Línea base de carbono en bosque mixto de pino-encino de la Sierra Juárez (Oaxaca, México). Aplicación del modelo CO2FIX v.3.2
Carbon baseline in a mixed pine-oak forest in the Juarez Mountain range (Oaxaca, Mexico) using the CO2FIX v.3.2 model
Sergio Álvarez1,2*; Agustín Rubio1
1Departamento de Silvopascicultura, ETSI de Montes, Ciudad Universitaria, s/n. C. P. 28040. Madrid, España.
2Instituto de Ciencias Ambientales, Sistema de Universidades del Estado de Oaxaca. Universidad de la Sierra Juárez. Av. Universidad, s/n. C. P. 68725. Ixtlán de Juárez, Oaxaca, México. Correo-e: sergio.alvarez@upm.es (*Autor para correspondencia).
]]>Recibido: 16 de enero de 2012
Aceptado: 08 de febrero de 2013
Resumen
Las masas forestales juegan un papel fundamental en el secuestro de carbono (C). Se han desarrollado numerosos métodos y modelos para estimar los reservorios y los flujos de C presentes en los ecosistemas. En este estudio se utilizó el modelo de simulación CO2FIX v.3.2 con el fin de determinar la línea base de C en un bosque de pino-encino de la Sierra Juárez, Oaxaca, México. El primer objetivo fue comparar los resultados del modelo con los resultados obtenidos mediante muestreos directos y el uso de ecuaciones alométricas. El segundo objetivo fue identificar los elementos que conforman dicha línea base de C para una posible evaluación de un nuevo manejo forestal que incluye beneficios ambientales por secuestro de C. Tras la obtención de los datos y la comparación de resultados con los estudios previos se concluyó que el modelo CO2FIX v3.2 es capaz de determinar, de manera simple y eficaz, los reservorios y los flujos de C, así como la línea base de C. Esto proporciona a las comunidades con acceso limitado a recursos económicos una herramienta capaz de evaluar la capacidad para el secuestro de C y recibir apoyo en el marco del servicio ambiental del secuestro de C.
Palabras clave: Secuestro de carbono, estimación de biomasa, ecuaciones alométricas, reservorios.
Abstract
Forest stands play a key role in carbon (C) sequestration. Numerous methods and models have been developed to estimate the carbon reservoirs and flows present in these ecosystems. In this study, the CO2FIX v.3.2 simulation model was used to analyse the C baseline in a pine-oak forest in the Juarez Mountain Range ("Sierra Juarez"), Oaxaca, Mexico. The first aim was to compare the results of this model with results obtained by direct sampling and allometric equations. Moreover, a second objective was to identify the elements which constitute the C baseline for a possible assessment of further forestry management which includes the environmental service of C sequestration. Once the data were obtained and results compared with previous studies, it was found that the CO2FIX v3.2 model is capable of determining the C reservoirs and flows in these ecosystems simply and efficiently, thereby enabling estimation of the C baseline. This provides communities with limited economic resources access to a tool which is capable of assessing the ability to sequestrate C and receive support as part of the environmental service of C sequestration.
]]> Keywords: Carbon sequestration, biomass estimation, allometric equations, reservoirs.
Introducción
Durante los últimos años, la población mundial se ha cuadriplicado y el consumo mundial de recursos y las emisiones de desechos han llegado a un punto en que actualmente la humanidad consume a un ritmo más rápido que el tiempo que tarda la tierra en recuperarse (Haberl et al., 2007; Hoekstra, 2009; Wackernagel et al., 2002; Fondo Mundial para la Naturaleza, Red de la Huella Global, & la Sociedad Zoológica de Londres [ZSL, por sus siglas en inglés],2012). Por consiguiente, los bosques tropicales se talan más rápido de lo que se pueden regenerar (13 millones de hectáreas destruidas por año) (Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente [UNEP por sus siglas en inglés], 2007). Las emisiones de gases de efecto invernadero se están acumulando en la atmósfera, lo que provoca cambios climáticos y posibles efectos negativos en la salud de los ecosistemas (Butchart et al., 2010).
