Estimación de biomasa y carbono en dos especies arboreas en La Sierra Nevada, México*

Estimation of biomass and carbon in two arboreal species in the Sierra Nevada, Mexico

Fernando Carrillo Anzúres¹, Miguel Acosta Mireles^1§, Eulogio Flores Ayala¹, Juana Eliud Juárez Bravo² y Eunice Bonilla Padilla²

¹ Campo Experimental Valle de México-INIFAP. Carretera Los Reyes-Texcoco, km13.5. Coatlinchán, Texcoco, Estado de México. C. P. 56250. Tel: 01 595 9212681. (carrillo.fernando@inifap.gob.mx; flores.eulogio@inifap.gob.mx). ^§Autor para correspondencia: acosta.miguel@inifap.gob.mx.

* Recibido: enero de 2014
Aceptado: abril de 2014

Resumen

Se generaron dos ecuaciones para determinar biomasa y carbono en Pinus montezumae y Alnus jorullensis H. B. K. ssp. jorullensis especies de importancia ecológica de los bosques de la Sierra Nevada en el Estado de México. Las ecuaciones que se determinaron son de la forma Y= bX^k, donde Y es el contenido de biomasa o de carbono (kg) y X el diámetro normal (DN) en cm. Para estimar los valores b y k del modelo para cada especie, se utilizaron 15 árboles de Pinus montezumae y 16 de Alnus jorullensis ssp. jorullensis. En Pinus montezumae el mayor porcentaje de biomasa 77.07 % se estimó en el fuste incluido el tocón, mientras que en las ramas y el follaje presentó 8.45 y 9.01%, respectivamente, con la biomasa y el DN de los árboles se obtuvo el ajuste de los parámetros b y k del modelo propuesto (B= 0.013 DN^3.0462) con una R²= 0.9909. Para el caso de Alnus jorullensis ssp. jorullensis de la misma forma el mayor porcentaje de biomasa 63.77% se estimó en el fuste incluido el tocón, mientras que en las ramas y el follaje presentó 20.99 y 11.46%, respectivamente; con la biomasa y el DN de los árboles se obtuvo el ajuste de los parámetros b y k del modelo propuesto (B= 0.0195 DN^2.7519) con una R²= 0.9311. Después de analizar el contenido de carbono en las muestra de cada especie, se ajustaron las ecuaciones para Pinus montezumae C= 0.0065DN^3.0484, con una R²= 0.9914, mientras que para Alnus jorullensis ssp. jorullensis C= 0.009DN^2.7522con una R²= 0.9313.

Palabras clave: Alnus jorullensis ssp., jorullensis, Pinus montezumae, almacén de carbono, ecuaciones alométricas, Sierra Nevada.

Abstract

Keywords: Alnus jorullensis ssp., jorullensis, Pinus montezumae, store carbon, allometric equations, Sierra Nevada.

Introducción

Uno de los temas más controversiales que mueve al mundo es la cuestión sobre el deterioro del ambiente, específicamente aquellos puntos que involucran a la contaminación atmosférica la cual se define como la presencia de materia o energía en cualquiera de sus estados físico y formas que, al incorporarse al aire, altera o modifica su composición y condición natural, provocando un desequilibrio ecológico (López et al., 2001). Uno de los mayores desequilibrios ecológicos que la tierra experimenta actualmente es el llamado cambio climático global debido precisamente a la contaminación por el aumento constante de los gases que causan el efecto invernadero, los cuales se han incrementado a partir de la era industrial.

A pesar de que la especie humana ha estado sobre la Tierra durante sólo una pequeña parte de la existencia de ésta, la alteración que ha provocado sobre la atmósfera es inigualable a comparación con las alteraciones que causan los fenómenos naturales. Las constantes emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), tales como el dióxido de carbono (CO₂), el metano (CH₄), el óxido de nitrógeno (N₂O) y los clorofluorocarbonos (CFCs), entre otros (Houghton et al. 1990); están desencadenando una serie de alteraciones ambientales a partir de la era industrial. Entre los principales efectos que traen como consecuencia un aumento general de la temperatura en la tierra son: el derretimiento de los casquetes polares, el aumento del nivel del mar y la presencia de eventos naturales más extremos como huracanes y sequias, presencia de nuevas enfermedades, pestes, etc. (Woods, 2005; Lindner, 2010). También estudios recientes reportan la migración de vegetación, atribuibles al calentamiento en latitudes septentrionales (Xu, 2013).

