Reconstrucción de los niveles del lago de Chapala con series dendrocronológicas Taxodium mucronatum Ten.

Reconstruction of the levels of Chapala lake by dendrochronological series of Taxodium mucronatum Ten.

José Villanueva Díaz¹, Julián Cerano Paredes¹, Juan de Dios Benavides², David W. Stahle³, Juan Estrada Ávalos¹, Vicenta Constante García¹ y Miriam Tostado Plascencia¹

¹ Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Suelo, Agua Atmósfera, INIFAP. Correo-e:villanueva.jose@inifap.gob.mx

³ Instituto de Geografía, Departamento de Geociencias, Universidad de Arkansas.

Fecha de recepción: 22 de diciembre de 2010;
Fecha de aceptación: 22 de octubre de 2012

RESUMEN

La cuenca hidrológica Lerma-Chapala-Santiago que drena hacia el Lago de Chapala ha sido intensamente impactada por las actividades humanas, lo cual ha alterado el ciclo hidrológico y afectado la recuperación anual del mismo. Para determinar la fluctuación histórica de sus volúmenes se desarrolló una red de nueve cronologías de poblaciones de Taxodium mucronatum distribuidas en bosques de galería de dicha cuenca. Las series de tiempo se analizaron mediante Componentes Principales y ello derivó en una cronología regional de 547 años (1462-2008). La asociación entre los índices dendrocronológicos y los datos del restablecimiento de los niveles del lago del año previo fue significativo, por lo que se creó un modelo de regresión para su reconstrucción. Los valores reconstruidos mostraron una alta variabilidad interanual y multianual que se asocia con sucesos extremos de El Niño-Oscilación del Sur. No obstante, el cambio de uso del suelo y el aprovechamiento indiscriminado del agua para diversos fines, en las últimas décadas, han enmascarado su efecto. Sequías de alta intensidad se detectaron en los períodos 1508-1560, 1581-1608, 1685-1725, 1770-1840, 1916-1924 y 1988-2000. De igual manera, algunas etapas húmedas notables ocurrieron en 1561-1578, 1610-1616, 1760-1769, 1842-1850, 1863-1893 y 1926-1963. De 1960 a la fecha, la recuperación anual del lago disminuyó a causa de la influencia humana. El entendimiento de las oscilaciones históricas en la profundidad del lago permitirá fundamentar acciones para un mejor uso del agua y la conservación de los ecosistemas rivereños que dependen de los recursos hídricos generados en la cuenca Lerma-Chapala-Santiago para su supervivencia.

Palabras clave: Dendrocronología, ENSO, Lago de Chapala, nivel del lago, Taxodium mucronatum Ten., sequía.

The Lerma-Chapala-Santiago-Santiago basin draining toward the Chapala Lake has been strongly impacted by humans by altering the hydrological cycle and affecting the annual recovery of the lake. To determine historical behavior of the lake levels, a network of cypress (Taxodium mucronatum) chronologies was developed from trees thriving along the main tributaries of the lake. The tree-ring series were analyzed by Principal Component Analysis and a regional ring-width chronology with a length of 547 years (1462-2008) was developed with those series having a common climatic signal. A correlation analysis between the regional chronology and lake levels with a lag of one year was significantly associated and a regression model was developed for reconstruction purposes. The reconstructed levels showed high inter-annual and multiannual variability and were associated with intensive El Niño Southern Oscillation events, although in the last decades aggressive land-use changes may have masked the influence of this phenomena. Low levels of the lake were associated to intensive droughts reconstructed for the periods 1508-1560, 1581-1608, 1685-1725, 1770-1840, 1916-1924, and 1988-2000. On the other hand, wet episodes took place in the periods 1561-1578, 1610-1616, 1760-1769, 1842-1850, 1863-1893, and 1926-1963. From 1960 to date the annual variability of the lake has decreased due to increased human pressure on available water resources. The historical understanding of the historic fluctuations lake levels will promote actions toward a better use of water resources and for conservation of riparian ecosystems depending on the water yielded in the Lerma-Chapala-Santiago basin.