Los ecosistemas forestales almacenan más del 80 % de todas los reservorios de carbón (C) terrestres en el suelo (Jandl et al., 2006; Six et al., 2002). El intercambio anual de C entre los bosques y la atmósfera mediante la fotosíntesis y la respiración es aproximadamente de 50 Pg·año-1, es decir, siete veces la emisión de C antropogénico (Brown et al., 1996). La magnitud de este fenómeno destaca la importancia del manejo adecuado de los ecosistemas forestales como un enfoque alternativo adecuado para compensar las crecientes emisiones de CO2 antropogénico en la atmósfera. Por esta razón, es de vital importancia medir los flujos y los reservorios de C (Sheinbaum & Masera, 2000).
De acuerdo con Powlson, Whitmore, y Goulding (2011), el secuestro de C es el proceso que permite un incremento en los reservorios de C de un ecosistema con una transferencia adicional de C de la atmósfera y, por lo tanto, una contribución verdadera a la mitigación del cambio climático. Los gestores forestales han sido guiados tradicionalmente por parámetros técnicos relacionados con la producción de madera, pero ahora están siendo alentados a incorporar otros factores ambientales como la conservación de la riqueza biológica y el secuestro de C en sus criterios de manejo. Sin embargo, existe una falta de conocimiento práctico disponible con respecto a las prácticas forestales y los medios de afrontar estos nuevos retos (Rubio et al., 2010). Con respecto al secuestro de C, esta situación podría resolverse mediante el suministro de información sobre la evolución de los reservorios de C en las masas forestales, ya que los gestores forestales son capaces de modificar algunos de los factores (es decir, temperatura del suelo, humedad del suelo, claros de luz) que los afectan.
En el presente estudio, la línea base de C es el valor de los reservorios de C presentes en las masas mixtas estudiadas, suponiendo un uso de suelo tradicional en el área sujeto a ninguna intervención antrópica, conocida como "bosque no manejado". Este valor de línea base debe ser tomado como referencia para compararlo con los escenarios de manejo u otros conjuntos de condiciones ambientales, que pueden ser utilizados como escenarios alternativos. Por otra parte, el establecimiento de la línea base para un sistema ecológico es un primer paso obligatorio para cualquier proyecto que implique un aumento en el secuestro de C. Los primeros estudios que estimaron los reservorios de C en los ecosistemas forestales y el intercambio de flujos, tanto dentro como fuera de estos sistemas, se realizaron en los años 80 mediante la determinación de una serie de ecuaciones alométricas (Brown & Lugo, 1984; Seiler & Crutzen, 1980). Al ajustar estas ecuaciones mediante un muestreo directo se permite determinar la cantidad de C, que un sistema forestal es capaz de asimilar en un tiempo determinado. Sin embargo, estos modelos sólo eran aplicables a una especie en particular y una zona específica, y por lo tanto, no fueron muy representativos. Por este motivo, a finales del siglo XX se realizaron mayores esfuerzos para desarrollar y estandarizar nuevos modelos de simulación, que comparten algunas de las desventajas de las ecuaciones alométricas, pero ofrecen un mayor alcance, que podrían analizar los reservorios de C y los flujos en ecosistemas forestales más complejos. Los ejemplos de estos modelos incluyen CBM-CFS (Kurz, Apps, Webb, & McNamee, 1993), BIOME3 (Haxeltine & Prentice,1996), HYBRID 3.0 (Friend, Stevens, & Knox, 1997), 3-PG (Landsberg & Waring, 1997), FINNFOR (Kellomaki & Vaisanen, 1997), GOTILWA+ (Gracia, Tello, Sabaté, & Bellot,1999) and CO2FIX (Mohren & Klein, 1990). Sin embargo, ninguno de estos modelos de simulación fue ampliamente aceptado como un modelo estándar en los proyectos de secuestro de C en los sistemas forestales. Actualmente, numerosos trabajos siguen basándose en las ecuaciones alométricas debido al debate sobre su fiabilidad. Por ello, se requieren de estudios que comparen los resultados con aquellos obtenidos mediante el muestreo directo y las ecuaciones alométricas, para evaluar las mejoras y validar los nuevos modelos de simulación del ciclo de C. El modelo CO2FIX v3.2 (Masera et al., 2003; Schelhaas et al., 2004) simula reservorios y flujos de C en los bosques bien drenados, puros y mixtos de todo el mundo. Las ventajas más significativas incluyen el hecho de que se requiere una serie de parámetros simples relacionados con el clima (temperaturas medias mensuales y precipitación en la época de crecimiento), el suelo (entradas anuales de C , tipo de residuos orgánicos), el crecimiento de la biomasa (incremento corriente anual, las tasas de rotación y el crecimiento de las ramas, follaje y raíces relacionado con el crecimiento del fuste) y el manejo forestal (plan de cortas, gestión de la mortalidad, clasificación de la biomasa extraída de acuerdo a su destino). Estos principales parámetros son generalmente fáciles de obtener y el modelo puede incluso ser utilizado a falta de algunos de dichos parámetros mediante opciones por defecto.
