Estimación de biomasa aérea en plantaciones de Cedrela odorata L. y Swietenia macrophylla King

Aerial biomass estimation in Cedrela odorata L. and Swietenia macrophylla King plantations

Agustín Rueda Sánchez¹, Agustín Gallegos Rodríguez², Diego González Eguiarte², J. Ariel Ruiz Corral¹, Juan de Dios Benavides Solorio¹, Eduardo López Alcocer² y Miguel Acosta Mireles³

² Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA), Universidad de Guadalajara.

³ Campo Experimental Valle de México, INIFAP.

Fecha de recepción: 6 de octubre de 2010;
Fecha de aceptación: 8 de julio de 2014

Resumen

Se evaluaron las capacidades de producción de biomasa y de captura de carbono en plantaciones de Cedrela odorata y Swietenia macrophylla con 12 años en el estado de Jalisco. En campo fueron seleccionados y derribados 15 árboles de cada especie para determinar la biomasa y el carbono en el estrato aéreo; se tomaron muestras del fuste, de las ramas (brazuelo y leña) y del follaje de cada individuo para conocer su peso fresco; en el laboratorio se secaron para obtener el peso seco y con estos datos se calculó la biomasa total de cada ejemplar a partir de la relación peso seco: peso fresco. Para realizar las estimaciones se ajustaron ecuaciones de regresión tipo polinomial y potencial, el diámetro normal y la altura fueron las variables independientes. Al peso seco de cada componente del árbol se le aplicó un índice de captura de carbono de 0.4269 y con ello se obtuvo el potencial de captura de carbono atmosférico. Para C. odorata el total de biomasa promedio por espécimen fue de 34 kg, en la que se distribuye 75 % de la biomasa en el fuste, 11 % en el brazuelo, 9 % en ramas (leña) y 5 % en el follaje. Para S. macrophylla el total de biomasa promedio por espécimen fue de 26 kg, del cual 47 % se distribuye en el fuste, 19 % en el brazuelo, 23 % en ramas y 10 % en el follaje.

Palabras clave: Biomasa, carbono, Cedrela odorata L., ecuaciones alométricas, Jalisco, Swietenia macrophylla King.

Abstract

This study was conducted with the aim of assessing the ability of biomass production and carbon sequestration by plantations of Cedrela odorata and Swietenia macrophylla in a plantation established 12 years ago in the state of Jalisco, Mexico. At Costa de Jalisco Experimental Site of the Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) and 15 trees of each species were selected and felled and the biomass and carbon in the aerial stratum were determined. Samples were taken from the stem, branches (twigs and firewood) and foliage of each of the selected trees and fresh weight was determined in the field from both species; the samples were dried in a laboratory to obtain the dry weight and estimate the total biomass of each tree using the ratio dry weight: fresh weight of samples. To estimate the biomass and carbon and polynomial regression equations were fit; the independent variables were normal diameter and tree height. To the dry weight of each tree component was applied a carbon sequestration index of 0.4269, thereby determining the potential for atmospheric carbon sequestration. For C. odorata, the total average biomass per tree was 34 kg, 75 % of which belongs to the biomass in the stem, 11 % in the trunk, 9 % in branches (wood) and 5 % in foliage. For S. macrophylla, the total average biomass per tree was 26 kg, which are distributed as 47 % in the stem, 19 % in the trunk, 23 % in branches and 10 % in the foliage.

Key words: Biomass, carbon, Cedrela odorata L., allometric equations, Jalisco, Swietenia macrophylla King.

Introducción

El planeta experimenta un cambio climático global que consiste en el calentamiento promedio del globo de 0.6 °C (en los últimos 170 años), su origen es el incremento en la concentración de gases efecto invernadero (GEI) en la atmósfera que resulta de actividades fundamentalmente antropogénicas (IPCC, 2007). De los GEI, el dióxido de carbono contribuye con más de 65 % al efecto invernadero y su contenido en la atmósfera ha aumentado de 280 (en 1860) a 360 ppm en menos de 150 años (IPCC, 2007).