Key words: Dendrochronology, ENSO, Chapala lake, lake levels, Taxodium mucronatum Ten., drought.

INTRODUCCIÓN

Los recursos hídricos son cada vez más limitados en países que, como México, poseen un alto porcentaje de superficie semiárida y en donde varios asentamientos humanos explotan aguas fósiles. Esta situación puede agravarse debido al calentamiento global, por lo que gran parte de los modelos del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático sugieren un incremento en la aridez (Seager et al., 2009).

El Lago de Chapala (LC), catalogado como el tercero más grande en Latinoamérica por su magnitud,1,116 km², (CONAGUA, 2008), está inmerso en la cuenca Lerma-Chapala-Santiago, la cual es una de las regiones hidrológicas con graves problemas de agua, mismos que se derivan, en particular, de la alta concentración poblacional que habita en su área de recarga, cuyos desechos urbanos, industriales y agropecuarios terminan en su vaso de almacenamiento. Ello, aunado a la erosión y aporte de nutrientes al lago, favorece el desarrollo de especies acuáticas invasoras, que incrementan la pérdida del líquido por evapotranspiración.

A pesar de que las actividades humanas han alterado los volúmenes captados en el lago, esta fluctuación también es parte de la variabilidad hidroclimática natural, a su vez influenciada por patrones de circulación general (Stahle et al., 2011). Registros históricos de los niveles del lago en el período 1900-2009 (CEA, 2010) indican que los valores máximos se presentaron en 1926 y los mínimos en 1955 y 2002.

El conocimiento de la variabilidad histórica, más allá de los registros instrumentales, puede aportar información relacionada con la fluctuación hidroclimática de la cuenca Lerma-Chapala-Santiago y de su impacto sobre los niveles del lago. Es posible derivarlo de fuentes indirectas como los anillos de árboles, los cuales generan información de alta resolución (Wiles et al., 2009). Así, los objetivos del presente estudio consistieron en utilizar series dendrocronológicas de Taxodium mucronatum Ten. (sabino o ahuehuete) presentes en afluentes que drenan hacia el LC, para determinar las fluctuaciones históricas en su nivel y analizar la influencia de patrones atmosféricos circulatorios y de cambios de uso del suelo en los volúmenes hídricos que alcanza el lago.

Área de estudio

El Lago de Chapala se localiza en el occidente de México, entre los paralelos 20° 07' y 20° 21' latitud norte y los meridianos 102° 40' 45" y 103° 25' 30" longitud oeste, a una altitud de 1,524 m (CONAGUA, 2008). El LC posee una superficie de 1,112 km², y una profundidad media de 4 a 6 m, con máximos de 9 m. El volumen más alto consignado ha sido de 8,148 x 106 m³, aunque ha descendido hasta 1,576 x 106 m³ en periodos muy críticos (CEA Jalisco, 2010).

Este lago es parte de una cuenca mayor conocida como Lerma-Chapala-Santiago, donde habita 15.6% de la población mexicana, y se distribuye en los estados de Guanajuato, Estado de México, Jalisco, Michoacán y Querétaro. El clima se clasifica como semi-seco, con una temperatura media anual de 19.9 °C, temperatura máxima de 27 a 30 °C y mínima de 9 a 12 °C. El régimen de lluvias es de verano con una precipitación total anual de 875 mm (INE, 2003).

En los últimos 50 años, la cuenca Lerma-Chapala-Santiago se ha transformado a consecuencia de las políticas de desarrollo nacional, que fomentaron la formación de distritos de riego mediante la construcción de 552 presas y la creación de un eje industrial, el cual vincula a las poblaciones a lo largo del río Lerma.

Niveles del lago

Para definir las variaciones interanuales durante 1910 en los volúmenes del LC se determinó una cota altitudinal arbitraria de 100.00 a 1,526.8 m; sin embargo, en 1981 la Secretaría de Recursos Hidráulicos estableció una nueva cota de 97.80 msnm (1,526 msnm), que corresponde a una profundidad media de 8 m y a un almacenamiento máximo de 7, 897 x 106 m³. De 1900 a la fecha, el almacenamiento máximo registrado fue de 9,663 x 106 m³ (cota 99.33 msnm) en septiembre de 1926, y el mínimo, en junio de 1955, con 954 x 106 m3 (cota 90.80 msnm) (CEA Jalisco, 2010).

