Variabilidad de la temperatura local en bosques de coníferas por efectos de la deforestación

Variability of local temperature in conifer forests as a consequence of deforestation

Antonio González Hernández¹, Ramiro Pérez Miranda¹, Francisco Moreno Sánchez¹, Gabriela Ramírez Ojeda², Sergio Rosales Mata³, Antonio Cano Pineda⁴, Vidal Guerra de la Cruz⁵ y María del Carmen Torres Esquivel¹

¹ Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Conservación y Mejoramiento de Ecosistemas Forestales INIFAP. Correo-e gonzalez.antonio@inifap.gob.mx.

³ Campo Experimental Valle del Guadiana. CIR-Norte Centro INIFAP.

⁴ Campo Experimental Saltillo. CIR-Norte Centro INIFAP.

⁵ Sitio Experimental Tlaxcala. CIR-Norte. INIFAP.

Fecha de recepción: 11 de julio de 2014
Fecha de aceptación: el 18 de febrero de 2015.

Resumen

Ante lo prioritario que resulta la evaluación de los impactos de la deforestación sobre las variaciones del clima local en los bosques mexicanos, se planteó el estudio que se describe a continuación con el propósito de precisar la variabilidad de la temperatura (máxima, mínima y media) en algunas asociaciones de coníferas y áreas vecinas deforestadas en México, así como sus diferencias diurnas y nocturnas. Se ubicaron seis sitios en pinares, oyametales y en zonas sin arbolado próximas a los mismos en los estados de Tlaxcala, Coahuila, Michoacán, Jalisco y Durango, donde se colocaron Estaciones Meteorológicas Automáticas (EMA). Los resultados indican que las zonas deforestadas presentan mayor temperatura que las arboladas (de 0.43 °C a 0.69 °C). En el bosque de Pinus michoacana se registraron los valores más altos de temperatura, mientras que en el de Abies vejarii los menores. Entre las temperaturas diurnas y nocturnas se observó una diferencia media de 3 °C y predominó una temperatura superior en las territorios deforestados con 1.4 %, respecto a los cubiertos por árboles. Finalmente, las áreas con Pinus durangensis tuvieron la mayor oscilación de temperatura entre el día y la noche (arriba de 4 °C) y las de Abies religiosa, la más baja, con valores inferiores a 1.5 °C.

Abstract

Given that assessing the impact of deforestation on local climate changes in the Mexican forests is a priority, the study here described was carried out in order to determine the variability of temperature (maximum, minimum and average) in some conifer woods and neighboring deforested areas, as well as their daily and night differences. Six sites were located in Pinus and Abies forests and in nearby treeless areas in the states of Tlaxcala, Coahuila, Michoacán, Jalisco and Durango, where Automatic Weather Stations (AWS) were placed. The results revealed that the deforested areas are warmer than those with trees (by 0.43 °C to 0.69 °C). The Pinus michoacana forest showed the highest temperature values, while the lowest occurred at the Abies vejarii community. Between day and night temperatures, the average difference was 3 °C, and a higher temperature by 1.4 % prevailed in deforested areas compared to those covered by trees. Finally, by forest type, the areas with Pinus durangensis had the highest variation in temperature between day and night (by more than 4 °C) and those with Abies religiosa the lowest, with values below 1.5 °C.

Key words: Abies sp., Pinus spp., diurnal temperature, maximum temperature, minimum temperature, night temperature.

Introducción

Las coníferas representan a la vegetación propia de las zonas de clima templado y frío del hemisferio boreal, las cuales exhiben una amplia diversidad florística y ecológica (Rzedowski, 2006). México reúne 49 millones 367 mil ha de bosques, que ocupan alrededor de 25 % del territorio nacional, de ellas, 16 % corresponden a los de aciculares y encinos. Solo cuatro estados (Durango, Chihuahua, Jalisco y Michoacán) integran 55 % de estas asociaciones en las que se desarrollan aproximadamente 35 especies endémicas de pinos y 109 de encinos, además constituyen uno de los recursos forestales económicos más valiosos (Torres, 2014).

