Estimación de biomasa y carbono en dos especies de bosque mesófilo de montaña*

Biomass and carbon assessment in two tree species in a cloudy forest

Miguel Acosta Mireles¹, Fernando Carrillo Anzures^1§ y Raúl Gilberto Gómez Villegas²

¹ Campo Experimental Valle de México. INIFAP. Carretera Los Reyes-Texcoco, km 13.5. Coatlinchán, Texcoco, Estado de México. C. P. 56250. Tel. 01 595 9212681. (acostamm@colpos.mx). ^§Autor para correspondencia: fernando.carrillo877@gmail.com.

* Recibido: octubre de 2010
Aceptado: julio de 2011

Resumen

La generación de ecuaciones alométricas es importante para determinar la biomasa y el carbono en las especies arbóreas. Esta información es útil en los estudios de cambio climático. En el presente estudio se generaron ecuaciones alométricas para dos especies de importancia ecológica en el bosque mesófilo de montaña: Clethra mexicana DC y Alnus arguta (Schltdl) Spach. Las ecuaciones que se determinaron son de la forma Y= bX^k; donde: Y= contenido de biomasa o de carbono (kg); y X= diámetro normal (DN) en centímetros. Para estimar los valores b y k del modelo para cada especie, se realizó un muestreo de quince árboles de Clethra mexicana y 22 de Alnus arguta. En Clethra mexicana el mayor porcentaje de biomasa 45.2 % se encontró en el fuste incluido el tocón, mientras que en las ramas y el follaje estaba 36.3% y 18.6%, respectivamente. Con la biomasa y el DN de los árboles se determinaron los parámetros b y k del modelo propuesto (B= 0.4632 DN^1.8168, R²= 0.946). Para Alnus arguta el mayor porcentaje de biomasa (60.6%), se encontró en el fuste incluido el tocón, mientras que en las ramas y el follaje presentó 27.4 y 12%, respectivamente. Al igual que el caso anterior con la biomasa y el DN, se obtuvieron los parámetros b y k del modelo propuesto (B= 0.1649 DN^2.2755, R²= 0.968). Después de analizar el contenido de carbono en las muestra de cada especie, se ajustaron las ecuaciones para Clethra mexicana C= 22.49DN^1.8168, con R²= 0.946, mientras que para Alnus arguta C= 0.0809DN^2.2782 con R²= 0.968.

Palabras clave: Alnus arguta (Schltdl) Spach, Clethra mexicana DC, almacén de carbono, ecuaciones alométricas.

Abstract

Key words: Alnus arguta (Schltdl) Spach, Clethra mexicana DC, carbon store, allometric equations.

INTRODUCCIÓN

Uno de los temas que preocupa a la humanidad en la actualidad es el deterioro del ambiente, específicamente la contaminación atmosférica. Esta 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; IPCC, 2007). Uno de los mayores desequilibrios ecológicos que la tierra experimenta actualmente es el llamado cambio climático global, debido a la contaminación por el aumento constante de los gases que causan el llamado efecto invernadero (GEI), 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 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 sequías, presencia de nuevas enfermedades, pestes, etc.

Debido 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 1997 cuando se tomaron medidas más específicas 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. Uno de los componentes emanado del protocolo, ante el fracaso de las reducciones voluntarias acordadas por las naciones, se pretende realizar el denominado mecanismo de desarrollo limpio (MDL), en uno de cuyos apartados se hace mención a la captura del carbono atmosférico por tiempo prolongado (secuestro) o transformación del carbono potencialmente liberable como medida de mitigación.

La captura es la 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 esta 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). Desgraciadamente la propuesta no ha rendido los resultados esperados, ya que el número de proyectos aprobados es mínimo en el ámbito forestal y la resistencia de los países desarrollados a pagar por lo que contaminan.

Las condiciones geográficas y climáticas de México, favorecen que exista una gran diversidad de tipos de vegetación, que incluye a los bosques templados, selvas altas y medianas, vegetación de zonas áridas y una parte de bosque mesófilo de montaña, también conocido como bosque de niebla, el cual a pesar de ser reducido en su extensión territorial (1%), mantiene una enorme riqueza con respecto a su diversidad biológica por unidad de superficie (Rzedowski, 1996), siendo de esta manera uno de los ecosistemas más complejos respecto a su origen, composición y fisonomía.