Muestreo dendrocronológico

A partir de árboles seleccionados con aspecto longevo se obtuvieron incrementos con un taladro de 666+Pressler de 35 a 75 cm de longitud y 5.1 mm de diámetro interno. Las muestras se procesaron mediante métodos dendrocronológicos estándar (Stokes y Smiley, 1968), y cada crecimiento individual se midió con un sistema de medición VELMEX (Robinson y Evans, 1980). El cofechado, la calidad de la respuesta climática y la exactitud de la medición de cada anillo se verificaron con el programa COFECHA (Holmes, 1983; Grissino-Mayer, 2001). Las tendencias biológicas y geométricas no relacionadas con el clima se removieron con el programa ARSTAN (Cook, 1987).

Para desarrollar una serie dendrocronológica representativa de la variabilidad hidroclimática regional de la cuenca, se corrió un análisis de Componentes Principales. Los valores anuales de cota máxima y mínima, de volumen máximo y mínimo y de la diferencia entre los volúmenes máximo y mínimo registrados de 1900 a 2009 (Figura 2) se compararon contra la serie regional de los índices de anillo total de crecimiento.

La asociación entre los registros indicados y la serie de crecimiento se cuantificó para varios subperíodos. Esta relación se determinó de manera directa, sin transformación de las variables, pero con las necesarias para normalizarlas, como aquellas de tipo logarítmico, raíz cuadrada, x², inversa (1/x), entre otras (Brito et al., 2003). El período de comparación que resultó estadísticamente significativo se dividió en dos subperíodos para las pruebas de calibración y verificación del modelo de reconstrucción (Fritts, 1976).

La reconstrucción se desarrolló para la longitud total de la cronología; no obstante, se enfatizó el lapso en el cual el tamaño de muestra garantizara que la señal climática reconstruida tuviera confiabilidad estadística. Al período reconstruido se le aplicó una curva decenal flexible, a fin de resaltar sucesos de baja frecuencia como los períodos secos y húmedos, y la determinación de tendencias climáticas históricas.

El comportamiento de los eventos de alta (interanual) y baja frecuencia (multianual) se relacionó con la influencia de patrones atmosféricos circulatorios, al correlacionar los datos reconstruidos con índices de El Niño Oscilación del Sur (ENSO, por sus siglas en inglés) en sus fases cálida (El Niño) y fría (La Niña).

Como una verificación adicional para analizar el comportamiento regional del clima y su influencia en el volumen de agua captado en el LC, se utilizaron archivos históricos de la región que tuvieran alguna información de la presencia de acontecimientos hidroclimáticos extremos.

Red dendrocronológica

A partir de las colectas realizadas se generaron nueve cronologías de anillo total de ahuehuete (Cuadro 1). El comportamiento interanual de las series fue variable, y la mayor correlación para el período 1900-2008 se produjo entre las cronologías Tizapán y La Cañada (r = 0.52, n= 109, p< 0.0001), Tizapán y Atotonilco (r = 0.54, p< 0.0001), y La Cañada y Atotonilco (r = 0.4, p<0.0001).

Resultados similares se obtuvieron mediante Análisis de Componentes Principales. Con base en lo anterior, las muestras de los tres sitios se integraron para formar una cronología representativa de la cuenca Lerma-Chapala-Santiago.

El tamaño de muestra involucrado en la cronología regional se incrementó a partir de 1800 (>6) hasta llegar a 134 en la década más reciente (Figura 3).

De esta manera, para propósitos de discusión se enfatizó el período de 1800 a 2008; aunque el resto de la cronología (1462-1799) fue útil en el establecimiento de la variabilidad hidroclimática regional, la cual ha impactado los niveles del lago durante lapsos más extensos.

Asociación entre la cronología regional y las variables del lago relacionadas con el volumen captado

Se determinó el mejor período de asociación entre los índices dendrocronológicos (IAA) y los valores de recuperación anual del lago (diferencia de cota del año previo). La mejor asociación fue de 1959 a 2003 con una correlación de 0.783 (p<0.00000, n= 42). Este período se dividió en dos subperíodos para propósitos de calibración y verificación del modelo.