En México se han realizado diversos estudios basados en el modelo CO2FIX (Cairns, Barker, Shea, & Haggerty, 1995; De Jong et al., 1995; De Jong, Masera, Olguin, & Martínez, 2007), aunque ninguno de ellos se ha aplicado a las características particulares, ya sea climáticas o del suelo, que predominan en la Sierra Juárez, en el norte del estado de Oaxaca. La Sierra Juárez es una de las zonas donde los bosques templados, nubosos y tropicales se encuentran en un excelente estado de conservación (Lorence & García-Mendoza, 1989). La explotación comercial de los bosques de pino-encino es la principal, y y en algunas ocasiones, la única fuente económica para las comunidades locales (Garibay-Orijel, Martínez-Ramos, & Cifuentes, 2009). Este entorno geográfico ofrece una oportunidad interesante para la comparación de las estimaciones del modelo CO2FIX con trabajos de mayor duración y dificultad basados en las ecuaciones alométricas realizadas en la Sierra Juárez (Díaz-Franco et al., 2007; Etchevers-Barra, Vargas-Hernández, Acosta-Mireles, & Velázquez-Martínez, 2002; Roncal-García, Soto-Pinto, Castellanos-Albores, Ramírez-Marcial, & De Jong, 2008). De acuerdo con Masera, Bellon, y Segura (1997), los proyectos que involucran el secuestro de C pueden ser herramientas efectivas para el empoderamiento social y político de las pequeñas comunidades en el sur de México. La aportación del conocimiento técnico para la explotación forestal sostenible puede ofrecer a las comunidades locales herramientas que les permitan incrementar el valor de sus recursos naturales, y basar su propio desarrollo en la explotación racional de su entorno. El bosque de pino-encino es el tipo de vegetación natural, que tiene la mayor importancia para la producción forestal en México, ya que 76 % de la producción de madera del país proviene de los bosques naturales de pino-encino (De Jong et al., 2007). El desarrollo de las comunidades de la Sierra Juárez depende de la explotación de este tipo de bosque; su gran biodiversidad, que pude tener hasta 55 especies de pino y 200 especies de encino (Myers, Mittermeier, Da Fonseca, & Kent, 2000), les permite predominar sobre una amplia gama de condiciones ecológicas. Las distintas especies de pino y encino se mezclan en proporciones muy variables. En el estrato superior del bosque de pino-encino, las especies con la mayor distribución y abundancia son Pinus oaxacana Mirov., P. Pseudostrobus Lind., P. patula Schiede y Deppe, y P. rudis Endl., que alcanzan alturas máximas de entre 30 y 40 m. En el estrato bajo, con alturas de hasta 20 m, se encuentran principalmente los encinos Quercus crassifolia Humb. y Bonpl., Q. rugosa Née y Q. laurina Humb. y Bonpl., que pueden estar presentes en cantidades similares a las de los pinos. En el mismo entorno se encuentran las especies latifoliadas Arbutus xalapensis Kunth., Alnus acuminata Kunth., Prunus serótina Ehrh. y Cercocarpus macrophyllus Schneid.
Este trabajo pretende cumplir dos objetivos: en primer lugar, comparar los resultados de la simulación de reservorios y flujos de C utilizando el modelo CO2FIX v3.2 en los bosques de pino-encino de la Sierra Juárez con otros resultados obtenidos mediante el muestreo directo y la aplicación de ecuaciones alométricas; y en segundo, identificar los elementos que comprenden la línea base en estos bosques para una posible evaluación de un manejo forestal posterior, que incluye el servicio ambiental de secuestro de C.