Debido a que el cambio climático afecta a todas las naciones, se han realizado diversas reuniones en donde se ha tratado de buscar soluciones a este problema. Fue hasta el año de 1997 cuando se tomaron medidas más particulares para frenar el acelerado cambio climático, mediante la creación del Protocolo de Kyoto (IPPC, 1995), el cual incluye acuerdos flexibles de alcance internacional para tratar de mitigar o disminuir las emisiones de los GEI, tal situación pretende realizarse mediante un acuerdo denominado mecanismo de desarrollo limpio (MDL) que forma parte del mismo Protocolo; en el cual existe un apartado que hace mención del almacenamiento de carbono como medida de mitigación, situación inversa a las emisiones de GEI; este mecanismo permite que países ricos en biodiversidad forestal realicen la captura de carbono que los países más contaminantes lo emiten, de ésta forma se establece un convenio comercial de pago por servicios ambientales, en donde las naciones contaminantes pagan a los que menos contaminan: el secuestro de carbono, la captura de agua, la conservación de la biodiversidad, entre otros (Pagiola et al., 2003).

El gobierno de México, inmerso en esta dinámica internacional, publica en 2013, la Estrategia Nacional de Cambio Climático, como respuesta a la Ley de Cambio Climático publicada el año anterior. En el Eje M4 se reconoce que los bosques son reservorios importantes de carbono y plantea líneas de acción clave a desarrollarse dentro del sector agropecuario y forestal con la finalidad de impulsar mejores prácticas agropecuarias y forestales que reduzcan las emisiones, (SEMARNAT, 2013).

Debido a la gran masa forestal que posee la vegetación forestal, se considera como un almacén de carbono de gran magnitud. Mediante el proceso de la fotosíntesis que realizan tanto los árboles como las demás plantas sintetizando hidratos de carbono a partir del agua y CO₂, se acumula el carbono en la vegetación, en sus diferentes componentes y estratos. En la vegetación arbórea este se cumula principalmente en el fuste, ramas, hojas y raíces, constituyendo con esto un almacén de carbono de gran importancia.

Para estimar la cantidad de carbono que un sistema forestal contiene o almacena, frecuentemente es necesario realizar un análisis destructivo (Brown et al., 1989; Ketterings et al. 2001) o bien por medio de estimaciones indirectas lo que se conoce como modelaje para realizar las inferencias estadísticas respectivas. Para medir el carbono por medio de modelaje es necesario contar con funciones matemáticas que se denominan ecuaciones alométricas, relación que es muy común entre las partes que constituyen a un individuo vivo (Huxley, 1932); y en general en ecosistemas forestales. Este procedimiento permite la estimación, i. e. biomasa de los árboles, a partir de mediciones de las variables más accesibles, como el diámetro a la altura del pecho, altura o radio de la copa. En la estimación de biomasa, se recomienda la generación de ecuaciones para cada especie dado que en las regresiones alométricas, el ajuste estadístico esta dado para el sitio específico para el que fueron desarrolladas (Cutini, 2013).

El objetivo del estudio fue determinar mediante el uso de ecuaciones alométricas la cantidad de biomasa y carbono en árboles de Pinus montezumae Lamb. y Alnus jorullensis ssp. jorullensis, especies de gran importancia ecológica y económica en la Sierra Nevada.

Materiales y métodos

La investigación se llevó acabo en el ejido de Tequexquinahuac, localizado dentro del municipio de Texcoco Estado de México en la zona montañosa que pertenece a la Sierra Nevada la cual es una cordillera de 70 km de longitud que va del volcán Popocatépetl en el sur, a los lomeríos que descienden del Monte Tláloc al norte. En este lugar se encuentra una zona representativa de bosque de gran magnitud de pino-encino. El bosque de este ejido se encuentra bajo manejo silvícola y bajo aprovechamiento forestal en donde los principales productos de comercialización son la madera del pino y encino.

