Estimated decoupling of Agave cupreata populations to their suitable habitat due to climate change

Cuauhtemoc Sáenz-Romero¹*; Alejandro Martínez-Palacios¹; Juan M. Gómez-Sierra¹; Nidia Pérez-Nasser²; Nahum M. Sánchez-Vargas¹

¹ Instituto de Investigaciones Agropecuarias y Forestales, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. km 9.5, Carretera Morelia-Zinapécuaro. C. P. 58880. Tarímbaro, Michoacán. Correo-e: csaenzromero@gmail.com (*Autor para correspondencia).

² Centro de Investigaciones en Ecosistemas, Universidad Nacional Autónoma de México. Antigua carretera a Pátzcuaro, núm. 8701, Col. Ex-Hacienda de San Miguel de la Huerta. C. P. 58190. Morelia, Michoacán.

RESUMEN

Los individuos maduros de Agave cupreata son cosechados para producir mezcal, una bebida alcohólica artesanal. El objetivo de este trabajo fue estimar el desfasamiento potencial del hábitat apropiado, debido al cambio climático, entre las poblaciones y el clima al cual están adaptados. Para ello, se estimó el clima contemporáneo (promedio 1961-1990) y futuro (año 2030) de 12 localidades donde se distribuyen las poblaciones naturales. Las estimaciones se hicieron utilizando un modelo climático "spline", basado en resultados del modelo de circulación global canadiense, escenario de emisiones intermedio A1B. La estimación de la temperatura promedio de las 12 procedencias para el clima contemporáneo fue 19.1 °C y la estimación de la precipitación fue 961 mm. La predicción para el año 2030 fue 20.5 °C y 833 mm, con un incremento de temperatura de 1.4 °C y un decremento de precipitación de 13.3 %. Los resultados indican que el clima propicio para A. cupreata ocurrirá entre 175 y 225 m de altitud mayor que las localidades en donde actualmente se encuentran las poblaciones. Por tanto, se sugiere establecer plantaciones de conservación ex situ y comerciales bajo las condiciones mencionadas, como una medida de manejo de migración asistida para adaptarse al cambio climático predicho.

Palabras Clave: Agavaceae, calentamiento global, colonización asistida, desfasamiento entre genotipos y ambiente, migración asistida.

ABSTRACT

Mature individuals of Agave cupreata are harvested to produce an artisan distilled alcoholic beverage (mescal). The objective of this study was to estimate the potential decoupling of suitable habitat due to climatic change, between the populations and the climate for which they are adapted. Therefore, the contemporary (average 1961-1990) and future (decade centered in the year 2030) climate for 12 localities was estimated, where natural populations are distributed, using a spline climate model, based on outputs from the Canadian General Circulation Model and intermediate emission scenario A1B. Average temperature estimates of the 12 provenances for contemporary climate was 19.1 °C and precipitation estimates was 961 mm. Predicted for year 2030 was 20.5 °C and 833 mm, with a temperature increment of 1.4 °C and a precipitation decrease of 13.3 %. Results indicate that suitable climate for A. cupreata will occur at 175 to 225 m of higher elevations than the locations were populations are presently. Therefore, It is suggested to establish ex situ conservation and commercial plantations under the conditions mentioned above, as assisted migration management measure for adaptation to the predicted climatic change.

Keywords: Agavaceae, global warming, assisted colonization, decoupling between genotype and environment, assisted migration.