]]> Materiales y métodos
Área de estudio
Este estudio se realizó tomando las siguientes cuatro comunidades como una representación de la Sierra Juárez: La Trinidad (17º 18' N-96º 07' W), Santiago Xiacuí (17º 18' N-96º 10' W), Capulálpam de Méndez (17º 18' N-96º 27' W) y Santiago Comaltepec (17º 48' N-96º 33' W). En la Figura 1 se muestra su ubicación geográfica. El área total de las cuatro comunidades es de 24,996 ha. La altura sobre el nivel del mar oscila entre 200 y 3,250 m, aunque la mayoría del territorio se encuentra a una altitud de entre 1,000 y 2,500 m. El 88 % del área total de estudio se utiliza para la silvicultura; de esta área, el 60 % es bosque protegido (bosques no manejados), el 39 % se destina a la producción comercial, y sólo el 1 % pertenece a las áreas degradadas en restauración. La temperatura anual media es de 15.2 °C y la precipitación anual total es de 1,115.6 mm; el periodo de mayor precipitación se extiende de junio a octubre. Estos datos climáticos provienen de la estación meteorológica más cercana, que se localiza en el Rancho Texas (17º 19' N-26º 27' W; 2,230 m), a menos de 5 km del área de estudio, en el municipio de Capulálpam de Méndez. El principal tipo de suelo es acrisol húmico (Unión de Comunidades Productoras Forestales y Agropecuarias Zapoteco Chinanteca [UZACHI], 2006).
Bosque pino-encino
La especie de referencia utilizada en este estudio para el género Pinus es Pinus patula, ya que está generalizada y naturalizada dentro de la región de estudio (Castellanos-Bolaños, 2008).Por otro lado, el género Quercus no fue representado por una especie específica, debido a su mayor diversidad y a que su madera casi no tiene un valor comercial.
La edad, la densidad, la altura y el grado de la mezcla entre especies es complejo, dependiendo de la heterogeneidad ambiental. El bosque de pino-encino en la producción comercial se maneja con el fin de favorecer la regeneración natural y el crecimiento del pino. Como especie secundaria, el encino depende del programa de cortas aplicado al pino, con un periodo de rotación de 40 años. Después de la corta se recogen todas las ramas de la masa forestal y se retira el encino, con el fin de favorecer la regeneración del pino. Obviamente, ninguna de estas intervenciones se aplica para los bosques no manejados.
Modelo CO2FIX
Estas masas forestales mixtas de la Sierra Juárez proporcionan una oportunidad de comparar las estimaciones del modelo CO2FIX con resultados basados en el muestreo directo realizado en México (Díaz-Franco et al., 2007; Ordoñez, 2000; Pérez-Suárez, Arredondo-Moreno, Huber-Sannwald, & Vargas-Hernández, 2009; Rocha-Loredo & Ramírez-Suárez, 2009). Nuestro trabajo involucra esencialmente los módulos de biomasa y suelo del modelo CO2FIX, sin tomar en cuenta las posibilidades de análisis ofrecido por otros módulos (productos, bioenergía, financiamiento y contabilidad del carbón), ya que los objetivos son estudiar la línea base que el modelo establece para las condiciones especificas de suelo, forestales y climáticas del bosque de pino-encino de la Sierra Juárez. El modulo de suelo se basa en el modelo Yasso desarrollado por Liski, Palosuo, Peltoniemi, & Sievänen (2005) y evalúa la descomposición de la materia orgánica y la dinámica de C en los suelos forestales bien drenados, en la que el agua no lleva a una disminución en la velocidad de descomposición. El modelo describe el valor total de C orgánico, sin distinguir entre los diferentes horizontes. Los datos utilizados para la aplicación del modelo CO2FIX en bosques de pino-encino de la Sierra Juárez (Cuadro 1 y Cuadro 2) provienen de los estudios de muestreo directo en la sierra estudiada (UZACHI, 2006). Cuando no existe información específica disponible, el archivo de datos "Central_Mexico_Pine_Oak", que se incluye en el paquete de instalación (Schelhaas et al., 2004), se utiliza de la misma manera que por De Jong et al.(2007).
