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Introducción
Los factores de expansión de biomasa y el sistema de partición de biomasa aérea son herramientas confiables para su estimación en los bosques nativos y plantaciones forestales comerciales. La biomasa aérea desempeña un papel importante en el manejo sostenible de los recursos forestales y en la cuantificación de los almacenes de dióxido de carbono (CO2) (Zhang et al., 2017); además, es una medida importante para analizar la productividad, evaluar la cantidad de nutrientes y el ciclo del CO2 (Aosaar et al., 2016).
En este contexto, los bosques nativos y plantaciones forestales comerciales juegan un papel importante en la mitigación del cambio climático, mediante el secuestro de dióxido de carbono (Zheng et al., 2015). La cantidad de biomasa contenida en un árbol está influenciada, principalmente, por el tipo de ecosistema en donde se desarrollan las especies, como, la precipitación y temperatura media anual, edad, densidad, productividad potencial del sitio y la silvicultura utilizada, lo que hace necesario generar información a nivel de taxón (Poudel y Temesgen, 2016).
La estimación de la biomasa aérea total a nivel árbol inicia con un muestreo destructivo, y es uno de los métodos más precisos que consiste en la medición directa de cada uno de los componentes: fuste, ramas y follaje, pero por su alto costo y de tiempo requerido, su aplicación se limita a una muestra pequeña (Addo y Rahmad, 2013). Sin embargo, la información derivada de este tipo de medición permite desarrollar métodos indirectos no destructivos, por ejemplo: i) las ecuaciones alométricas desarrolladas mediante regresiones lineales y no lineales, que estiman la biomasa en función del diámetro normal y la altura total (Rodríguez et al., 2012); ii) la densidad básica de la madera, que al multiplicar la densidad por el volumen estimado en árboles individuales calcula la biomasa (Ordóñez et al., 2015) y iii) factor de expansión de biomasa, que multiplica el volumen estimado en árboles individuales por un factor de conversión de m3 a kg (Magalhães y Mate, 2018).
En la actualidad gran parte de las investigaciones enfocadas a la estimación de biomasa se centran en ecuaciones con estructuras matemáticas simples; por ejemplo, las que relacionan una variable independiente, como el diámetro normal (Acosta et al., 2011; Carrillo et al., 2016); las ecuaciones complejas que permiten describir de mejor manera el patrón de distribución de la biomasa, en este grupo destacan las que relacionan dos o más variables independientes: diámetro normal, altura total, altura de fuste limpio, diámetro de copa viva y la densidad básica de la madera (Djomo y Chimi, 2017; Hernández et al., 2017).
Un método rápido, aplicable, confiable y utilizado frecuentemente para calcular valores indirectos de la biomasa a partir del volumen se basa en los factores de expansión de biomasa. La aplicación de estos es de importancia porque la mayor parte de la información del inventario forestal relacionada con el volumen se estima con facilidad en función del diámetro normal y altura total, lo que facilita convertir el volumen estimado en árboles individuales con un factor de conversión de m3 a kg (Magalhães y Mate, 2018).
Los métodos indirectos permiten estimar la biomasa de forma no destructiva para grandes áreas mediante información derivada de inventarios forestales de sitios con dimensiones fijas o variables; sin embargo, para conocer la proporción de biomasa de fuste, ramas y follaje con respecto a la biomasa aérea total es necesario generar un sistema de partición de biomasa para árboles individuales de la forma:
Donde:
El supuesto es que se garantiza la aditividad y se logra que la suma de los componentes sea igual a la biomasa aérea total (Aquino et al., 2015).
Las investigaciones descritas han permitido estimar con precisión la biomasa aérea total y por componentes, pero son pocos los estudios citados en la literatura para Pinus chiapensis (Martínez) Andresen. Los más similares son los desarrollados por Chávez-Pascual et al. (2013), quienes estimaron la biomasa aérea total mediante los factores de expansión de biomasa en rodales naturales de dicha especie en la comunidad de San Juan Tabaá de la Sierra Norte de Oaxaca.