La calibración se realizó de 1959-1984 y explicó 62.4% de la variación anual (r= 0.79, n = 22, p<0.0001; r² = 0.624); en tanto que la verificación, de 1985-2003 (r= 0.68, n = 22, p<0.01; r² = 0.462). Dado que los dos subperíodos fueron significativos, se utilizó el periodo total de datos disponibles (1959-2003) para generar un modelo con propósitos de reconstrucción en la extensión total de la cronología (1462-2008). Los índices dendrocronológicos explicaron casi 61% de la variabilidad en los niveles anuales recuperados del lago, valor que resulta muy significativo (p<0.0000) (Cuadro 2). Asociación entre la serie dendrocronológica regional para la cuenca Lerma-Chapala-Santiago y las variables relacionadas con la disponibilidad de agua en el LC.

Dif Cota= Se refiere a la diferencia entre el valor máximo y mínimo de cota alcanzado para un año específico; Dif Vol= Es la diferencia entre el volumen máximo y mínimo de captación para un año específico; Dif Cota-1= El índice de crecimiento de anillo total (IAA) para un año determinado se compara con la diferencia de cota del año previo; Dif Vol-1= El índice de crecimiento de anillo total (IAA) para un año determinado se compara con la diferencia en el volumen alcanzado para el año previo; Área Min-1= El índice de crecimiento de anillo total (IAA) para un año determinado se compara con el área mínima de inundación del año previo; Área Max-1= El índice de crecimiento de anillo total (IAA) para un año determinado se compara con el área máxima de inundación del año previo. Los valores en negritas son significativos al menos para una probabilidad de 95% (p<0.05).

Reconstrucción de la recuperación anual del lago

Con el programa VERYFY de la Librería de Programas Dendrocronológicos de la Universidad de Arizona se efectuaron las pruebas de calibración-verificación del modelo (Cuadro 3). Ambas aprobaron la mayoría de las pruebas estadísticas, por lo que se consideraron aceptables para fines de reconstrucción. El modelo de regresión lineal creado fue el siguiente: 

Y_t = 2.488 + 4.2907X_i

Donde:

]]> Y_t= Recuperación del lago (m) en el año "t"
X_i = Índice de ancho de anillo
2.488 es la intersección al eje de las "X" y 4.2907 es la pendiente de la recta

Los valores anuales de la recuperación del lago se reconstruyeron para la longitud total de la cronología regional, que se extiende de 1462 a 2008 (Figura 4). Con el fin de resaltar los eventos de baja frecuencia presentes en la reconstrucción, a los datos reconstruidos se les insertó una línea flexible (spline) a nivel decenal.

La reconstrucción muestra varios años en los que la recuperación del nivel del lago fue cero; sin embargo, esto no indica la falta de aportación de volúmenes al mismo, sino que la diferencia entre su nivel mínimo (registrado entre el 30 de mayo y el 1 de julio de cada año) y máximo (consignado entre el 5 de septiembre y el 30 de noviembre de cada año) fue casi la misma. Esta situación sugiere escasa precipitación o de lluvia suficiente, pero con desviación de escurrimientos como ha sucedido en las últimas décadas (CEA, Jalisco, 2010).

Al analizar la reconstrucción se observaron períodos en los cuales la recuperación del lago, respecto a la media histórica (1.16 m), fue mínima o nula; tal es el caso de: 1533-1547, 1552-1556, 1584-1588, 1601-1608, 1624-1638, 1650-1660, 1674-1679, 1692-1700, 1704-1722, 1751-1759, 1783-1790, 1795-1800, 1817-1823, 1850-1853, 1894-1899 y 1919-1922. De 1922 en adelante, la reconstrucción detectó valores mínimos para años particulares como: 1965, 1979, 1982, 1988, 1989, 1991, 1994 a 1998 (excepto 1997), 2000, 2002 y 2005.