Por otro lado, el crecimiento exponencial que ha experimentado la población humana a nivel mundial en las últimas décadas, la demanda de productos naturales para satisfacer sus necesidades de supervivencia, así como las formas y mecanismos de su apropiación tienen implicaciones estructurales y funcionales sobre los ecosistemas (Mas et al., 2009; Rosete et al., 2009), de modo que cuando se realizan intervenciones sobre la masa forestal, se provocan cambios en las condiciones microclimáticas del sistema original. Asimismo, hay gran certidumbre de que las condiciones climáticas cambiarán en los próximos años, por lo que es importante estudiar y precisar cuáles comunidades vegetales resultarán más afectadas y la magnitud del impacto que recibirán. Las gimnospermas, en general, se distribuyen en climas semifríos o templados con distinto régimen de humedad, y son los del segundo tipo, en particular, los que se modificarán debido al cambio climático, y serán remplazados por otros más secos y cálidos (Gay et al., 2006; Greenpeace, 2010).

Las proyecciones de cambio climático del IPCC (2007) indican que entre 20 % y 46 % de las superficies de los bosques de coníferas experimentarán modificaciones de 2020 a 2050. La reducción de la cobertura arbórea genera diversos efectos a distintas escalas sobre la diversidad biológica y se manifiesta en la degradación de suelos, la pérdida de capacidad de los sistemas biológicos, el incremento de la vulnerabilidad en regiones sujetas a perturbaciones climáticas y la variación del albedo, que alteran el intercambio de energía entre la superficie y la atmósfera. Además, repercute en las tazas de evapotranspiración y el ciclo del carbono a nivel global, por la disminución en los reservorios y áreas de captura (Sala et al., 2000; MEA, 2003; Lambin et al., 2003).

Grimmond et al. (2000) señalan que los climas locales variantes resultan de una compleja interacción de ciertas características del rodal y de cuestiones fisiográficas. La mayoría de los estudios (Geiger, 1965; Oke, 1987; McCaughey et al., 1997) sobre el microclima del bosque han identificado una moderación general en los parámetros meteorológicos comunes como efecto de las copas de los árboles.

Los ecosistemas forestales tienen un claro microclima debajo del dosel, regulado por diversos procesos biofísicos y de eminente importancia para el crecimiento y la supervivencia de la vegetación del sotobosque y las plantas procedentes de semillas. El dosel y el tronco del árbol protegen, parcialmente, las áreas cercanas al suelo de la radiación solar y reducen la mezcla de aire. Como consecuencia, dicho microclima suele diferir, de manera importante del presente en las áreas abiertas (Geiger et al., 2009).

Por lo anterior, resulta prioritaria la evaluación de los impactos de la deforestación en los bosques mexicanos. Así, en este trabajo se incursionó en ese problema, a partir de mediciones de las temperaturas máxima, mínima y media in situ, para generar conocimientos que ayuden a entenderla como fuente generadora de variabilidad climática a escala local; así como evaluar cuantitativamente la acción de la vegetación como factor estabilizador del clima.

Materiales y Métodos

Área de estudio

El área de estudio se ubicó en cinco bosques de coníferas: (1) Abies religiosa (Kunth) Schltdl. et Cham.; 2) Abies vejarii Martínez; 3) Pinus patula Schiede ex Schltdl. et Cham.; 4) Pinus michoacana Martínez; y 5) Pinus durangensis Martínez, cuyas condiciones de vegetación son diferentes y se ubican en cinco estados de la república mexicana (Figura 1).

]]> Figura 1. Localización de las estaciones meteorológicas y sitios con bosques de coníferas y áreas deforestadas evaluados en la república mexicana.
Figure 1. Location of the weather stations and the assessed sites with conifer forests and deforested areas in Mexico.

