Intercepción de lluvia por matorral inerme espinoso en Atotonilco el Grande, Hidalgo*
Rainfall interception by thorn scrub forest in Atotonilco el Grande, Hidalgo
Eulogio Flores Ayala1, Francisco Becerra Luna2§, Enrique Buendía Rodríguez1, Fernando Carrillo Anzures1, Gerardo H. Terrazas Gonzáles3, Tomás Pineda Ojeda1 y Miguel Acosta Mireles1
1Campo Experimental Valle de México- INIFAP. Carretera Los Reyes-Texcoco, Coatlinchán, Texcoco, km 13.5. Estado de México. C. P. 56250. Tel. (595)92 127 38. (flores.eulogio@inifap.gob.mx; buendia.enrique@inifap.gob.mx, flores.eulogio@inifap.gob.mx; carrillo.fernando@inifap.gob.mx; pineda.tomas@inifap.gob.mx; acosta.miguel@inifap.gob.mx)
]]> 2Sitio Experimental Hidalgo- INIFAP. Carretera Pachuca-Ciudad Sahagún, km 13.5. C. P. 42186. Tel. (771)713 6387. Autor para correspondencia: becerra.francisco@inifap.gob.mx.
* Recibido: julio de 2012
Aceptado: febrero de 2013
Resumen
La intercepción de lluvia, es el proceso por el cual el agua de lluvia, modifica su trayectoria al ser interceptada por el dosel de los árboles, ejerciendo de esta manera, una marcada influencia en el patrón de la lluvia que alcanza a llegar al piso forestal. Una vez interceptada, el agua es retenida por las hojas y ramas de los árboles, incluso por plantas epifitas, pudiendo a partir de este momento, continuar su trayectoria, por una o más de estas tres vías: evaporarse, gotear desde la copa, o fluir por las ramas hasta la base del fuste (García, 2006). Los estudios de intercepción constituyen una de las formas que permiten identificar cómo es que las condiciones actuales en la cobertura arbórea, o las modificaciones a esta condición estructural, afectan el balance hidrológico de un área arbolada, ya sea por la aplicación de técnicas silvícolas o por perturbaciones naturales. Para el caso de México, esta área de investigación ha sido poco explorada en particular en el ámbito de la ecología. El objetivo del presente trabajo es cuantificar la intercepción de lluvia y su variabilidad, medida bajo dosel en rodales cuya vegetación dominante es Acacia farnesiana y Juniperus flaccida. En una zona forestal del municipio de Atotonilco el Grande, Hidalgo, se estableció un módulo de investigación de 0.64 ha, en donde se colocaron 60 pluviómetros bajo el dosel de un bosque representativo de la zona, conformado por distintas especies y grados de cobertura de copa y con una topografía irregular. El estudio abarcó todo el periodo de lluvia del año 2007. Como resultado, se determinó una intercepción promedio 18.6%, encontrando una gran variabilidad, tanto entre como dentro de los eventos de lluvia. Se reporta una relación estadística de tipo logarítmico entre el porcentaje de intercepción y la cantidad de precipitación total por evento. No se encontró una relación estadística entre la intercepción con los desniveles del terreno. Se concluye sobre la necesidad de ampliar los análisis para evaluar la contribución de variables del sitio y de la vegetación.
Palabras clave: Acacia farnesiana (L.) Willd, Eysenhardtia polystachya (Ortega) Sarg., Juniperus flaccida Schltdl. var. Flaccida, dosel, escurrimiento fustal, intercepción de lluvia, lluvia interfoliar,.
Abstract
]]> Interception of rain is the process by which rainwater modifies its trajectory to be intercepted by the canopy, thereby exerting a marked influence on the pattern of the rain that makes it to the forest floor. Once intercepted, the water is retained by the leaves and branches of trees, including epiphytes, making from now, its trajectory by one or more of these three ways: evaporation, dripping from the top, or flow through the branches to the base of the stem (García, 2006). Interception studies are one of the ways that identify how the current conditions in tree cover, or changes to this structural condition, affect the water balance of a wooded area, either by the application of silvicultural techniques or natural disturbances. In the case of Mexico, this research area has been moderately explored in particular in the field of ecology. The objective of this study is to quantify the interception of rain and its variability, measured under canopy in stands whose dominant vegetation is Acacia farnesiana and Juniperus flaccida. In a forest area of the municipality of Atotonilco el Grande, Hidalgo; it was established a research module of 0.64 ha, where 60 rain gauges were placed under the canopy of a forest area representative, formed by different species and degrees of canopy cover and an irregular topography. The study covered the entire rainy season of 2007. As a result, it was determined an average interception of 18.6%, finding a great variability, both between and within rain events. Is reported a statistical relationship between the logarithmic type between interception percentage and total amount of precipitation by event. We found no statistical relationship between the interceptions with the irregular topography. We conclude on the need to extend the analysis to assess the contribution of site variables and vegetation.Key words: Acacia farnesiana (L.) Willd, Eysenhardtia polystachya (Ortega) Sarg., Juniperus flaccida Schltdl. var. Flaccida, canopy, stemflow, interception of rain, throughfall.