Generación de ecuaciones alométricas

Según Pastor et al. (1984) para estudios forestales, el concepto de alometría se ha utilizado para relacionar componentes o variables de alguna medición (biomasa, área foliar), con variables más fáciles de medir (altura, diámetro, área basal, área de la albura), con el objeto de estimar las primeras variables en función de las segundas. Una de las variable más empleada es el diámetro normal (DN) a 1.30 m o diámetro a la altura del pecho (DAP) para estimar la biomasa aérea de los árboles (FAO, 2000).

Para generar el ajuste de los modelos alométricos para estimar la biomasa para cada especie, fue necesario realizar un muestreo destructivo en donde se seleccionaron individuos tratando de abarcar al mayor rango posible de diámetro para cada especie.

El trabajo se realizó en los meses de octubre y noviembre, periodo en el cual se obtuvieron los permisos necesarios por parte de la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) para el derribo de los árboles, ya que como se mencionó, la zona está bajo aprovechamiento forestal y por lo tanto, bajo un plan de manejo previamente establecido.

Con el fin de determinar la relación peso seco/peso fresco del tronco y de la copa a diferentes alturas, y calcular la biomasa total de los árboles más grandes, se obtuvieron siete rodajas consideradas como muestras probeta (P_i) de aproximadamente 5 cm de espesor distribuidas en siete posiciones a lo largo del tallo principal. Las primeras tres rodajas (P₁ a P₃) se obtuvieron del fuste limpio; P₁ a 0.30 m del suelo, P₂ a 1.3 m del suelo (correspondiente al diámetro normal) y P₃ en la parte media entre P₂ y la base de la copa (Figura 1). Las otras cuatro rodajas se obtuvieron de cuatro secciones en las que se dividió la copa desde su base hasta el ápice (Acosta, 2003).

Para la obtención del peso fresco de los árboles, en cada una de sus secciones (antes de cortar las probetas), fueron pesadas, al igual que las ramas y hojas. Ésta tarea se realizó en campo de manera inmediata al derribo del árbol, con la finalidad de minimizar la pérdida de humedad. Para obtener el peso fresco de cada sección se utilizó una báscula con capacidad de carga de 200 kg y una estructura metálica como soporte. Para el caso de Pinus montezumae, una vez que los árboles fueron derribados y para no afectar las dimensiones comerciales de la madera, el fuste se seccionó en trozas de 2 a 2.5 m de longitud.

Las ramas fueron separadas del fuste y del follaje, también de ellas se obtuvo una muestra de cada una de las secciones de la copa y se determinó su peso fresco. Las ramas sobrantes de todo el árbol se pesó en conjunto, esto para obtener el dato de peso fresco de las ramas de cada árbol y así obtener la biomasa por componente (fuste, ramas y hojas). Para obtener el peso de las hojas, éstas se depositaron sobre una lona, lo que facilitó su medición.

Para obtener el peso de las muestras de cada una de las secciones del fuste de los árboles, las muestras de ramas y de hojas, se utilizó otra báscula con una capacidad de 15 kg con una precisión de 20 g, en donde se registró el peso en fresco de cada sub muestra, este material posteriormente se trasladó al laboratorio en donde se obtuvo el peso seco.

Con la finalidad de obtener el peso seco de cada uno de los árboles las muestras del fuste (rodajas), al igual que las de ramas y hojas, se secaron en invernadero de las instalaciones del Campo Experimental del Valle de México (CEVAMEX) del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP). Debido a que las muestras no pierden la humedad en su totalidad debido a la humedad relativa del ambiente, fue necesario colocar algunas de ellas en una estufa de secado a una temperatura constante de 65 °C durante 72 h hasta lograr peso constante, el cual una vez obtenido, se realizó nuevamente el cálculo para el material que ya se había pesado y que sólo se secó al medio ambiente para aplicarle la corrección y descontarle el porcentaje de humedad que tenía al estar al medio ambiente. De esta manera se garantizó la obtención exacta de la cantidad de biomasa por árbol.

