y Labrador (2001) reportaron que temperaturas cercanas a 10 °C provocan acumulación de los restos vegetales, porque la velocidad de mineralización de la MO es menor. La naturaleza y estado de los restos orgánicos influyen en la rapidez de transformación, y considerando que los restos vegetales del área de estudio contienen resinas y se consideran "vegetación acidificante" que presentan un alto contenido de lípidos y de lignina con una relación C/N mayor de 50 y con tendencia a originar humus poco evolucionado (Labrador, 2001).

La presencia del fuego afectó el contenido de Nt en mayor grado en los primeros cinco centímetros del suelo. Se obervó una tendencia descendente en las dos profundidades y condiciones del suelo a lo largo de todo el periodo de evaluación, reduciéndose 2.5 veces el Nt en la capa superficial y 0.7 veces en la profundidad 5–30 cm (Figura 3). Al final del período de evaluación (540 DDI) el contenido de Nt descendió hasta 0.24% y 0.28% en la capa superficial del suelo para el área incendiada y no incendiada, respectivamente. En el primer caso la reducción se debió a la quema de MO, así como la volatilización del N mineral que ocurre durante un incendio (Rodríguez, 1996). Por otra parte las plantas herbáceas y pioneras que comenzaron a poblar el área incendiada disponen del N que se está mineralizando (Blank y Young, 2004). Otro factor que puede contribuir con la disminución del Nt fue la desnudez del suelo, lo que propició su erosión y lixiviación por el agua de lluvia (Uribe et al., 2002). La caída en el contenido de Nt en el área no incendiada es afectada por varios factores como son la baja actividad de los microorganismos mineralizadores como resultado de las condiciones ambientales adversas; el agotamiento del N mineral del suelo cuando la relación C/N de los residuos orgánicos superficiales es alta (INPOFOS, 1997) y la abundancia de la vegetación natural representada por todos los estratos (herbáceo, arbustivo y arbóreo) que es altamente demandante de N mineral.

La variación del contenido de Nt en la capa de 5 a 30 cm fue menor, respecto a la capa superficial, de 0.16% inmediatamente después del incendio a 0.09% a los 18 meses, a consecuencia de un menor contenido de residuo orgánico a esta profundidad del suelo.

El contenido de P en la capa superficial del suelo (0–5 cm), después del incendio, tuvo un incremento constante durante los primeros 12 meses, siendo este mayor al 90%; sin embargo, a los 18 meses decreció por debajo del contenido inicial, este decremento durante la estación de crecimiento se debio a que el P fue absorbido por la vegetación herbácea que cubre la superficie del suelo; mientras que a mayor profundidad el contenido de P fue menor y hubo poca variación, de 13 mg kg^–1 inicial a 9 mg kg^–1 al final. El tratamiento testigo presentó contenidos iniciales, por debajo de los 21 mg kg^–1, y al final del periodo contenidos menores a 10 mg kg^–1 (Figura 4). El P es un elemento que generalmente se incrementa después de un incendio (Rodríguez, 1996; Maycotte et al., 2002), ya que se acumula en forma de cenizas provenientes del residuo orgánico calcinado (Salas et al., 2003); además, es relativamente estable en los suelos por no presentar compuestos inorgánicos, como los nitrogenados que pueden ser volatilizados y altamente lixiviados. Ésta gran estabilidad resulta de una baja solubilidad, lo que a veces causa deficiencias en la disponibilidad para las plantas (Fassbender y Bornemisza, 1987).

Las temperaturas en el momento del incendio son de gran importancia para el P y sus formas químicas, ya que temperaturas por arriba de los 777 °C se requieren para completar la volatilización del P, mientras que con temperaturas menores de 400 °C no se ha observado pérdidas de este elemento (Raison et al., 1985; Caldwell et al., 2002). El contenido de P es muy importante para las plantas, es uno de los elementos más limitantes en la mayoría de los ecosistemas (Sardans y Peñuelas, 2005).

Dinámica de la vegetación

Las especies arbóreas dominantes de la zona incendiada son el Pinus patula, Pinus teocote y algunas especies del género Quercus, las cuales sufrieron daños leves apreciándose quemaduras en las partes bajas de los troncos. El incendio que se presentó en el área de estudio fue de tipo superficial con intensidad moderada, los estratos que estuvieron más expuestos al fuego y que resultaron dañados fueron el arbustivo y el herbáceo (Cuadro 2). Esto se pudo observar en la colecta de especies 30 DDI donde el número de especies de estos estratos se redujo considerablemente con respecto a la condición original (testigo), debido a que el fuego prácticamente consumió las herbáceas y el 50% de los arbustos, ya que durante el mes de mayo no se presentaron lluvias importantes en la zona.