Introducción
La hidrología en ecosistemas forestales está conformada por complejos procesos en los que interactúan factores bióticos y abióticos. Aun cuando la intercepción de la lluvia no es el principal factor contabilizado en las estimaciones hidrológicas (Webb et al., 2005), sí constituye una de las formas que permiten identificar como las modificaciones en la cobertura arbórea afectan el balance hidrológico de un área arbolada (Dunne y Leopold, 1978; Burgos y Maass, 1999).
Aún cuando los bosques no tienen influencia preponderante en la precipitación (Webb et al., 2005), su participación no se puede considerar como insignificante, en particular cuando se contabiliza la cantidad y la distribución de la lluvia que llega al piso forestal; ésta es una de las razones principales por la que diversos estudios de ecología forestal, se hayan enfocado en la generación de relaciones entre la composición y variabilidad espacial de la estructura de los bosques con la intercepción de la lluvia (Nadkarni y Sumera, 2004). En el proceso de intercepción, la vegetación forestal participa en la distribución espacial de la lluvia que golpea a dicha vegetación en distintos estratos y que llega al piso forestal presentando patrones de temporalidad (Loescher et al., 2002; Cameron, 2007), constituye un proceso de gran complejidad, debida a los elementos estructurales del bosque y a su interacción con el ambiente (Sinoquet y Le Roux, 2000). Las copas del arbolado regulan el recorrido que sigue la lluvia antes de llegar al piso forestal, modificando la trayectoria de la caída de las gotas de lluvia, dividiéndola en: lluvia directa, lluvia interfoliar y lluvia de escurrimiento fustal. De hecho, las copas evitan que la lluvia llegue como tal al piso forestal, dado que es interceptada y retenida en hojas, ramas, fuste (Chappell et al., 2001; Germer et al., 2006) e inclusive por plantas epifitas, y que son las causantes de que considerables cantidades de agua sean retenidas por la vegetación forestal (Hölscher et al., 2004; Pypker et al., 2006; Pypker et al., 2006b; Guevara-Escobar et al., 2011).
La manera en que la literatura reportó la forma de determinar las relaciones involucradas en este complejo proceso, se fundamenta en una comparación de la lluvia medida bajo el dosel de copas, y de la lluvia medida en espacios abiertos o sin vegetación (Dunne y Leopold, 1978; Xiao, 2000; García, 2006). Por otra parte, las comparaciones que comúnmente se realizan involucran diversos periodos de tiempo: años, meses, estaciones del año o por evento, como lo recomiendan varios autores, entre ellos Kittredge (1948) y condiciones de coberturas, estructuras muy variables y especies, razón por la que, aun considerando sólo unos pocos factores, convierte a este tipo de estudios en procedimientos excesivamente complejos.
Un aspecto que se considera de gran importancia, es que en algunos estudios se presentan resultados en los que se da énfasis a la distribución espacial de la lluvia dentro del bosque, destacando su función en la hidrología de la comunidad forestal estudiada (Návar et al., 1999a; Viramontes et al., 2003) reconociendo el papel de la arquitectura de la vegetación (Xiao, 2000), la densidad (García, 2006), la distribución del arbolado (Herwiz and Slye, 1995; Germer et al., 2006) o de variables meteorológicas (Toba and Ohta, 2006), en las cantidades de agua de lluvia que el dosel intercepta. Los objetivos de este documento son cuantificar las cantidades de lluvia interceptada por la vegetación de tipo matorral espinoso, realizar un análisis de su variabilidad, generar un modelo estadístico de la relación precipitación total-porcentaje de intercepción, así como explorar la participación de la variable desnivel del terreno, en las cantidades de lluvia que intercepta esta vegetación.