Las estimaciones de biomasa aérea total en las plantaciones forestales comerciales de P. chiapensis es crucial para evaluar su potencial en el secuestro de CO2; además es un parámetro de interés nacional e internacional debido a su impacto en la mitigación de los efectos del cambio climático; por ello, primero se requiere de herramientas estadísticas confiables para estimar la biomasa aérea total. Por tanto, el objetivo del presente estudio fue desarrollar factores de expansión de biomasa constante y variable, así como de un sistema de partición para estimar la biomasa aérea total y por componentes en plantaciones forestales comerciales de para P. chiapensis, en Tlatlauquitepec, Puebla.
Materiales y Métodos
Área de estudio
La investigación se realizó en 87 ha plantadas de P. chiapensis, establecidas en el predio El Campanario, ubicado en la localidad de Chicuaco, municipio Tlatlauquitepec, Puebla (Figura 1). La información proviene de 35 árboles muestreados y derribados en 2014, distribuidos sistemáticamente en edades de 3 a 7 años. Estas plantaciones se localizan entre los 19°46’10.6’’ N y 97°28’34.6’’ O. Las plantas provienen de semillas de árboles selectos de la región, producidos en tres viveros forestales certificados: Mazatepec (Tlatlauquitepec), Esperanza de la Mañana (Cuetzalan) y Atoluca (Teziutlán); se colocaron en terrenos que antes se destinaban a la producción frutícola y cafetalera (Fierros et al., 2018).
La plantación (PFC) se estableció a una densidad de 1 100 árboles ha-1, en marco real con un espaciamiento de 4 m entre filas y 2.25 m entre plantas. El clima es semicálido húmedo con lluvias todo el año, con una temperatura media anual de 17 °C y precipitación media anual de 2 350 mm. Los suelos predominantes en Tlatltauquitepec son Andosol con 68 %: Acrisol con 12 %; Phaeozem con 5.5 % y Leptosol con 2 % (Inegi, 2009).
Muestreo de biomasa por componentes
Con la metodología directa se muestrearon 35 árboles de P. chiapensis de edades diferentes (3, 5, 6 y 7 años) en 2014, para lo cual se seleccionaron individuos sin daño físico y que cubrieran todas las categorías de diámetros y alturas. El derribo se realizó a 5 cm sobre el nivel del suelo; posteriormente, a cada árbol se le midieron las variables siguientes: altura total (H en m medida con cinta métrica Truper de 30 m) y el diámetro normal (D en cm medido con forcípula Haglof Mantax Blue de 50 cm).
En los individuos derribados se separaron el fuste, las ramas y el follaje, posteriormente se seccionó el fuste, la primera troza se cortó a 1.20 m de longitud y los restantes a 2.40 m hasta llegar a la punta del árbol, se registró el peso en verde (kg), con una báscula de plataforma Oken de 120 kg modelo K-1. Para la primera troza, se obtuvieron dos rodajas (inferior y superior) y para las otras solo la superior, con promedio de 5 cm de grosor, anotando el diámetro con corteza (DCC,) y el peso en verde (kg) con una báscula electrónica Torrey ® serie L-EQ-10, de 10 kg. Para el peso verde total de las ramas y follaje se tomaron muestras al azar de 1 kg y 1/2 kg de ramas y follaje, respectivamente. En laboratorio se determinó el peso seco por componentes, luego de ser secada en una estufa Sheldon modelo 1675-S, a 75 °C, hasta obtener el peso seco constante.