INTRODUCCIÓN

Agave cupreata, una planta de la familia Agavaceae, es endémica del suroccidente de México, en los estados de Guerrero y Michoacán. La especie se distribuye en las laderas de la Depresión del Balsas entre 1,220 y 1,850 m, en la transición entre el bosque tropical seco a los encinares y en bosques de pino-encino (Gentry, 1982; Martin, Peters, Palmer, & Illsley, 2011). Los individuos maduros de las poblaciones naturales son cosechados justo antes de la floración para producir el mezcal, un destilado artesanal local similar al tequila mexicano (Colunga-García Marín & Zizumbo-Villareal, 2007; Zizumbo-Villareal & Colunga-García Marín, 2007). La cosecha impide la reproducción de la planta, ya que A. cupreata es semél-para (se reproducen una sola vez en su ciclo de vida) y no se reproduce vegetativamente. El efecto de la cosecha en la demografía de las poblaciones se agrava porque las plantas necesitan entre siete y 15 años para alcanzar su madurez sexual (Illsley et al., 2007).

Se ha estimado que para el año 2090, el cambio climático ocasionará en México un aumento de 3.7 °C en la temperatura media anual y una disminución de 18.2 % en la precipitación anual, respecto a los valores promedio registrados durante el periodo 1961-1990. Estas estimaciones fueron obtenidas promediando los resultados de la combinación de tres Modelos de Circulación General (Centro Canadiense, Centro Hadley y el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos) y varios escenarios de emisiones (A2, A1B, B1 y B2), ajustándolos mediante un modelo climático de interpolación polinomial "spline" (Sáenz-Romero et al., 2010). Sin embargo, otras estimaciones para el año 2090 predicen un aumento de temperatura de 5 °C (modelo Hadley, escenario A2) y una disminución de la precipitación de 28.5 % (modelo Canadiense, escenario A2). La combinación de temperaturas altas y precipitaciones bajas provocarán un aumento general de la aridez en las regiones semiáridas de México, incluyendo la Depresión del Balsas. Para considerar posibles medidas de adaptación al cambio climático son necesarias tanto una estimación del clima contemporáneo, representado por variables climáticas clave como la temperatura promedio, precipitación y los grados día, como la predicción del clima en las localidades donde actualmente crece A. cupreata (Ledig, Rehfeldt, Sáenz-Romero, & Flores-López, 2010; Rehfeldt, Crookston, Sáenz-Romero, & Campbell, 2012).

Los objetivos del presente estudio fueron estimar las variables climáticas relevantes en las poblaciones naturales actuales de A. cupreata bajo un escenario contemporáneo y de cambio climático a futuro y proponer un lineamiento preliminar de migración asistida para adaptar dichas poblaciones al cambio climático.

MATERIALES Y MÉTODOS

Poblaciones de estudio

En el área de distribución de A. cupreata se registraron latitud, longitud, altitud, pendiente y vegetación asociada. Los registros se hicieron en las localidades de 12 poblaciones naturales; ocho de Michoacán y cuatro de Guerrero (Cuadro 1). Los grupos de plantas individuales fueron considerados como poblaciones, mientras que la ubicación donde una población crece se le llamó procedencia o localidad. En las poblaciones se estimó también la diversidad genética (Martínez-Palacios, Gómez-Sierra, Sáenz-Romero, Pérez-Nasser, & Sánchez-Vargas, 2011).

Estimación del clima

En las 12 procedencias de A. cupreata se estimaron la temperatura (T) promedio mensual y anual, la precipitación (P) mensual y anual, los grados día anua les > 5 °C (GD5) y se calculó un índice de aridez anual  para el clima contemporáneo (promedio del periodo de 1961-1990) mediante un modelo climático de interpolación polinomial "spline" (Sáenz-Romero et al., 2010). Las estimaciones se obtuvieron interrogando superficies climáticas "spline" previamente desarrolladas -extensión de una regresión multiva-riada, donde el modelo de regresión paramétrico es reemplazado por una función no paramétrica (Rehfeldt, 2006; Sáenz-Romero et al., 2010), mediante la ejecución del programa ANUSPLINE (Hutchinson, 2004). En este programa, las coordenadas y altitudes de las procedencias se insertan utilizando la interfaz de un sitio de internet diseñado ex profeso (Crookstone, 2012). Los valores altos del índice de aridez anual indican un clima caliente y seco (más grados día y menos precipitación, clima más árido) y valores pequeños indican sitios fríos y húmedos (menos árido). Las mismas variables climáticas promedio también se obtuvieron para un escenario de cambio climático futuro en el año 2030. Para ello se usó un modelo climático "spline" ajustado a partir de salidas del Modelo de Circulación General (MCG) del Centro Canadiense de Análisis y Modelos del Clima, escenario de emisión "intermedio" A1B, en el mismo sitio de internet (Crookstone, 2012). El escenario de emisión A predice elevadas emisiones de gases de efecto invernadero, el escenario B predice bajas emisiones, mientras que el escenario A1B para el MCG Canadiense es intermedio con un valor pronosticado de temperatura cercano al promedio de varias combinaciones de escenarios de emisión del MCG (Sáenz-Romero et al., 2010).