Metodología
]]> Características generales del área de estudioEl área de estudio se localiza en la localidad "La Estancia" ubicada en la zona forestal del municipio de Atotonilco El Grande, Hidalgo. El clima en el Municipio es semi-seco con lluvias en verano e invierno cálido. La temperatura media anual es de 15 ºC y una precipitación pluvial anual que oscila de 400 a 1000 milímetros. La vegetación está conformada por especies nativas e inducidas reportándose Quercus rugosa, Q. obtusata, Acacia farnesiana, Prosopis ssp., Buddleia cordata y Taxodiun mucronatum, entre otras. La topografía en la zona alta está conformada por lomeríos bajos y cañadas hondas en altitudes entre los 1 700 a 2 080 msnm. Los relieves y pendientes predominantes son abruptas y varían en ambas cañadas que colindan con la cabecera municipal. Los suelos son Luvisoles crómicos, Vérticos y Orticos. El municipio pertenece a la Región Hidrológica Pánuco y le corresponde la Cuenca Hidrológica Río Moctezuma, con dos subcuencas, la del Río Amajac y el Río Metztitlán, las cuales abarcan 100% de la superficie Municipal (Becerra-Luna et al., 2006).
Características del área de investigación
El área donde se estableció la investigación se encuentra en una zona cubierta de vegetación forestal, aproximadamente a 6 km al noroeste de la cabecera municipal. La parcela experimental en su parte central tiene las siguientes coordenadas geográficas 20º 17' 37'' latitud norte y 98º 42' 14'' longitud oeste y se localiza a una altitud, en la parte más baja de la parcela, de 1 920 msnm. La vegetación característica es matorral inerme espinoso compuesto por huizache, palo dulce, enebro, tepozán y nopal. La zona de estudio presenta una topografía escarpada, principalmente en la parte alta.
Toma de datos
Se realizó un inventario de la vegetación de las especies arbóreas dominantes. La toma de datos incluyó: las variables especie, diámetro normal, altura de fuste limpio, altura total y su localización por coordenadas (x, y) dentro del sitio. Se colectaron muestras botánicas de todas las especies arbóreas para su identificación en el Herbario Forestal de la División de Ciencias Forestales de la Universidad Autónoma Chapingo (UACH).
Se trazó una parcela experimental de 0.64 ha, la que se dividió en cuatro cuadrantes de 40 m x 40 m cada uno. Uno de los cuadrantes no presentó vegetación, razón por la cual se tomó como testigo (área abierta). Para medir la precipitación total, a 25 m del borde de la vegetación, se colocaron 2 colectores de lluvia en condición abierta. Al igual que la vegetación arbórea, los colectores fueron también ubicados mediante coordenadas (x, y) dentro del módulo. El área para las mediciones de intercepción de lluvia tuvo una superficie de 0.48 ha que, para mejor control de toma de información de campo, se subdividió en subcuadrantes de 10 m x 10 m. Se distribuyeron 60 colectores de lluvia de lectura directa Tru-Chek® bajo la vegetación arbórea a una altura de 0.9 m sobre el nivel del suelo, colocados en función de su accesibilidad y facilidad en la toma de datos. Las mediciones de lluvia se realizaron por evento. Estas se llevaron a cabo durante todo el año 2007.
Para la medición de las cantidades de lluvia durante el proceso de intercepción, se tomaron 46 registros que comprendieron la totalidad de eventos significativos para ese periodo en la zona de estudio. Para los objetivos de este trabajo, no se cuantificó el escurrimiento fustal o cortical. Dos eventos (Se-097 y Oc-207), fueron eliminados por problemas en su medición.
]]> Adicionalmente, para generar la topografía del módulo, se tomaron datos de los desniveles del terreno tomando como referencia cada vértice de los subcuadrantes, los cuales fueron la base para generar el modelo digital de desniveles (MDD). Estas mediciones se realizaron con aproximación al decímetro.
Resultados y discusión
El tipo de vegetación en la zona de trabajo, es un bosque denominado matorral inerme espinoso, en el cual predomina Acacia farnesiana (L.) Willd (Huizache), Eysenhardtia polystachya (Ortega) Sarg. (Palo dulce), Juniperus flaccida Schltdl. var. flaccida (Enebro), Buddleia cordata Kunth (Tepozán) en mínima proporción y Opuntia spp., en su mayoría de porte medio. Acacia farnesiana es la especie dominante en cuanto a número de individuos. Juniperus flaccida var. flaccida es la especie de mayor porte y área basal dentro del módulo (Cuadro 1).