El estado de Hidalgo alberga una considerable porción del bosque mesófilo de montaña que tiene México, ocupando el tercer lugar en cuanto a extensión de este tipo de vegetación, después de Chiapas y Oaxaca (Ortega y Castillo, 1996). Debido a la gran masa forestal que posee esta vegetación, 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 se acumula el carbono en la vegetación, en sus diferentes componentes y estratos, principalmente en el fuste, ramas, hojas y raíces, constituyendo con esto un almacén de carbono de gran importancia. Su apropiado manejo puede asegurar que el carbono almacenado perdure por muchos años, sin embargo al MDL sólo le interesa el carbono incremental; es decir, el que se pudiese almacenar como consecuencia de nuevas tecnologías de manejo o la incorporación de áreas que no tienen este tipo de vegetación a la producción forestal.

Para medir el carbono por medio de modelaje, es necesario contar con funciones matemáticas que se denominan ecuaciones alométricas; es decir, relaciones que son frecuentes y relativamente constantes entre las partes que constituyen a un individuo vivo (Huxley, 1932). Las relaciones alométricas han sido utilizadas en varias especies forestales de clima templado frío, para determinar tanto la biomasa como el carbono. Entre estas especies se puede mencionar: Pinus patula Schl. et Cham. (Díaz et al., 2007), Abies religiosa (H.B.K.) Schl. et Cham. (Avendaño, 2006), Alnus jorullensis H. B. K. ssp. jorullensis (Juárez, 2008), Pinus montezumae Lamb. (Bonilla, 2009). Mediante estas ecuaciones se estima la biomasa y con este valor, el carbono aéreo total.

Un ejemplo de estimación de la biomasa es a partir de mediciones del diámetro normal; tal es el caso de Clethra hartwegii, Rapanea myricoides, Alnus glabrata, Liquidambar microphylla, Inga sp. y Quercus peduncularis, del bosque mesófilo de montaña en Oaxaca (Acosta et al., 2002; Acosta, 2003); también se han generado relaciones alométricas para otros ecosistemas como la selva baja caducifolia empleando variaciones de este procedimiento (Gómez, 2008). Lo ideal sería contar con una ecuación alométrica para cada especie o por lo menos generar ecuaciones por grupos de especies que tengan características similares, lo cual también constituye una alternativa viable (Acosta, 2003).

El objetivo del estudio fue determinar mediante el uso de ecuaciones alométricas la cantidad de biomasa y carbono en árboles de Clethra mexicana DC. y Alnus arguta (Schltdl) Spach, especies de gran importancia ecológica del bosque mesófilo de montaña.

MATERIALES Y MÉTODOS

La investigación se llevó a cabo en la parte noreste de Hidalgo, en la Región Sierra-Huasteca, ubicada en la Sierra Madre Oriental, donde se localiza la mayor proporción y en mejores condiciones el bosque mesófilo de montaña del estado. La selección y corta de los árboles se realizó en el ejido La Mojonera, municipio de Zacualtipán de Ángeles Hidalgo, que se localiza entre las coordenadas 20° 39' 41'' de latitud norte y 98° 39' 17'' de longitud oeste. En este lugar se encuentra una zona representativa de bosque mesóflo de montaña, de igual manera se pueden observar áreas de gran magnitud de pino-encino. El bosque de este ejido se encuentra bajo manejo silvícola y aprovechamiento forestal, donde los principales productos de comercialización son la madera del Pinus patula y la obtención de leña de encino (Figura 1).

Generación de ecuaciones alométricas

Para ajustar los modelos alométricos que se emplean en la estimación de la biomasa de cada especie significativa del bosque mesófilo, fue necesario realizar un muestreo destructivo. Se seleccionaron individuos que abarcaran un rango amplio de diámetro para cada especie.

El trabajo se realizó en 2008, periodo en el cual se obtuvieron los permisos necesarios por parte de la Secretaría de 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.