]]> Los resultados se calcularon sobre un horizonte de 200 años, lo que se considera un periodo suficiente para estudiar la evolución de la masa forestal después del balance inicial generado por la fuerte competencia entre los estratos en la colonización del terreno.
Resultados y discusión
En la Figura 2, Figura 3, Figura 4 y Figura 5 se muestran los resultados del estudio, mientras que en el Cuadro 3, Cuadro 4 y Cuadro 5 se muestra una comparación con otros estudios realizados en los bosques mexicanos similares de pino-encino basándose en el muestreo directo y en la aplicación de ecuaciones alométricas. No se ha considerado la comparación con otros estudios desarrollados fuera de México, con el fin de centrar la discusión en los objetivos de nuestro estudio.
En la Figura 2 se muestra la línea base para el bosque de pino-encino, el cual alcanza su valor máximo (236.6 Mg·ha-1) a la edad de 53 años, como resultado de la adición de C presente en el C en la biomasa viva del árbol (208.7 Mg·ha-1) y C orgánico en el suelo (27.9 Mg·ha-1). Esto significa que el actual periodo de rotación de 40 años puede ser corto en criterios de servicio ambiental. El poco C orgánico en el suelo puede deberse a que solo se consideraron las entradas del periodo de 53 años de bosque de pino-encino. En comparación con un bosque similar pero en la zona de Michoacán (Ordóñez, 2000), por una parte el C en la biomasa, ligeramente más bajo (Cuadro 3) se puede atribuir al hecho de que no se consideraron en ese estudio los árboles con un diámetro menor a 30 cm. Por otro lado, con respecto al C orgánico en el suelo, la metodología distinta aplicada por Ordoñez (2000) alcanza cantidades totales ligeramente superiores de C en el suelo. Esto se debe a que Ordoñez (2000) extendió sus cálculos para el total de C presente en los primeros 20 cm del suelo, incluyendo los horizontes orgánicos y minerales, mientras que el modelo CO2FIX estima los insumos de las hojas, ramas, tallos y raíces de los árboles, y no incluye ninguna contribución de C realizada por otros elementos de la planta o incluso de la biomasa microbiana del suelo. Así, el modelo CO2FIX proporciona porcentajes de C en el suelo más bajos (12-17 %) en relación al C total del sistema. En primer lugar, cabe mencionar que no se alcanzó ningún estado estacionario en la evolución del C en el suelo en el horizonte de tiempo considerado. En segundo lugar, las temperaturas altas y la precipitación conducen a la descomposición activa y los procesos de mineralización de la materia orgánica en el suelo. Por ello, se esperaría que este valor de C en el suelo aumentara en horizontes de temporales más largos y alcanzara los valores de C en el suelo que suelen encontrarse en estas regiones intertropicales, aproximadamente 50 % del C total del sistema (Panel intergubernamental sobre el Cambio Climático [IPCC], 2001).
Para identificar los elementos que conforman la línea base de C, el modelo CO2FIX permite analizar la dinámica de las fracciones de la biomasa para las especies de pino y encino. El carbono en biomasa de pino alcanza su máximo (Figura 3) a los 38 años (118.6 Mg·ha-1). El crecimiento inicial del encino es menos pronunciado que el del pino, pero constante hasta los 60 años (Figura 3); en ese momento su carbono en biomasa se estabiliza alrededor de 100 Mg·ha-1. Después de los 100 años, el encino comienza nuevamente un crecimiento modesto, hasta alcanzar 126 Mg·ha-1al final de tiempo de horizonte estudiado.