El balance entre la emisión y la captura de carbono de los ecosistemas es fundamental para el equilibrio del clima en la Tierra, los árboles guardan una estrecha relación con este, ya que pueden actuar como un sumidero neto de carbono. Se estima que en los próximos cien años la vegetación terrestre en buen estado de conservación sería capaz de reducir de 20 a 50 % de las emisiones netas de CO₂ (Masera, 2001).

Es importante que la captura de carbono en ecosistemas cultivados o inducidos sea considerada uno de los criterios de selección de especies para llevar a cabo programas de reforestación y plantaciones forestales productivas; en México estas investigaciones aún son incipientes.

Los bosques capturan carbono cuando la fotosíntesis es mayor que la suma de la respiración autotrófica y heterotrófica (Brown, 1997). La biomasa es la energía solar que las plantas convierten en materia orgánica y se puede recuperar, ya sea por combustión directa o al transformarla en otros combustibles (Parde, 1980); para estimar la producción de biomasa en individuos arbóreos frecuentemente se utilizan funciones alométricas (Gayoso et al., 2002) que son ampliamente aplicadas en diversos estudios forestales, por su flexibilidad. Las variables explicativas más comunes son el diámetro a la altura del pecho (DAP), el diámetro a la altura del tocón (DAT), la altura total (HT) y diferentes combinaciones de ellas (Prado et al., 1987).

El total de carbono capturado (CT) (toneladas de carbono por hectárea) se expresa formalmente como:

(1)

Donde:

CT = Carbono total capturado o acumulado

Cv = Carbono contenido en la vegetación

Cd = Carbono contenido en la materia en descomposición

Cs = Carbono contenido en el suelo

Cp = Carbono contenido en productos de madera

]]> Cf= Carbono ahorrado por sustitución de combustibles fósiles

Adicionalmente, si se desea considerar el horizonte de tiempo, es posible aplicar la siguiente fórmula:

(2)

Donde:

CT = Carbono total capturado o acumulado

Cv = Carbono contenido en la vegetación

Cd = Carbono contenido en la materia en descomposición

Cs = Carbono contenido en el suelo

Cp = Carbono contenido en productos de madera

]]> Cf= Carbono ahorrado por sustitución de combustibles fósiles

t = Tiempo

dt = Descomposición en el tiempo

Existen varios métodos de estimación en función del tipo de reservorio; la selección de uno u otro dependerá del tipo de información disponible en el momento y de la precisión requerida. Masera (2001) indica que el carbono retenido en la vegetación es la suma de la biomasa aérea y la de las raíces. Dado que los datos de biomasa se colectan destructivamente, es común solo tener datos secundarios (la altura y el diámetro de los árboles); en estos casos es posible estimar el carbono que contiene la biomasa al utilizar una serie de ecuaciones alométricas de regresión.

El objetivo del presente estudio fue evaluar la capacidad de producción de biomasa y de captura de carbono en plantaciones de Cedrela odorata L. y Swietenia macrophylla King en el trópico subhúmedo del estado de Jalisco.

Materiales y Métodos

Área de estudio

El trabajo de campo se realizó en el Sitio Experimental Costa de Jalisco del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), localizado en el municipio La Huerta, Jalisco, en las coordenadas 19°31'15" latitud norte y 104°32'00" longitud oeste, a una altitud de 298 m. El clima de la región según el sistema Köppen modificado por García (1973), es un Aw₁ que se define como cálido subhúmedo con lluvias de verano, con precipitación media anual de 1 100 mm, temperaturas medias máximas de 34 °C y medias mínimas de 12 °C. El tipo de suelo es Feozem haplico, con pH 6.7 (Benavidez et al., 2009).

Selección y derribo de árboles muestra

Se escogieron al azar 15 árboles de cada una de las especies, ya marcados para ser derribados para realizar el aclareo que se hace en estas plantaciones, como parte de su manejo. De acuerdo con Schlegel et al. (2000), los estudios de biomasa en general utilizan de 20 a 40 especímenes para zonas amplias; en localidades específicas 15 es un número suficiente.