Establecida la relación peso seco/peso fresco de cada una de éstas, se utilizó para obtener el peso seco de cada sección del tronco del árbol a partir de su respectivo peso fresco. El mismo procedimiento se utilizó para obtener el peso seco de las ramas y de las hojas de cada sección de la copa a partir de la relación peso seco/peso fresco de las muestras tomadas. Una vez que se obtuvo la suma del peso seco de cada una de las secciones del tronco, ramas y hojas de cada árbol, se registró la biomasa total de cada árbol.

La obtención de la biomasa por componente, se obtuvo de la resultante de la relación peso seco/peso fresco, en donde una vez alcanzado el peso seco de cada componente se obtiene un porcentaje que representa esta relación y se multiplica por el peso fresco total de cada componente; después se suman los pesos de cada componente del árbol para así obtener la biomasa total por árbol y por especie.

Selección de modelos alométricos

Después de obtener la biomasa y el DN de los distintos árboles, se seleccionó un modelo potencial que determina las relaciones alométricas y siendo uno de los más utilizados en este tipo de estudios (Ter-Mikaelian y Korzukhin, 1997; Acosta et al., 2002; Gómez, 2008).

Y=bX^k................................................................ (1)

Donde: Y= biomasa aérea o carbono (kg); X= diámetro normal (cm); b y k= parámetros a estimar por el método de mínimos cuadrados.

Al expresar el modelo (1) en su forma lineal mediante transformaciones logarítmicas de las variables involucradas y ajustarlo empleando los datos de Y y X como variable dependiente e independiente, respectivamente, se obtiene el modelo 2 expresado por la ecuación 2 (Baskerville, 1972; Acosta et al., 2002):

ln(Y)=ln(b)+k ln(X).....................................................(2)

Donde: Y, X, b y k tienen el mismo significado que en la ecuación (1); ln (Y), ln (b) y ln (X) son los logaritmos naturales de Y, b y X, respectivamente.

Resultados

Los 16 árboles que se muestrearon para Alnus jorullensis ssp. jorullensis presentaron un diámetro normal (DN) que varió desde 7.5 a 49.5 cm, siendo los diámetros mayores más comunes para la especie en la región donde se realizó el estudio. Con respecto a Pinus montezumae se encontraron árboles más grandes que variaron desde 7.2 a 65.9 cm. Éstos resultados se muestran en los Cuadros 1 y 2 para la especies Pinus montezumae y Alnus jorullensis ssp. jorullensis, respectivamente.

De acuerdo con los resultados expresados en el Cuadro 1, Pinus montezumae, tuvo en promedio 52.4% de humedad y en el Cuadro 2 se observa que en Alnus jorullensis ssp. jorullensis se obtuvo 56.7%.

En el Cuadro 3 se presenta el resumen de los porcentajes en biomasa que representa cada componente de la especie Pinus montezumae, en donde se observa que el porcentaje varió dependiendo del diámetro normal. La mayor cantidad de biomasa se encontró en el fuste que presenta 77.07% en promedio. El segundo componente con mayor cantidad de biomasa fue en las ramas con 8.45% del total. El resto de la biomasa del árbol esta representada por las hojas 9.01%.

Para Alnus jorullensis ssp. jorullensis el componente con mayor cantidad de biomasa fue también el fuste con 63.77% de la biomasa total, siendo este valor menor en comparación a la especie de Pinus montezumae; el segundo componente con mayor cantidad de biomasa fueron las ramas 20.99% y las hojas sólo representaron 11.46 % de la biomasa total (Cuadro 4).