Estaciones meteorológicas

En cada sitio se colocó una estación climatológica automatizada, Davis Institute Corporation Modelo Vantage Prod. 2, dentro del bosque de coníferas (Abies o Pinus) con una cobertura mínima de 60 % y una altura promedio de los árboles de 25 m, seleccionados bajo el criterio de que no tuvieran evidencia de disturbio reciente, plagas o enfermedades. También se puso otra estación climatológica en un área cercana deforestada con una separación mínima del bosque de 200 m, en los estados de Michoacán, Tlaxcala, Jalisco, Durango y Coahuila (Figura 1). Las estaciones fueron dispuestas en la superficie y los sensores de temperatura a 1.5 m de altura del suelo. La variable medida fue la temperatura (máxima, mínima y media) de mayo de 2012 a junio 2013 y se registró cada 30 minutos, en bosque y área deforestada, por especie y superficie deforestada; además de la temperatura diurna y nocturna en cada opción. Las características de los sitios se describen en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Descripción de los sitios de monitoreo.
Table 1. Description of the monitored sites.

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Análisis estadístico

Resultados y Discusión

Temperaturas en áreas de bosque contra superficie deforestada

Los resultados de la prueba estadística de MANOVA para probar el contraste térmico entre los sitios deforestados y forestados se presentan en el Cuadro 2. Se advierte que los cuatro criterios son estadísticamente significativos para la prueba de F; por lo tanto, se rechaza la hipótesis planteada (Ho), lo que sugiere que al menos un vector de efectos de los promedios de los sitios sin y con arbolado produce diferencias significativas en las variables climáticas de respuestas, a partir de los análisis de variancia individuales de cada una, e indica también que son reales y no se deben al azar.

Cuadro 2. Análisis MANOVA para temperaturas.
Table 2. MANOVA analysis of temperatures.

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Figura 2. Promedio de la temperatura media, máxima y mínima en bosques templados y en zonas deforestadas.
Figure 2. Average of the mean, maximum and minimum temperatures in temperate forests and deforested areas.

a y b = p<0.01. Medias con diferente letra presentan diferencias altamente significativas.
a and b = p<0.01. Means with different letters exhibit highly significant differences.

Lewis (1998) comparó las temperaturas de la superficie del suelo y la media diaria del aire, cuyo valor medio anual diario promedio de los valores máximos y mínimos durante todo el año en la estación meteorológica estándar más cercana fue de 9.72 °C; la mínima diaria promedio del aire fue de 5.23 °C. Con respecto a la media anual SAT, en promedio, las temperaturas de la superficie del suelo (GST) variaron de -0.7 a 2.4 °C en los ocho sitios que evalúo.

En el terreno cubierto de hierba, con un alto nivel freático, la temperatura promedio del suelo más baja fue de 9.02 °C y de las dos áreas arboladas, el sitio orientado al norte y otro sitio plano con un alto nivel freático, tenía la GST promedio un poco más baja. Los cuatro sitios con grados variables de sombra parcial, registraron una GST media próxima a 10 °C, intermedia entre los extremos en terrenos no forestales sin agua freática superficial y boscosa, mientras que el registro fue alto. El autor concluyó que en sitios sin árboles, con buen drenaje se alcanzan valores mucho más altos de GST promedio, que en los terrenos forestales y aquéllos con altos niveles freáticos. Asimismo estableció que, si la deforestación causada por un incendio forestal o por el aprovechamiento de la madera produce un calentamiento en la temperatura de la superficie del suelo (GST), y si el bosque no se restablece el cambio en esta variable será permanente.