Para realizar la medición, derribo, pesado y obtención de submuestras, se siguió la metodología utilizada por Acosta et al. (2002). Se midieron y cortaron 22 árboles de Alnus arguta y 15 de Clethra mexicana, especies de gran abundancia en el bosque mesófilo de montaña, que no presentaran deformidades ni enfermedades, asimismo los árboles seleccionados para el estudio ya estaban marcados para su aprovechamiento.

A cada árbol seleccionado se midió el diámetro normal antes de ser derribado. En el caso de la especie Clethra mexicana por lo general su ramificación comienza desde los 2 m de altura y su copa es de forma irregular, el rango de esta especie en cuanto a diámetro varió desde 10 hasta 25 cm. Para el caso de la especie Alnus arguta se encontraron ejemplares que variaron desde 10 hasta más de 40 cm de diámetro normal.

Con el fin de determinar la relación peso seco entre 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 en siete posiciones del tallo principal. Las primeras tres rodajas (P₁ a P₃) se obtuvieron del fuste limpio; P₁ a 0.3 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 2). 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 cuando el árbol fue derribado, con la finalidad de que no se alterarán los resultados por pérdida de humedad. Para obtener el peso fresco de cada parte se utilizó una báscula de 200 kg y una estructura metálica. 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 sí obtener la biomasa por secciones (fuste, ramas y hojas). Para llevar a cabo el pesado de las hojas estas se depositaron sobre una lona, para facilitar la obtención adecuada de su peso total.

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 a temperatura ambiente en 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 residual que tenía al estar en contacto con la humedad del ambiente.

De esta manera se garantizó la obtención exacta de la biomasa por árbol. Ya que la relación peso seco entre 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 rama y de las hojas de cada sección de la copa, a partir de la relación peso seco entre 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 estimación de la biomasa por componente se obtuvo de la relación peso seco entre peso fresco. En este caso, del peso seco de cada componente se obtiene un porcentaje que representa esta relación y tal porcentaje se multiplica por el peso fresco del componente dejado en campo; después se suman los pesos de cada componente del árbol para así obtener la biomasa por árbol y especie.

Selección de modelos alométricos

Después de obtener la biomasa y el diámetro a la altura del pecho (DAP) de los distintos árboles, se seleccionó un modelo potencial que mide las relaciones alométricas y es uno de los más usados (Ter-Mikaelian y Korzukhin, 1997; Acosta et al., 2002; Gómez, 2008).

Donde: Y= biomasa aérea o carbono (kg); X= diámetro (cm) a la altura del pecho (DAP); 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).

RESULTADOS

Estimación de biomasa y carbono

Los 15 árboles que se muestrearon para Clethra mexicana presentaron un diámetro normal (DN) que varió desde 5.3 a 23.3 cm, siendo los diámetros mayores más comunes de la especie en la región donde se realizó el estudio. Con respecto a Alnus arguta se encontraron árboles más grandes que variaron desde 6.2 a 45 cm. Estos resultados se muestran en los Cuadros 1 y 2 para ambas especies, Clethra mexicana tuvo en promedio 61.1% de humedad (Cuadro 1) y Alnus arguta 52.58% (Cuadro 2).

En el Cuadro 3 se presenta el resumen de los porcentajes en biomasa que representa cada componente de la especie Clethra mexicana. El porcentaje de cada componente varió dependiendo del diámetro normal. La mayor cantidad de biomasa se encontró en el fuste, que presentó 45.15% en promedio. El segundo componente con mayor cantidad de biomasa fue en las ramas con 36.24% del total. El resto de la biomasa del árbol está representada por las hojas con 18.61%.

Para Alnus arguta el componente con mayor cantidad de biomasa fue también el fuste con 60.63% de la biomasa total, siendo este valor mayor en comparación a la especie de Clethra mexicana; el segundo componente con mayor cantidad de biomasa fueron las ramas con 27.36% y las hojas solamente representaron 12.1% de la biomasa total (Cuadro 4).

Con la información de biomasa, se procedió a ajustar el modelo representado por la ecuación 1 para cada especie y obtener sus parámetros b y k. El modelo resultante y curva respectiva para Clethra mexicana se muestra en la Figura 3, en la cual se obtuvo un coeficiente de determinación con una R²= 0.946; por lo tanto el modelo para medir la biomasa en esta especie es: B= 0.4632DN^1.8168.