Con la información de biomasa para cada especie, se procedió a ajustar el modelo representado por la ecuación 1 y obtener sus parámetros b y k, los modelos resultantes y sus respectivas curvas generadas fueron las siguientes: en la Figura 2, se muestra tanto la ecuación como la distribución de observaciones y la curva generada para Pinus montezumae, se observa que de acuerdo a la muestra obtenida y al modelo usado, se obtuvo un coeficiente de determinación alto (R²= 0.990), además, con el número de observaciones utilizadas posiblemente sea suficiente para obtener una estimación adecuada para medir la biomasa por individuo en esta especie en función del tamaño de diámetro normal. Por lo tanto el modelo para medir la biomasa en esta especie es: B=0.013DN^3.0462.

En donde B representa la cantidad de biomasa en kg y DN es el diámetro en cm medido a la altura de 1.3 m. Por otra parte, no se considera necesario linealizar el modelo toda vez que sería prácticamente el mismo, anteriormente se consideraba importante porque facilitaba el manejo del mismo; sin embargo, hoy en día con el avance tecnológico en cuanto al apoyo de computadoras e incluso de calculadoras, el manejo de este modelo no es una limitante para entenderlo ni utilizarlo.

En la Figura 3 se muestra tanto la ecuación como la distribución de observaciones y la curva generada para Alnus jorullensis ssp. jorullensis, se observa que de acuerdo a la muestra obtenida y al modelo usado, se obtuvo un coeficiente de determinación también alto (R²= 0.9311), además se considera que con el número de observaciones utilizadas es suficiente para obtener una estimación adecuada para medir la biomasa por individuo en esta especie en función del tamaño de diámetro. Por lo tanto el modelo para medir la biomasa en esta especie es: B= 0.0195DN^2.7519. En donde B representa la cantidad de biomasa en kg y DN es el diámetro en cm medido a la altura de 1.3 m.

Se consideró innecesario hacer el análisis de los parámetros de los modelos para ambas especies y determinar si pertenecerían a un modelo único ya que el trabajo de campo que es el más laborioso para estimar la biomasa en cada especie ya se realizó. Tampoco se incluye el cuadro del análisis de varianza para los modelos ajustados, ya que los factores más sobresalientes para determinar sí un modelo es adecuado o no desde un punto de vista matemático son: el número de las observaciones y la distribución de tamaños de las muestras, que el modelo utilizado sea el adecuado de acuerdo a la tendencia de las muestras y el valor del coeficiente de determinación cuyo valor puede variar de 0 a 1 (0 ≤ R² ≤ 1).

Carbono

De los 15 árboles de Pinus montezumae seleccionados para determinar la biomasa se seleccionaron al azar cuatro árboles para medir el carbono, de cada árbol se seleccionaron tres rodajas, una muestra de ramas y una muestra de follaje, este material se llevó al laboratorio y ahí se le determinó el porcentaje de carbono. De los 16 árboles Alnus jorullensis ssp. jorullensis seleccionados para la determinar la biomasa se seleccionaron al azar cinco árboles para medir el carbono de ellos, de cada árbol se seleccionaron tres rodajas, una muestra de ramas y una muestra de follaje, igualmente este material se llevó al laboratorio para su análisis y determinar el porcentaje de carbono de cada uno.

Para medir el carbono de cada rodaja, se obtuvo una submuestra de una porción de aproximadamente 25 gramos, las submuestras se obtuvieron de tal forma que contuvieran la misma proporción de duramen, albura y corteza, para lograr esto la rodaja se cortó como se muestra en la Figura 4.

Respecto a las muestras de ramas, se obtuvo una fracción de ellas así como de las hojas de una cantidad similar a la de las rodajas, o sea aproximadamente 25 gramos. Las porciones de muestras se astillaron, molieron y mezclaron por separado, posteriormente se les determinó el contenido de carbono a cada una en el laboratorio de fertilidad de suelos del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas, empleando el analizador automático de carbono total (Shimadsu TOC-5000-A).