En las zonas boscosas, los doseles integrados por muchos individuos modifican las condiciones microclimáticas, con el consecuente efecto en varias especies del sotobosque, las cuales, bajo un denso estrato superior se adaptan a condiciones muy distintas a las que prevalecen en sitios abiertos. Existen diferencias de microclima (suelo, temperatura del aire, viento y radiación fotosintéticamente activa recibida (PAR)) por debajo de un dosel denso si se compara con pastizales abiertos que pueden ser sustanciales y alterar la estructura y función del ecosistema (Davies-Colley et al., 2000). Los patrones de vegetación y los procesos de los ecosistemas son determinados, en gran parte, por el ambiente lumínico del sotobosque, por la altura de la planta y la cubierta arbórea, en particular (Martens et al., 2000).

Temperaturas por tipo de bosque y superficies deforestadas

Los resultados de la prueba estadística de MANOVA para probar si existen diferencias significativas entre los sitios seleccionados con y sin arbolado, se presentan en el Cuadro 3; se advierte que los cuatro criterios resultaron estadísticamente significativos para la prueba F. Se rechaza, entonces, la hipótesis planteada (Ho), lo que sugiere que al menos un vector de efectos de los promedios de los sitios produce diferencias significativas en las temperaturas por tipo de bosque. Este resultado confirma las diferencias significativas obtenidas en los análisis de variancia individuales de cada variable e indica la existencia de diferencias reales, que no se deben al azar.

Cuadro 3. Análisis MANOVA por tipos de bosque.
Table 3. MANOVA analysis by type of forest.

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En la Figura 3 se observan las diferencias promedio de temperaturas media, máxima y mínima, en la que se muestra que son distintas entre todos los tipos de bosque. Solo el oyametal (Abies religiosa) y el de Pinus patula no presentan diferencias significativas en la media de temperatura máxima registrada, en ambos sitios. El bosque de Pinus michoacana registra las cifras más elevadas con respecto a los demás tipos con valores desde los 13.5 °C mínima en el bosque a 15.4 °C máxima en el área deforestada. El caso contrario corresponde a Abies vejarii cuyas temperaturas varían de 8.1 °C a 10.3 °C.

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a, b, c, d, y e = p<0.01. Medias con diferente letra presentan diferencias altamente significativas.
a b c d and e = p<0.01. Means with different letters exhibit highly significant differences.

Las temperaturas (máxima, mínima y media) son mayores en las áreas deforestadas en comparación con las superficies ocupadas por bosques a excepción del de Pinus patula, donde el comportamiento es opuesto (Figura 3). Este contraste puede deberse a que poco tiempo después de colocadas las estaciones meteorológicas, el dueño del predio construyó un "jagüey" cerca de la estación ubicada en el área deforestada, y el espejo de agua hizo que la temperatura fuera más baja en esa zona, lo cual alteró los datos. Además, con respecto a todos los bosques de coníferas estudiados, el de pino patula contenía mayor cantidad de materia orgánica en su superficie que al descomponerse genera calor.

Lindner et al. (2010) consignan que los ecosistemas forestales con características diferentes muestran sensibilidades variables a los cambios del clima. Asimismo, señalan que los datos cuantitativos espacio-temporales sobre las relaciones entre el microclima bajo dosel y el clima de una zona abierta local son escasos, basados en plazos largos y en una gama de los diversos ecosistemas forestales; sin embargo, revisten gran importancia para mejorar los modelos de crecimiento, para optimizar la gestión de los bosques y para asegurar el funcionamiento futuro económico y ecológico de estas comunidades.