En la Figura 4 y Figura 5 se observa la evolución particular de las fracciones individualizadas de los tallos, ramas, raíces y hojas para cada especie, pino y encino respectivamente. Puede ser relevante para una evaluación del manejo forestal que incluye el servicio ambiental del secuestro de C; es decir, la contribución de C proveniente del follaje de encino es 1.8 veces mayor que la contribución del pino (Cuadro 4). Este follaje genera una mayor contribución de nutrientes en el suelo, como señaló Pérez-Suárez et al. (2009). Sin embargo, las distintas definiciones de los diversos elementos considerados dentro de cada fracción hacen que siempre se dificulte obtener un ajuste bueno entre las distintas fracciones. Así, el modelo CO2FIX parece subestimar los valores totales del follaje comparado con el muestreo directo realizado por Díaz-Franco et al. (2007), Pérez-Suárez et al. (2009),y Rocha-Loredo y Ramírez-Marcial (2009). Estos últimos autores pueden haber tenido dificultades al separar los braquiblastos y, por lo tanto, los incluyeron dentro de la fracción del follaje, en lugar de contarlos dentro de la fracción de las ramas. De igual manera, el porcentaje más bajo de raíces detectado por los mismos autores podría estar relacionado con el hecho de que sólo se contó el C en el tocón, utilizando la fórmula propuesta por Avery y Burkhart (1983). Sin embargo, las diferencias individuales detectadas en los valores del follaje, ramas y raíces generalmente equilibran todo, y son comparables con los resultados obtenidos con el modelo CO2FIX.
El modelo CO2FIX puede identificar las figuras de las entradas anuales de C al suelo. Los flujos totales de C en biomasa en el suelo oscilan entre 4.61 a 3.72 Mg·ha-1·year-1 (Cuadro 4). El follaje es el componente de esta biomasa que tiene la mayor importancia (33-37 %), seguido por los tallos y las raíces (20-25 %) y finalmente las ramas (16-19 %). Estos resultados son comparables con los resultados obtenidos con os muestreos directos de Pérez-Suárez et al. (2009) y Rocha-Laredo y Ramírez-Marcial (2009). Estos autores proporcionan datos provenientes de la contribución anual promedio de hojarasca (follaje, ramas, flores y frutos), debidamente transformados en contenido de C (mediante el factor 0.49 Mg·Mg-1). La mayor diferencia pude ser ocasionada por la dificultad de medición en los muestreos directos de todos los flujos de C.
En términos generales, los resultados de los estudios basados en los exhaustivos muestreos destructivos como aquellos realizados por Díaz-Franco et al. (2007) con 25 árboles de P. patula (Cuadro 5) y Ordoñez (2000) (Cuadro 3), proporcionan carbono en todas las fracciones, con excepción de C en el follaje y C en el suelo, menor que en los resultados del modelo CO2FIX. Los resultados de los estudios efectuados por Etchevers-Barra et al.,(2002) y Roncal-García et al. (2008) se mostraron en unidades de árbol. Por lo tanto, sin conocer la densidad de la masa no se puede hacer la comparación. El modelo CO2FIX genera salidas por unidad de área, generalmente más útil para la planificación forestal. Hoy en día, el principal valor del bosque de pino-encino reside en su uso como fuente de madera, pero el secuestro de C podría representar un valor adicional importante. Sin embargo, los criterios de manejo actuales sólo favorecen la optimización de la producción de madera. Desde el punto de vista del secuestro de C, los periodos de rotación más cortos para pino considerados actualmente, pueden no ser los más eficientes, aunque esto podría estar en una contradicción con los intereses económicos dominantes.
Conclusiones
Este modelo abre el camino para un nuevo tipo de manejo forestal, que está al alcance de las comunidades de países emergentes o en desarrollo, cuya situación socioeconómica no les permite llevar a cabo otros tipos de estudios como los aquí comparados. El modelo CO2FIX v3.2 es capaz de determinar, de manera sencilla y eficiente, los reservorios y flujos de C en el sistema, haciendo posible la estimación de la línea base de C y su utilización como una herramienta para integrar el servicio ambiental del secuestro de C en la planeación forestal adicional.
]]>Agradecimientos
Agradecemos a la Universidad de la Sierra Juárez y a la comunidad de Capulálpam de Méndez por su hospitalidad y uso de sus instalaciones. Este trabajo fue parcialmente financiado por el Ministerio de Educación de España con el número de referencia SUM2006-00034-CO2 y el número de proyecto AGL2010-16862/FOR y los gastos del viaje por la Universidad Politécnica de Madrid.
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