Archivos coloniales constatan algunas de estas sequías de gran magnitud que afectaron a la región. Del período 1533 a 1556 se presentó uno de los peores siniestros en el Valle de México aunado a epidemias que diezmaron notablemente la población indígena (Acuña-Soto et al., 2002), que también afectó la cuenca Lerma-Chapala-Santiago, de tal forma que en 1551 se cita gran escasez de grano en el municipio Zapotlán, Jalisco. De 1585 a 1587 se advierte una elevada mortandad de ganado en Guadalajara, Jal.; de 1602 a 1606 se verificó la presencia de plagas en cultivos que acabaron con las cosechas, y en los períodos de 1606-1637, 1649-1656 y 1751-1759 una carestía de alimentos por falta de lluvias (García et al., 2003). Uno de los intervalos con mayor información, a causa de los estragos suscitados, es el de 1784-1791, cuando el problema se extendió a todo el país (Florescano, 1980); así, la falta de maíz fue muy severa en el Valle de México, en el estado de Jalisco y gran parte de la república mexicana, en particular en 1785 y 1786 (Florescano, 1986; Therrell et al., 2006). Para el siglo XIX, se describen sequías en Jalisco durante las décadas 1810, 1840 y 1890 (Escobar, 1997), y para el siglo XX, las acaecidas en 1920, 1950-1960 y 2000 (CEA Jalisco, 2010).

Desde el punto de vista de su impacto negativo en la sociedad, los períodos húmedos se han registrado con poca frecuencia y son detectados con menor fidelidad por los árboles, ya que los sucesos más lluviosos ocurren en la estación de verano y durante el otoño, cuando su crecimiento es menor o ha cesado. Además, existen limitaciones en la capacidad de almacenamiento del suelo, pues una vez saturado el perfil, no permite una mayor captación de humedad y el agua adicional se pierde como escorrentía superficial o percolación profunda. Pese a lo anterior, en la reconstrucción se detectaron eventos húmedos en los siguientes años: 1493-1498, 1563-1564, 1612-1615, 1644-1649, 1728-1730, 1732-1734, 1761-1767, 1841-1849, 1863-1893, 1900-1910, 1926-1928, 1933-1938, 1946-1964 y 1972-1977. El período húmedo de 1493-1498 se presentó de forma simultánea en el Valle de México (Therrell et al., 2006). En relación con la etapa de 1732 a 1734, se consignan lluvias excesivas que originaron siniestros en los cultivos de Amacueca, Jal.; caso similar ocurrió en Guadalajara, Jal. para los períodos 1779-1782 y 1795-1796. Durante el siglo XX, el año con más volumen de agua captado fue el de 1926, en el cual hubo una elevada recuperación del lago.

La variabilidad reconstruida de la recuperación del LC fluctuó a través del tiempo; así, la media del período total (1462-2008) fue de 1.16 m, con una desviación estándar de 1.32. Para los últimos 50 años (1959-2008), el promedio registrado superó al reconstruido histórico (1.29 m), pero la desviación estándar cayó a 0.60; esto sugiere que la variabilidad observada en la recuperación anual del lago ha disminuido en las últimas décadas, como consecuencia de un aprovechamiento excesivo del recurso hídrico. Este déficit de agua en los tributarios del LC ha provocado una reducción en el crecimiento de las especies riparias ahí presentes, como el ahuehuete, situación que compromete su conservación.

El análisis de las fluctuaciones en los volúmenes de agua captados en el lago se determinó mediante un modelo lineal simple. La variación interanual en el volumen del LC se reconstruyó solo para el intervalo de 1800 a 2008, ya que fue el segmento de la cronología donde el número de muestras disponibles dió más confiabilidad estadística en los datos reconstruidos.

Para iniciar con el proceso de reconstrucción, se definió el mejor período de asociación entre los índices dendrocronológicos (IAA) y la diferencia entre los volúmenes del lago del año previo (Dif Vol-1), lo cual resultó de 1959 a 2000, con una correlación de 0.713 (p<0.0001).