Lewis (1998) estableció que hay muchos factores que contribuyen a los contrastes geográficos en la amplitud de la temperatura de la superficie del suelo por los cambios que resultan de la deforestación, tales como la variación en la cantidad de precipitación y de las aguas subterráneas; la cantidad de calor radiactivo; el tamaño del árbol y el área de follaje. No obstante, como las temperaturas anuales promedian 0 °C, aproximadamente, el calor latente de la las aguas subterráneas se convierte en el más importante. Por lo general, la temperatura de la superficie del suelo sigue a la variación sinusoidal del aire en el lapso de un año, excepto si está por debajo de los 0 °C. Cuando dicha temperatura es inferior a cero, la que está a muy pocos centímetros por debajo de la superficie se mantiene en el punto de congelación (Lewis y Wang, 1992). En consecuencia, la GST promedio es mucho más caliente que la temperatura media del aire en esos lugares. Si el promedio GST es cercano a cero en un sitio, un aumento de la temperatura del aire causará un incremento menor en ese factor. Lo anterior puede explicar el cambio menos notorio en GST producido por la deforestación en el lago Clear (1.2 °K), en comparación con 1.8 °K en el norte de la isla de Vancouver.

El aumento mundial de la temperatura y la frecuencia de los fenómenos meteorológicos extremos afectarán el microclima presente abajo del dosel, e influirá para dar forma, en un futuro, a estructuras de los ecosistemas forestales, en particular cuando la regeneración natural es una práctica común (Bertrand et al., 2011). Los ecosistemas forestales con características diferentes tienen sensibilidades distintas a estos cambios (Lindner et al., 2010).

Los resultados de la prueba estadística de MANOVA a partir de la de temperatura diurna y la nocturna se resumen en el Cuadro 3; como en el caso de la información del tipo de bosque, se observa que los cuatro criterios resultaron estadísticamente significativos para la prueba F. De igual manera, se rechaza la hipótesis planteada (Ho) y se confirma la obtención de las diferencias significativas de los análisis de variancia individuales de cada variable y la existencia de discrepancias reales y no al azar.

En la Figura 4 se ilustran las temperaturas media, máxima y mínima durante el día y la noche en el bosque y la zona deforestada. En la noche descienden 3 °C, en promedio. Por otro lado, es evidente que en el área deforestada la media es significativamente mayor que en el bosque en 1.4 %, más o menos, pues existe una variación en temperatura media de 1.2 %, 1.1 % en cuanto a la máxima y de 1.9 % en la mínima entre ambas condiciones de cubierta arbolada.

Figura 4. Promedio de la temperatura media, máxima y mínima que se registraron durante el día y la noche en áreas boscosas y deforestadas.
Figure 4. Average maximum and minimum temperatures registered during the day and at night in forested and deforested areas.

a y b = p<0.01. Medias con diferente letra presentan diferencias altamente significativas.
a and b = p<0.01. Means with different letters exhibit highly significant differences.

La influencia de las copas de los árboles en el microclima del sotobosque está directa e indirectamente relacionada con la presencia del dosel y los tallos. Las ramas, las hojas y las acículas reflejan y absorben parte de la energía solar de la radiación en el día, por lo que llega menos energía al suelo (Geiger et al., 2009).

Geiger et al. (2009) registran que las fluctuaciones diurnas moderadas de temperatura y humedad relativa en los bosques de pinos ocurren en el día, ya que estas comunidades disminuyen su temperatura de forma menos pronunciada que los otros tipos de bosque, durante la noche. La humedad reducida que se verifica en los pinares en dicho lapso, probablemente, sea una consecuencia directa del aumento impulsado por la temperatura en la presión de vapor saturado. Mitscherlich (1981) y Geiger et al. (2009) definen que la diferencia de temperatura en el área abierta es mayor al medio día y temprano en la tarde, cuando se registran los valores mínimos diarios.

Chen et al. (1993), AbdLatif y Blackburn (2010) y Renaud et al. (2011) señalan que, por lo general, los valores de humedad relativa son más altos, sin embargo las amplitudes diarias de temperatura por debajo del dosel son regularmente menores que en las áreas abiertas o deforestadas.