En la colecta realizada a 180 DDI se mantuvo el número de arbustos, pero el número de especies del estrato herbáceo incrementó en un 600% con respecto al primer muestreo. Esto obedeció a que después de sucedido el siniestro ocurrió la dispersión de semillas por el viento y la fauna silvestre, desde las áreas con vegetación aledañas que no fueron afectadas por el fuego. Las semillas, además de encontrar el suelo expuesto y la temperatura adecuada en el suelo, recibieron la humedad necesaria para su germinación producto de las lluvias frecuentes y la humedad relativa de la neblina presente en la región durante los meses de lluvia (junio a septiembre). Las especies que se reproducen por bulbos o rizomas, como las Cyperaceas, también aparecieron durante este muestreo debido a que la humedad favoreció el desarrollo de sus estructuras. Esto concuerda con Spurr y Barnes (1982) quienes señalan que el espacio abierto es susceptible para el establecimiento de un nuevo individuo, ya sea porque ha sido dejado libre parcialmente por los árboles debilitados, totalmente por el arbolado muerto, o por la aparición de una perturbación. Este espacio es aprovechado por las semillas que se encuentran en el sustrato, igual que las que han sido liberadas por las plantas adultas que se encuentra en periodo reproductivo. Esas semillas al encontrar condiciones favorables para su germinación dan origen a nuevos individuos que irán sustituyendo paulatinamente a las plantas muertas o en decadencia.

Los resultados de la colecta botánica, realizada a los 18 meses DDI, muestran que el número de especies de los estratos arbustivo y herbáceo se incrementó significativamente, e incluso en este último se encontraron más especies que en el área testigo, esto lo explica Pritchett (1991) cuando señala que en el camino de la sucesión, las comunidades vegetales precursoras alteran las propiedades químicas, físicas y biológicas del suelo durante su estancia en el sitio, preparando con ello el camino para su desplazamiento por una asociación sucesiva de especies más exigentes. En esta dinámica de la vegetación están jugando un papel importante las especies pioneras que se establecieron después de ocurrido el incendio, tales como Baccharis conferta, Buddleia parviflora, Crataegus spp., Eupatorium spp. y Senecio spp., las cuales también fueron encontradas por Puig (1991) como parte de los matorrales secundarios en un bosque similar de la región. De vital importancia es la aparición de diversas especies de leguminosas como Cologania biloba, que son plantas fijadoras de N y que en un futuro pueden incrementar las cantidades de este elemento en el suelo.

Tras un incendio forestal la vegetación es el componente del paisaje que se observa más afectado, ya que se consume parcial o totalmente. Sin embargo, en un plazo de tiempo no muy largo se vuelve a establecer una comunidad vegetal parecida a la que había antes del incendio, debido a que en bosques de coníferas de la región, Pinus patula y otras especies depositan sus semillas en lugares incendiados recientemente, germinando a partir de las semillas depositadas por los conos serótinos de los árboles quemados (Pritchett, 1991). Debido a que junto con las hierbas y arbustos se ha venido estableciendo la regeneración natural de Pinus patula y P. teocote, las cuales se desarrollan favorablemente en sitios abiertos. Se prevé que los brinzales pronto dominarán a las hierbas y arbustos y gradualmente dejarán el sotobosque, proporcionando junto con los árboles adultos sombra que afectará el establecimiento y desarrollo de las especies intolerantes dominadas.

CONCLUSIONES

– Los cambios en el suelo ocasionados por el incendio son más notorios en la capa superficial (0–5 cm), ya que los contenidos de materia orgánica, carbono orgánico y nitrógeno total se redujeron; por el contrario el contenido de fósforo y pH se incrementaron. A mayor profundidad del suelo (5–30 cm) se registraron cambios mínimos en estas variables.

– El establecimiento inicial de especies pioneras, después del incendio, modifica las propiedades químicas, físicas y biológicas en el suelo del sitio, creando las condiciones adecuadas para una sucesión de especies que demandan mayor fertilidad.

– A los 540 días después del incendio, la vegetación incrementó su densidad y diversidad de especies propiciando una mayor cobertura y protección del suelo.

Esta investigación fue financiada con fondos del Programa de Mejoramiento del Profesorado (PROMEP–SEP), mediante el convenio PROMEP:103.5/04/2760.

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