El período total de datos de la diferencia en volumen se dividió en dos subperíodos para fines de calibración y verificación. La primera se realizó de 1981 a 2000 y explicó 52% de la variación (r= 0.72, n = 20, p<0.0001; r² = 0.52), mientras la segunda se llevó a cabo de 1959 a 1979 (r= 0.71, n = 19, p<0.0001; r² = 0.50). Las pruebas estadísticas de calibración-verificación fueron aceptables para propósitos de reconstrucción; de esta manera, el modelo generado en el total de los datos disponibles fue el siguiente:

Y_t = -2415.2 + 4183X_i

Donde:

Y_t= Diferencia en volumen contenido por el lago para el año "t"
X_i = Índice de ancho de anillo
-2415.2 es la intersección al eje de las "X" y 4183 es la pendiente de la recta.

Influencia de El Niño Oscilación del Sur

Gran parte de la variabilidad interanual y multianual del clima en México es modulada por ENSO (Ropelewski y Halpert, 1987; Magaña et al., 1999). El impacto de ese fenómeno no es similar en todo el país, pues en algunas regiones del norte y noreste su influencia es más significativa (Stahle et al., 1998; Cerano et al., 2009; Yocom et al., 2010), particularmente durante la fase cálida, en la que provoca lluvias abundantes durante la época invernal y en ciclos que fluctúan de cuatro hasta 32 años (Díaz et al., 2002; Villanueva et al., 2009).

La relación entre los índices ENSO no fue significativa respecto a los datos reconstruidos; sin embargo, se determinó que acontecimientos catalogados como Niños intensos cálidos, sí afectaron los niveles y volúmenes del lago, lo que permitió su recuperación. Ejemplos específicos son los años siguientes: 1844-1845, 1877-1878, 1902, 1905, 1907, 1925-1926, 1930-1931, 1957-1958, 1987, 1992 y 1997, con recuperaciones del lago que fueron superiores a 300%, en particular 1844-1845, 1877-1878, 1925-1926, 1957-58, 1992 y 1997.

Por otra parte, eventos secos con escasa o nula recuperación del lago como los ocurridos en los intervalos de 1950-1951, 1964-1965, 1973-1974, 1975-1976, 1988-1989 y 1998-1999, se relacionaron con ENSO en su fase fría.

CONCLUSIONES

En este estudio se desarrolló una red de nueve cronologías de ahuehuete, con especímenes localizados en parajes de bosques de galería en la cuenca Lerma-Chapala-Santiago. Las cronologías con una respuesta climática común (Tizapán, La Cañada, Atotonilco) se integraron en una cronología regional para reconstruir la variabilidad hidroclimática interanual y multianual, la cual ha caracterizado al LC, antes de la disponibilidad de registros instrumentales. La cronología regional se asoció de modo significativo con la recuperación de los niveles y volúmenes del lago, un año anterior al crecimiento del árbol. De esta manera, y con base en un modelo lineal, se efectuó una reconstrucción de la recuperación del lago sobre los últimos 457 años (1462-2008) y otra de volumen recuperado de los últimos 209 años (1800-2008). Dichas reconstrucciones detectaron períodos muy secos de baja recuperación del lago, en frecuencias dominantes de 20 a 25 años. La mayoría de las sequías, particularmente aquellas de alta intensidad, provocaron hambrunas, epidemias y mortandad de ganado en toda la región, sucesos que fueron consignados en archivos históricos. La sequía más documentada ocurrió entre 1785 y 1786, y afectó una extensa parte del territorio nacional.

No se encontró una influencia significativa de ENSO, excepto para eventos de alta intensidad que provocaron lluvias abundantes durante su fase cálida y sequías agudas en su fase fría.

Las reconstrucciones desarrolladas proporcionan información histórica sobre la variabilidad hidroclimática de la cuenca, así como de su influencia en la disponibilidad de los recursos hídricos del LC. Así pues, este conocimiento es de utilidad para implementar acciones encaminadas a conservarlo, ya que es icono de tranquilidad y belleza escénica de esa región de México.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue posible gracias al financiamiento otorgado a través de fondos del Instituto Interamericano para Investigación del Cambio Climático (IAI), proyecto CRN # 2047, a la vez financiado por el US/National Science Foundation (Grant GEO-0452325).

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