Temperaturas diurna y nocturna por tipo de bosque y superficies deforestadas

Los resultados de la prueba estadística de MANOVA para probar si existen diferencias significativas entre los sitios seleccionados, a partir de las temperaturas diurna y nocturna y el tipo de bosque, se presentan en el Cuadro 4; y se observa que los cuatro criterios resultaron estadísticamente positivos para la prueba F. Por lo tanto, se rechaza la hipótesis planteada (Ho); es decir que al menos un vector de efectos de los promedios de los sitios deforestado y forestado produce diferencias significativas en dichas temperaturas por tipo de bosque. Con ello se confirma que en los análisis de variancia individuales de cada variable parte de que existen contrastes reales que no se deben al azar.

Cuadro 4. Análisis MANOVA en temperaturas diurnas y nocturnas por tipo de bosque.
Table 4. MANOVA analysis of day and night temperatures by forest type.

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Figura 5. Promedio de las temperaturas media, máxima y mínima que se registraron durante el día y la noche por tipos de bosques y superficies deforestadas.
Figure 5. Average maximum and minimum temperatures registered during the day and at night in forested and deforested areas.

a, b, c, d, e, f, g, h, i = p<0.01. Medias con diferente letra presentan diferencias altamente significativas.
a b c d e f g h i = p<0.01. Means with different letters exhibit highly significant differences.

En la Figura 5 se representan los valores de temperatura media, máxima y mínima en cinco tipos de bosque; es evidente que durante el día los valores se elevan más que en la noche, con un promedio de 3.46 °C. En promedio la variación de temperaturas diurnas y nocturnas en los distintos tipos de bosque es de 3.6 °C; de 3.56 °C en la máxima y de 3.23 °C en la mínima. Los sitios con mayor variabilidad de temperatura entre el día y la noche son el de Pinus durangensis con 5.28 °C, 5.6 °C y 4.7 °C de temperaturas media, máxima y mínima, respectivamente; el de Abies vejarii con 4.5 °C, 4.5 °C y 4.7 °C, mientras que el de Abies religiosa tiene menor variabilidad en las temperaturas diurna y nocturna, con 1.5 °C en temperatura media, 1.4 °C en temperatura máxima y 1.2 °C para la mínima.

Von Arx et al. (2013) utilizaron los datos meteorológicos a largo plazo de 14 ecosistemas forestales distintos, que fueron clasificados en tres tipos de bosque y dos pisos altitudinales; identificaron diferencias fundamentales en la temperatura del aire bajo el dosel y la zona abierta, además de patrones en la humedad relativa con respecto a las estaciones. Reconocieron que existen más fluctuaciones diurnas de temperatura durante el día y que son menores en la noche, asimismo las diferencias, generalmente, son más pequeñas en la temperatura media nocturna y en la temperatura mínima bajo el dosel en la zona abierta; también confirmaron el papel dominante de la radiación solar y el sombreado; por lo tanto, sus resultados son congruentes con los del presente estudio, con los de Chen y Franklin (1997) y de Renaud et al. (2011).

Las temperaturas máxima, mínima y media fueron mayores en el área deforestada en comparación con la forestada en un intervalo de 0.43 °C a 0.63 °C.

Los tipos de bosque Abies y Pinus influyen en las diferencias de temperaturas, las más altas de las cuales se verifican en el de Pinus michoacana y la menor en el de Abies vejarii.

La temperatura diurna y nocturna desciende 3 °C en promedio por la noche en comparación con la del día y es superior en la superficie deforestada del 1.1 % a 1.9 %.

Las temperaturas nocturna y diurna por tipo de bosque son más altas en la noche, 3.4 °C en promedio y en el bosque de Pinus durangensis se presenta la variación más grande entre el día y la noche, con un intervalo de 4.7 °C a 5.6 °C; al de Abies religiosa le corresponde la menor variación con 1.2 °C a 1.5 °C.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor

Agradecimientos

Los autores desean expresar su agradecimiento al Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias por haber otorgado el financiamiento por medio de fondos fiscales al proyecto No. 1434132002 titulado Efectos de la deforestación sobre el cambio climático local en bosques de coníferas, del que se derivó el presente trabajo.

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