Muestreo de biomasa aérea

El muestreo fue completamente aleatorio y se definió por clases diamétricas y se procuró incluir a todas las categorías representadas en ambas especies; a cada árbol derribado se le midió el diámetro normal (DN) y, posteriormente, se le seccionó en trozas comerciales de varias longitudes, de acuerdo con las diferentes conformaciones del fuste de cada ejemplar. De cada una de ellas se seleccionó una muestra que consistió en una rodaja de 5 cm de espesor, aproximadamente, la primera de las cuales se tomó de la sección que corresponde a la parte baja de la primera troza y las demás, de la parte más gruesa de las restantes; después, se midió cada troza.

Se separaron las ramas del follaje y se pesaron de manera independiente, de lo que se obtuvo de una a tres muestras para cada componente, en función del tamaño del árbol. En total se reunieron 157 muestras distribuidas de la siguiente manera: 69 del fuste (rodajas), 32 del follaje, 26 de los brazuelos y 30 de las ramas (Cuadro 1).

Cuadro 1. Número de muestras utilizadas.

Haga clic para agrandar

Procesamiento de muestras

Las muestras fueron expuestas al sol durante 30 días para evitar el ataque de hongos, posteriormente se secaron a peso constante en una estufa de secado eléctrico de laboratorio O.R.L. S-343; en el caso de rodajas, brazuelos y ramas se mantuvieron a una temperatura de 70 °C durante 12 días y el follaje se conservó entre 35 y 40 °C durante 5 días. Cuando el peso seco fue constante, todas las muestras fueron pesadas en gramos, para mayor precisión.

Determinación de biomasa

Para conocer la biomasa total de cada componente (fuste o rodajas, brazuelo, ramas y follaje) se empleó el factor que resultó de la relación peso seco: peso fresco de la muestra de cada componente, después se multiplicó por el peso fresco de todo el componente. La suma de la biomasa total del fuste (trozas) y de la copa (brazuelo, ramas y follaje) dio como resultado la biomasa aérea total de cada árbol.

Análisis de datos

Se ajustaron modelos matemáticos lineales y no lineales para explicar la variación de la biomasa total por árbol a partir de las variables independientes diámetro a la altura del pecho (DAP) y altura del árbol. Los ajustes se realizaron con una hoja de cálculo Excel (Microsoft Office, 2007). Para seleccionar los modelos mejor ajustados se utilizó el coeficiente de determinación (R²).

Determinación del contenido de carbono

Diversos estudios han empleado la biomasa de los árboles para estimar el contenido de carbono; esto se logra a partir de la multiplicación de la cantidad disponible en alguna superficie por el factor de conversión de biomasa a carbono, que va desde 0.40 hasta 0.55; este intervalo corresponde a la proporción de carbono que cualquier especie vegetal contiene (Jo y Mc Pherson, 1995; Callo, 2001); el factor empleado fue de 0.4269 (Jo y Mc Pherson, 1995).

Para estimar el contenido de carbono en la biomasa de los componentes de los árboles de cada especie, se empleó la siguiente expresión:

(3)

Donde:

CCC = Contenido de carbono por componente (fuste, ramas, follaje) en kg.

BTC = Biomasa total del componente (kg)

0.4269 = Factor de conversión (Jo y Mc Pherson, 1995).

Se sumó el carbono de cada componente de la biomasa para obtener el contenido total de carbono de la biomasa global de cada árbol.

Resultados y Discusión

Estimación de biomasa y carbono aéreo

Cuadro 2. Distribución del arbolado por categoría diamétrica de las especies forestales en estudio.

Haga clic para agrandar

El DN de S. macrophylla osciló entre 6.4 y 17.5 cm, tuvo una media de 10.2 cm y su desviación estándar fue 3.11; la mayoría de los ejemplares se situaron en las categorías de diámetro de 5 a 10 y 10 a 15 cm (Cuadro 2).