En el modelo anterior, B representa la cantidad de biomasa en kg y DN es el diámetro en cm, medido a la altura de 1.3 m.

En la Figura 4 se muestra tanto la ecuación como la distribución de observaciones y la curva generada para Algnus arguta. De acuerdo a la muestra obtenida y al modelo usado, el coeficiente de determinación fue R²= 0.9677. Por lo tanto, se considera que el número de observaciones utilizadas es suficiente, para obtener una estimación adecuada de la biomasa por individuo en esta especie, en función del tamaño de diámetro. En consecuencia, el modelo para medir la biomasa en esta especie es: B= 0.1649DN^2.2755, donde B representa la cantidad de biomasa en kg y DN es el diámetro en cm, medido a la altura de 1.3 m.

Los factores más sobresalientes para determinar si un modelo es adecuado o no, desde un punto de vista matemático son: que el número de las observaciones y la distribución de tamaños de las muestras del modelo utilizado sea el adecuado de acuerdo a la tendencia de las muestras y que el valor del coeficiente de determinación cuyo valor varia de 0 a 1 (0≤ R²≤1) sea lo más cercano a 1.

Carbono

De los 15 árboles de Clethra mexicana 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 determinó el porcentaje de carbono. De los 22 árboles de Alnus arguta seleccionados para 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 5. 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 g. Tales porciones de muestras se astillaron, molieron y mezclaron por separado, posteriormente se determinó el contenido de carbono a cada una en el Laboratorio de Fertilidad de Suelos y Química Ambiental del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas, Campus Montecillo, empleando para ello un analizador de carbono TOC-Vcsn Shimadzu 5050 SSM.

Para determinar el contenido de carbono de los árboles seleccionados, primero se obtuvo el promedio de los porcentajes del contenido de carbono obtenido de las submuestras y posteriormente se ligó el porcentaje de carbono de cada componente del árbol, a la información de biomasa de estos (fuste, ramas y follaje) obtenida previamente. Con este factor promedio se determinó el contenido de carbono en la biomasa de cada componente mediante la utilización de la siguiente expresión:

C= BTA * FC

El contenido del carbono de la biomasa total del árbol fue la suma del carbono del fuste, ramas y follaje de cada árbol y para la determinación de la ecuación alométrica para estimar el carbono, se empleó el modelo alométrico correlacionando el contenido de carbono y el diámetro normal de cada árbol.

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 de la Ecuación 1. En la Figura 6 se muestran los resultados del ajuste del modelo para Clethra mexicana, en donde se puede ver que el modelo ajustado fue: C= 0.2249DN^1.8168, con un coeficiente de determinación R²= 0.9463. 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" (1.8168), es el mismo que el obtenido para ajustar el modelo de la biomasa. El valor que sí cambia es el valor de la interceptada, en este caso es 0.2249.

En el caso de Alnus arguta se siguió el mismo procedimiento. En la Figura 7 se muestran los resultados del ajuste del modelo para Alnus arguta. El modelo ajustado fue: C= 0.0809DN^2.2782, con un coeficiente de determinación R²= 0.968, 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" (2.2782), 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 sí cambia es la interceptada, en este caso es 0.0809. Este 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 0.94, 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 Clethra mexicana y Alnus arguta.

En árboles de Clethra mexicana la mayor parte de la biomasa se ubica en el fuste (45.15%), mientras que en ramas se concentra 36.24% en follaje 18.6%: Para Alnus arguta el fuste 60.6%, mientras que en ramas se concentra 27.4% y en follaje 12%.

Los modelos para estimar biomasa en Alnus arguta (B= 0.1649 DN^2.2755) y Clethra mexicana (B= 0.4632 DN^1.8168), se ajustaron con valores altos del coeficiente de determinación R²= 0.9677 y R²= 0.9463 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 arguta (C= 0.0809DN^2.2782) y Clethra mexicana (C= 0.2249DN^1.8168), que también se ajustaron con valores altos del coeficiente de determinación R²= 0.968 y R²= 0.946 respectivamente.

LITERATURA CITADA

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