Desnivel del terreno
Con el fin de generar información acerca de la topografía del terreno, se tomaron 39 desniveles dentro de la parcela experimental. Todas las medidas se tomaron en los vértices de los subcuadrantes. Del punto de menor al de mayor altura, se encontró un desnivel de 40.57 m. Ésta información se utilizó para analizar la contribución de la variable desnivel de la parcela en la cantidad de lluvia interceptada.
Cantidad y distribución de la precipitación
En la zona de estudio se presentó una precipitación acumulada anual de 866.7 mm (866.7 L/m2), con una media mensual de 72.2 mm (72.2 L/m2), siendo ésta una cantidad mayor a la precipitación promedio, respecto de años anteriores.
]]> El periodo de lluvia, de manera significativa, inició en la segunda mitad el mes de junio con una cantidad máxima de precipitación en los meses de agosto-septiembre. El 76.3% de los eventos de precipitación medidos durante todo el año fueron iguales o menores a 10 mm de lluvia (Figura 1).
Intercepción de lluvia
El procedimiento consistió en medir 46 eventos de lluvia durante en 2007. Dos mediciones se eliminaron por errores en la toma de datos. El periodo de estudio comprendió del 17 de junio al 03 de diciembre. El procedimiento para medir la cantidad de lluvia interceptada fue considerando la diferencia entre la precipitación total medida en condiciones abiertas y el promedio general obtenido del volumen del agua de los 60 colectores, colectada bajo la vegetación por cada evento de lluvia (Xiao, 2000). Para efectos del trabajo, se le denominó lluvia interfoliar. El resultado anterior, indicó los valores de intercepción para cada evento, mismo que sirvió de base para medir la cantidad total de intercepción, que fue el promedio del total de los 44 eventos considerados. Estos valores se reportan como porcentaje.
La asociación vegetal forestal estudiada, interceptó en promedio 18.6% de la cantidad de lluvia en el periodo de lluvias evaluado. En términos prácticos, este resultado indica que en un evento de lluvia de 10 mm, 1.86 mm de lluvia se pierden, y la diferencia pasa formar parte del proceso de infiltración y escorrentía.
Al realizar un análisis por eventos, se observó una variación importante del volumen de intercepción durante el periodo de lluvias en el año, dentro y entre eventos (Figura 2).
Medición de la variabilidad de las medidas de intercepción
Dada la variabilidad observada en las distintas mediciones de datos de lluvia interfoliar, se consideró importante agrupar esta información para que permitiera tener una visión general de estos eventos. Analizando la gráfica que relaciona cantidad de lluvia (mm) medida para 44 eventos de lluvia (Y) para cada uno de los 60 pluviómetros (X), un análisis visual sugiere que hay al menos tres categorías. Como se observa en la Figura 2, cada línea representa un evento de lluvia medido en cada uno de los 60 pluviómetros y su variación en cuanto a la cantidad de lluvia medida bajo dosel (lluvia interfoliar), dentro del módulo.
]]> El anterior análisis agrupó a los eventos de la siguiente manera:Variabilidad estadística de las mediciones
Para describir estadísticamente la variabilidad de los eventos de lluvia, se identificaron aquellos que tuvieron influencia en la captación de agua, para ello se determinaron los promedios, desviaciones estándar y coeficientes de variación de la precipitación interfoliar de cada evento a través de la cantidad de lluvia capturada por los 60 pluviómetros. El resumen de los datos por evento se presenta en el Cuadro 2.
Utilizando las estadísticas que se muestran en el Cuadro 2, se realizó un análisis de conglomerados jerárquico usando el método de encadenamiento simple, el cual consiste en medir a través de una distancia euclidiana la similaridad entre observaciones (eventos). Así, puede establecerse que mientras más cercanas sean las observaciones, éstas serán más similares, ya que se pueden establecer como observaciones en un sólo grupo. El resultado (gráfica de similaridad o dendrograma) se muestra en la Figura 3.
Los resultados, tomando como variable a la cantidad de precipitación bajo dosel para 44 eventos de lluvia, indican la existencia de cinco grupos, los cuales están caracterizados por la cantidad de lluvia bajo dosel. Para esto se utilizó el procedimiento Proc Cluster de SAS® el cual realiza análisis de similaridad jerárquico. Esto es, para dos vectores de observaciones, digamos x y y de dimensión k, la distancia euclidiana entre ellos está dada por:
Los 44 eventos de lluvia, separados en los cinco grupos, de acuerdo con el análisis de conglomerados se presentan en el Cuadro 3.