Los porcentajes del contenido de carbono para cada especie resultó como sigue: para Pinus montezumae, el porcentaje promedio de carbono en todo el árbol fue 50.62%, en el fuste se obtuvo 50.47%, en las ramas 50.96% y 50.43% en el follaje, por eso es válido utilizar 50% de la biomasa para calcular la cantidad de carbono en esta especie cuando no se realiza el análisis para determinar el contenido de carbono. Con respecto al contenido de carbono para Alnus jorullensis ssp. jorullensis, se obtuvo un porcentaje promedio general de 45.7% de la biomasa, 46.39% en el fuste, 45.84% en las ramas y 44.87% en el follaje. Para esta especie el contenido de carbono es un poco menor a 50%, por lo tanto es recomendable utilizar el porcentaje promedio general que se obtuvo para calcular el contenido de carbono, cuando sólo se cuente con la determinación de la biomasa.

Con la información del carbono total por árbol para ambas especies, se procedió a hacer el ajuste por mínimos cuadrados, utilizando el mismo modelo potencial similar a la Ecuación 1. En la Figura 5 se muestran los resultados del ajuste del modelo para Pinus montezumae, en donde se puede ver que el modelo ajustado fue: C= 0.0065DN^3.0484, con un coeficiente de determinación R²= 0.9914. En donde C es la cantidad de carbono en kg y DN es el diámetro normal medido a 1.3 m del suelo. Como se puede observar, el valor al que está elevada la "x" (3.0484), es el mismo que el obtenido para ajustar el modelo de la biomasa. El valor que si cambia es el valor de la interceptada, en este caso es 0.0065.

Con respecto a la especie de Alnus jorullensis ssp. jorullensis y con la información del carbono total por árbol, se procedió a hacer el ajuste por mínimos cuadrados, utilizando el mismo modelo potencial similar a la Ecuación 1. En la Figura 6 se muestran los resultados del ajuste del modelo para Alnus jorullensis ssp. jorullensis, en donde se puede ver que el modelo ajustado fue: C= 0.009DN^2.7522, con un coeficiente de determinación R²= 0.9313. En donde C es la cantidad de carbono en kg y DN es el diámetro normal en cm medido a 1.3 m del suelo.

Como se puede observar, el valor al que está elevada la "x" (2.7522), es muy similar al obtenido para ajustar el modelo de la biomasa, el hecho de que no sean exactamente iguales es debido a que la concentración de carbono en cada componente (fuste, ramas y hojas) puede variar, de otra manera, el valor debería ser el mismo. El valor que si cambia es el de la interceptada, en este caso es 0.009. Éste valor es aún más congruente con la realidad, ya que un árbol que tiene "cero" de DN, aunque lógicamente un árbol con tales características "no existe", debería tener "cero" de carbono.

Finalmente, se puede observar que el modelo utilizado para ambas especies, presenta un coeficiente de determinación por arriba de 0.93, lo que indica un ajuste adecuado para la base de datos que se utilizó y para el rango de variación de los tamaños de los árboles que se midieron por lo tanto es confiable utilizar la variable diámetro normal (DN) para estimar el contenido de biomasa o carbono en árboles de Pinus montezumae y Alnus jorullensis ssp. jorullensis.

Conclusiones

En árboles de Pinus montezumae la mayor parte de la biomasa se ubica en el fuste (77.07%), mientras que en ramas se concentra 8.45% en follaje 9.01%. Para Alnus jorullensis ssp. jorullensis el fuste 63.77%, mientras que en ramas se concentra 20.99% y en follaje 11.46%.

Los modelos para estimar biomasa en Alnus jorullensis ssp. jorullensis (B= 0.0195 DN^2.7519) y Pinus montezumae (B= 0.013DN^3.0462), se ajustaron con valores altos del coeficiente de determinación R²= 0.9311 y R²= 0.9909 respectivamente; lo que indica un nivel de confianza alto en la utilización de estos modelos para la estimación de biomasa en estas especies.

La misma aseveración se puede dar para los modelos para estimar carbono en Alnus jorullensis ssp. jorullensis (C= 0.009DN^2.7522) y Pinus montezumae (C= 0.0065DN^3.0484), que también se ajustaron con valores altos del coeficiente de determinación R²= 0.9313 y R²= 0.9914 respectivamente.

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