Las estimaciones de la migración asistida hacia altitudes mayores, necesaria para acoplar las poblaciones presentes al clima que probablemente ocurrirá en el futuro, se hicieron mediante la comparación del clima contemporáneo en las localidades donde se encuentran las poblaciones naturales. Las estimaciones se hicieron en términos de las altitudes a las cuales se prevé que ocurran (año 2030) las temperaturas medias anuales y los valores de aridez anual adecuados para la especie estudiada (Sáenz-Romero et al., 2010). Utilizamos el año 2030 como periodo de predicción, ya que no tendría caso llevar a cabo la migración asistida para que coincida con los climas pronosticados en el 2060 o 2090, pues las localidades con tal clima son demasiado fríos en la actualidad y probablemente las heladas causarían daños a las plántulas sembradas (Sáenz-Romero et al., 2010). Las comparaciones se hicieron después de ajustar modelos de regresión lineal y cuadrática de los valores climáticos estimados para cada población contra la altitud de cada procedencia, utilizando el procedimiento REG de SAS (Statistical Analysis System [SAS], 2004).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Estimación del clima contemporáneo y en 2030

El promedio de la temperatura media anual para el clima contemporáneo de las 12 procedencias fue 19.1 °C (Cuadro 2), y la prevista para el año 2030 fue 20.5 °C (Figura 1), lo cual representa un incremento de 1.4 °C, valor muy cercano al esperado de 1.5 °C de aumento de la temperatura promedio en México (Sáenz-Romero et al., 2010). El promedio de precipitación anual para el clima contemporáneo de las 12 procedencias fue 961 mm (Cuadro 2) y el previsto para el año 2030 fue 833 mm. Esto significa una disminución de 13.3 % con relación a la precipitación contemporánea, representando una reducción considerable en comparación con el 8.9 % pronosticado para México (Sáenz-Romero et al., 2010). Nuestros resultados de las procedencias localizadas en la Depresión del Balsas de Michoacán y Guerrero son congruentes con la predicción general acerca de una disminución de la precipitación de los territorios continentales de México. Dicha disminución surge aparentemente como resultado del aumento de temperatura y disminución de la humedad de las masas de aire (Christensen et al., 2007).

Desfasamiento entre genotipos y el hábitat adecuado

La regresión de los valores de la temperatura media anual para el clima contemporáneo y del año 2030, contra la altitud de cada procedencia (Figura 1), revela una disociación entre genotipos y el ambiente para el cual están adaptados. El desfase entre la altitud, en la cual ocurre un determinado valor promedio de la temperatura media anual contemporánea, y la elevación en la cual ese mismo valor de temperatura ocurrirá probablemente en el año 2030, es de casi 175 m. Por lo tanto, para realinear estas poblaciones a la temperatura promedio para la cual están adaptadas, en el año 2030 sería necesaria una migración asistida hacia altitudes 175 m mayores, incremento de elevación que deberá redondearse a 200 m para simplificar el manejo (véase la flecha en la Figura 1). La migración asistida requiere el colectar semillas de una determinada población, producir plántulas en un vivero a partir de esas semillas y trasplantar esas plántulas en el campo a elevaciones entre 175 y 200 m mayores a las de las poblaciones de origen. Estas plantaciones podrán ser destinadas tanto a la conservación de la diversidad genética ex situ como a la producción comercial (Martínez-Palacios et al., 2011).