Se estimaron las varianzas (S2) y coeficientes de variación (CV), de cada evento encontrándose valores máximos de 246.627 y mínimos de 0.012 y de 54.41 y 1.41 respectivamente, indicando una posible participación, en el proceso de intercepción de lluvia por el arbolado, de otras variables tanto del sitio como de la vegetación. Algunos estudios indican que esta variabilidad puede estar asociada con la temporalidad de la lluvia o bien con los cambios en la fenología de la vegetación (Link et al., 2004.)
]]>Generación del modelo de regresión
De acuerdo con la dispersión de puntos de la relación precipitación total contra porcentaje de intercepción, y con el fin de correlacionar estadísticamente estas cantidades de intercepción, se realizó una regresión no lineal de tipo logarítmica de acuerdo con el modelo:
Y = a LnX + b
Donde: Y= intercepción de lluvia bajo dosel, medida en porcentaje; X= precipitación total (en abierto), medida en mm; a, b = coeficientes de regresión;
Se utilizó el procedimiento PROC GLM de SAS®. El modelo obtenido fue el siguiente:
y = -5.8603 Ln X + 29.529
La salida de datos del modelo se presenta en el Cuadro 4.
En el Cuadro 4 se muestran los resultados del análisis de varianza del modelo. Se nota la significancia de la cantidad de lluvia en el porcentaje de captación; sin embargo, sólo se explica 40.7% de la variabilidad del fenómeno. Esto sugiere que existen otras variables que podrían ayudar a explicar el proceso de intercepción de lluvia.
En la Figura 4, se muestra la gráfica del comportamiento del modelo de regresión obtenido.
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Contribución de la variable desnivel, en la cantidad de lluvia interceptada
Un análisis estadístico posterior consistió en determinar la relación entre los valores de intercepción, expresada en porcentaje, y el desnivel del terreno de la parcela, tomando éste como una variable relacionada con la exposición. Dado que no se tiene la medida exacta de desnivel de cada pluviómetro, se tomó como éste el valor que en distancia tendría la distancia más cercana (Figura 5).
El procedimiento consistió en estimar el coeficiente de correlación entre el desnivel y el porcentaje de intercepción (estimada con el modelo de regresión) y el coeficiente de correlación entre desnivel y precipitación. Se utilizó como estadístico de prueba:
Donde: r= coeficiente de correlación estimado; y n= número de pluviómetros instalados (60).
El estadístico de prueba tiene una distribución asintótica t student con (n - 2) grados de libertad.
]]> El resultado indicó que esta variable no contribuye de manera significativa en el proceso de intercepción.Esto se basa en los valores de la correlación entre el porcentaje de intercepción y el desnivel, analizado para cada evento.
En el Cuadro 5 se presenta el análisis de correlaciones de cada evento, tanto con la precipitación como con la intercepción (estimada con el modelo ajustado). Es claro que salvo en contadas excepciones, usando α= 0.1, el desnivel es una variable que poco influye sobre la captación de lluvia por la vegetación.
Conclusiones
La metodología utilizada permitió medir, de manera confiable la cantidad de lluvia total anual que se registra en la zona de estudio y permitió realizar las mediciones sobre las cantidades que intercepta el tipo de vegetación forestal presente. Adicionalmente, aportó información sobre la variabilidad que se presenta en los 44 distintos eventos medidos durante el año 2007, proporcionando un sustento a la necesidad de conocer con mayor profundidad acerca de las variables que participan de manera importante en el proceso de intercepción.
El análisis estadístico generado de la relación, precipitación total versus porcentaje de intercepción que correlaciona estas cantidades, generó un modelo regresión de tipo logarítmico, cuyo ajuste estadístico (R2) sugiere que existan variables no consideradas en este trabajo que ayudarán a explicar mayormente el proceso de intercepción. Éste patrón de comportamiento es consistente con otros estudios (Llorens et al. 1997; Xiao et al. 2000).
El dosel de este tipo de bosque tiene una importancia no solo hidrológica; influye de forma importante en las cantidades y distribución del agua de lluvia que llega al suelo forestal, en su infiltración, escorrentía y, al tener la capacidad de retenerla, cumple una función ecológica mayor, por lo que se requiere visualizarla de una manera más amplia y profundizar sobre las relaciones existentes, como pueden ser las variables del sitio. La variable desnivel del terreno, no tuvo participación en explicar las cantidades de intercepción por este tipo de vegetación forestal.
Literatura citada
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