Para C. odorata, la biomasa de cada ejemplar osciló en un intervalo de 8.6 a 114.9 kg, la media fue de 33.7 kg y la desviación estándar, 28.3 kg; 95 % (31.8 kg) de la biomasa se distribuyó en los componentes que conforman la madera, de la siguiente forma: 74.7 % (25.2 kg) en el fuste, 10.6 % (3.6 kg) en el brazuelo y 9.2 % (3.1 kg) para leña, 5 % restante (1.8 kg) se concentró en el follaje (Cuadro 3). La biomasa total promedio por árbol de C. odorata (33.7 kg), multiplicada por los 1 111 ind ha-1 arroja un total de 37.44 ton ha-1 a los 12 años de establecida la plantación.

Cuadro 3. Distribución de biomasa promedio por componente y especie.

]]> Haga clic para agrandar

En el caso de S. macrophylla, la producción de biomasa por individuo tuvo una variación entre los 6.3 a los 92.1 kg, un promedio de 25.9 kg y una desviación estándar de 22.3 kg. 90 % (23.2 kg) de la biomasa estuvo distribuida en los componentes maderables, de la siguiente manera: 47.5 % (12.3 kg) en el fuste, 19.3 % (5.0 kg) en el brazuelo y 22.8 % (5.9 kg) para leña, 10 % restante (2.6 kg) formó parte del follaje (Cuadro 3). La biomasa total promedio por árbol fue de 26.0 kg, que al multiplicarse por los 1 111 ind ha^-1 da un total de 28.886 ton ha^-1, a 12 años de haber establecido la plantación.

Para estimar el contenido del carbono aéreo de ambas especies, se aplicó el factor de conversión 0.4269 de Jo y Mc Pherson (1995) a los valores de biomasa obtenidos (Cuadro 3).

Modelos ajustados

Al analizar la correspondencia entre la biomasa y las variables independientes DAP y altura de árbol se observó que la última no explicó la variación de la biomasa, por lo que los tipos de modelos explorados se trabajaron únicamente con la variable DAP.

La relación de DAP y la biomasa es de tipo curvilíneo (figuras 1 y 2), el modelo que mejor la representó, en las dos especies, se describe en el Cuadro 4; ambos modelos presentan una r2 mayor que 0.8, lo cual, de acuerdo con Alder (1980) y Gujarati (1999), corresponde a modelos confiables para estimar la biomasa aérea.

Figura 1. Relación entre el diámetro a la altura del pecho y la biomasa por clase diamétrica en Cedrela odorata L.

Figura 2. Relación entre el diámetro a la altura del pecho y la biomasa por clase diamétrica en Swietenia
macrophylla King.

Cuadro 4. Modelos para estimar la biomasa aérea (B) para un árbol en función de su diámetro normal (DN) para dos especies tropicales.

Haga clic para agrandar

Los resultados de biomasa aérea de C. odorata y S. macrophylla demuestran que hay mayor cantidad en C. odorata y hay variación en cuanto a su distribución por componente (Cuadro 3), lo cual se puede explicar a partir de que los árboles de las dos especies no coincidieron en su acomodo en las categorías diamétricas, los de C. odorata, en su mayoría, pertenecieron a las clases de 10 a 15 y de 15 a 20 cm, mientras que en S. macrophylla las de 5 a 10 y de 10 a 15 cm estuvieron mejor representadas, aun cuando ambas plantaciones tienen la misma edad (Cuadro 2).

Las diferencias fueron más evidentes en el fuste, lo cual se refleja, de manera interespecífica en el contenido de carbono, tanto total como a nivel del fuste (Cuadro 3), ya que para C. odorata el carbono total promedio en madera por árbol fue de 14.4 kg (10.8 kg en el fuste) y para S. macrophylla fue de 11.0 kg (5.3 kg en el fuste), esto puede relacionarse con la tasa de crecimiento de cada especie, que en S. macrophylla es menor que en C. odorata y es muy probable que en una proyección a largo plazo, esas mismas características se mantuvieran al final del turno de aprovechamiento de ambos taxa.

Conclusiones

La cantidad de biomasa aérea y de carbono varió en función de la clasificación diamétrica y de la especie, las principales diferencias interespecíficas se observaron en el fuste.