Si no se aplica la migración asistida es probable que, debido al incremento de la temperatura y disminución de la precipitación predichos, las poblaciones sufrirían un incremento gradual de estrés hídrico más allá del límite de tolerancia de su plasticidad fenotípica; en particular, aquéllas distribuidas en el límite inferior de la distribución altitudinal de la especie, entre 1,300 y 1,500 m de elevación. La declinación de poblaciones de árboles forestales a lo largo de su límite altitudinal inferior ha sido documentado para Pinus edulis en el suroeste de EUA (Breshears et al., 2005), Popolus tremuloides en las Montañas Rocallosas, EUA (Rehfeldt, Ferguson, & Crookston, 2009), Cedrus atlántica en las montañas del Moyen Atlas, Marruecos (Mátyás, 2010) y Fagus sylvatica en el suroeste de Hungría (Mátyás et al., 2010) y el noreste de España (Peñuelas, Oyaga, Boada, & Jump, 2007). Si las poblaciones naturales de A. cupreata decayeran debido al cambio climático, los productores locales de mezcal tendrían que elegir entre los siguientes: a) reemplazar las poblaciones en decadencia por genotipos realineados adecuadamente o, b) cambiar el uso de suelo por otro cultivo más resistente al estrés hídrico que A. cupreata (lo que sería difícil de lograr) o por el pastoreo.

En este trabajo se asume que el clima apropiado para A. cupreata puede representarse adecuadamente mediante la temperatura media anual, la precipitación total anual y el índice de aridez anual. No obstante, es una limitación de nuestro análisis, ya que pudieran ser importantes otras variables, tales como, la temperatura media del mes más caliente como en el caso de Abies religiosa (Sáenz-Romero, Rehfeldt, Duval, & Lindig-Cisneros, 2012), o el diferencial de temperatura verano-invierno (la diferencia entre las temperaturas del mes más cálido y del más frío) para Picea chihuahuana (Ledig et al., 2010). Para determinar el conjunto de variables más determinantes de la distribución de A. cupreata, deberá construirse un modelo bioclimático específico para esta especie mediante datos de presencia-ausencia, y un análisis con el algoritmo Random Forests como el que fue hecho en los trabajos de A. religiosa y P. chihuahuana.

CONCLUSIONES

El promedio de la temperatura media anual estimada para el clima contemporáneo de las 12 procedencias fue 19.1 °C, y para el año 2030 (MCG canadiense, escenario de emisiones intermedia A1B) fue 20.5 °C. El promedio de precipitación anual estimado para el climacontemporáneo fue 961 mm y el predicho para el año 2030 fue 833 mm. Estas predicciones representan un incremento de la temperatura promedio, debido al cambio climático, de 1.4 °C y una disminución promedio de la precipitación de 13.3 % en comparación con el clima contemporáneo.

Para hacer el realineamiento de las poblaciones de A. cupreata al clima al cual están adaptadas y que se presentará en localidades distintas de las actuales, es necesario realizar una migración asistida desplazando las poblaciones a elevaciones entre 175 y 225 m más altas para hacerlas coincidir con el clima proyectado para el año 2030.

Agradecemos al Fondo CONACYT-SEP (2004-P47777-Z) al Consejo de la Investigación Científica de la UMSNH (5.6) del COECYT-Michoacán (CB0702122-8) y a la Fundación Produce Michoacán (COFUPRO-001673 y 001852) por el financiamiento otorgado para la realización de este trabajo. También agradecemos el financiamiento brindado por los Fondos Mixtos CONACYT y el Gobierno del estado de Michoacán (FOMIX-2009-127128).

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