Se observó una elevada correlación entre el diámetro normal y la biomasa, lo cual permitió obtener modelos alométricos con alta confiabilidad para estimar la biomasa aérea; tanto S. macrophylla como C. odorata se ajustaron mejor a un modelo de tipo polinomial.

Existe una ventaja comparativa de C. odorata sobre S. macrophylla en los primeros 12 años de desarrollo, en cuanto a crecimiento, producción de biomasa y captura de carbono.

La metodología utilizada permite un alto nivel de detalle a un costo relativamente bajo, más aún si se aprovecha el derribo de árboles planificado en las actividades de aclareo y poda en plantaciones comerciales, tales características hacen del método una buena alternativa para la estimación de biomasa y carbono en plantaciones forestales de especies tropicales.

El tipo de información que se generó puede ser útil para evaluar y cuantificar parte importante de los beneficios adicionales que se generan en las plantaciones forestales, especialmente por el pago de servicios ambientales.

Referencias

Alder, D. 1980. Estimación del volumen forestal y predicción del rendimiento con referencia especial a los trópicos. Vol.2 Predicción del rendimiento. Commonwealth Forestry Institute. ONU. Roma, Italia. 209 p.         [ Links ]

Benavidez S., J. de D., G. Benavidez U. y A. Rueda S. 2009. Evaluación del crecimiento en altura y diámetro de una plantación experimental en seis especies tropicales en La Huerta, Jalisco. Campo Experimental Centro Altos de Jalisco. CIRPAC-INIFAP. Tepatitlán de Morelos, Jal., México. Folleto Técnico Núm. 2. 61 p.         [ Links ]

Brown, S. 1997. Estimating biomass and biomass change of tropical forest: a primer. In: Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Forestry paper 134. Rome, Italy. 55 p.         [ Links ]

Callo C., D. A. 2001. Cuantificación de carbono secuestrado por algunos sistemas agroforestales y testigos en tres pisos ecológicos de la amazonia del Perú. Tesis de Maestría en Ciencias. Universidad Autónoma de Chapingo. Chapingo, Edo. de Méx. México. 72 p.         [ Links ]

García, E. 1973. Modificaciones al sistema de clasificación climática de Köppen. Segunda edición. Instituto de Geografía, UNAM. México, D.F., México. 146 p.         [ Links ]

Gayoso, J., J. Guerra y D. Alarcón. 2002. Contenido de carbono y funciones de biomasa en especies nativas y exóticas. Universidad Austral de Chile. Valdivia, Chile. 53 p.         [ Links ]

Gujarati, D. N. 1999. Econometry. Mc. Graw-Hill Book Company. New York, NY, USA. pp. 120-131.         [ Links ]

Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC). 2007. Cambio climático 2007: Informe de Síntesis. In: Pachauri, R. K. y A. Reisinger A. (eds.). Contribución de los Grupos de Trabajo I, II y III al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. IPCC, Ginebra, Suiza.104 p.         [ Links ]

Jo, H. y E. Mc Pherson. 1995. Carbon storage and flux in urban residential Greenspace. Journal of Environmental Management. 45: 109-133.         [ Links ]

Masera, R. 2001. Carbon sequestration dynamics in forestry projects: The CO2FIX V.2 Model approach. Simposio Internacional Medición y Monitoreo de la Captura de Carbono en Ecosistemas Forestales. 18 al 20 de octubre del 2001. Valdivia, Chile. 13 p.         [ Links ]

Microsoft Office. 2007. Excel Ver. 2007. Redmond, WA, USA. s/p.         [ Links ]

Parde, J. 1980. Forest Biomass. Forestry Products Abstract. Review article. Commonwealth Forestry Bureau. 3(8): 165-184.         [ Links ]

Prado, J., P. Infante, M. Arriaga y S. Aguirre. 1987. Funciones de biomasa para seis especies arbustivas de la zona árida de Chile. Ciencia e Investigación Forestal 1(2): 11-20.         [ Links ]

Schlegel B., J. Gayoso y J. Guerra. 2000. Manual de procedimientos: muestreos de biomasa forestal. Universidad Austral de Chile. Valdivia, Chile. 26 p.         [ Links ]