Estimación de biomasa por componente
La biomasa se estimó para fuste (BF), ramas (BR) y follaje (BH), con base en la metodología sugerida por Repola y Ulvcrona (2014) en función del estimador de razón (r), en la relación del peso seco (ps) y el peso verde (pv) de las muestras de los componentes. El estimador de r se utilizó para convertir el peso verde total por componentes (PVi) a biomasa. La BF, BR y BH se calculó mediante la ecuación (1):
Donde:
B i = Biomasa por componentes
PV i = Peso verde total por componentes
Factor de expansión de biomasa constante y variable
La biomasa aérea total puede estimarse mediante un factor de expansión de biomasa (FEB) constante o variable, al convertir el volumen (V en m3) a biomasa (BT en kg). Por tanto, se parte del supuesto de que el V es una función lineal directa del D2 × H, esto hace posible calcular la biomasa aérea total como una proporción directa del volumen total del fuste multiplicada por un FEB constante con la ecuación (2) (Hernández et al., 2017):
Donde:
B T = Biomasa aérea total (kg)
V = Volumen total del fuste (m3) estimado con la ecuación de volumen de tipo Schumacher y Hall (1933), generada para la misma especie estudiada y plantación por Martínez (2016)
La función V presentó un valor de coeficiente de determinación ajustado
Donde:
V = Volumen total fuste (m3)
D = Diámetro normal (cm)
H = Altura total (m)
Del razonamiento anterior, generar un FEB variable puede resultar más realista que el FEB constante, ya que este último asume, precisamente, que la proporción de biomasa se mantiene constante, lo cual no es completamente cierto, porque a edades diferentes y calidad de sitio, el FEB presenta una variación diferencial significativa en un árbol (Enes y Fonseca, 2014). El FEB variable es una forma de analizar cómo varía la biomasa en función del tamaño (D y H) del árbol, y una forma de generarlo es a partir de la relación de la ecuación (5) de biomasa aérea total generada para la misma especie estudiada y plantación por Martínez (2016), en la que la función de biomasa aérea total presentó un valor de coeficiente de determinación ajustado
Donde:
Donde:
FEB = Factor de expansión de biomasa variable
B T = Biomasa aérea total (kg)
V = Volumen total fuste (m3)
La biomasa aérea total se obtiene al multiplicar el FEB constante y variable por el V estimado para cada árbol medido en los inventarios forestales, mediante la ecuación (6) (Magalhães y Seifert, 2015):
Donde:
B T = Biomasa aérea total (kg)
FEB = Factor de expansión de biomasa
V = Volumen total fuste (m3)
Sistema de partición de distribución biomasa aérea
Si bien la estimación del FEB permite estimar la biomasa aérea total derivada de un inventario forestal (Magalhães y Seifert, 2015), aún se desconoce la distribución de la biomasa por componentes de los individuos provenientes de una plantación bajo manejo de P. chiapensis. Por lo anterior, se procedió a generar un sistema de partición de biomasa aérea mediante la expresión (7):
Donde:
BT = Biomasa aérea total
Para conocer la distribución de la biomasa en los componentes del árbol, se ajustó una función directa de la biomasa aérea total y un factor de partición
Donde:
BT = Biomasa aérea total
Del cual se deriva un sistema de ecuaciones de la forma siguiente:
Donde:
B F = Biomasa de fuste
B R = Biomasa de ramas
B H = Biomasa de follaje
B T = Biomasa aérea total
g(
Por lo tanto, la aditividad se garantiza con las restricciones lineales sobre los coeficientes de regresión, de tal manera que la suma de la biomasa de los componentes sea igual a la biomasa aérea total, mediante la ecuación (12) (Parresol, 2001):
Métodos de ajuste de los modelos
El ajuste del factor de expansión de variable y del sistema de partición de biomasa aérea fueron realizados con el método SUR (por sus siglas en inglés) o Regresiones Aparentemente No Relacionadas (SAS, 2011). El procedimiento SUR homogeneizó y optimizó el error estándar de los parámetros; con ello se obtuvo la compatibilidad completa en el sistema de partición de biomasa aérea, y se generó una varianza menor así como resultados eficientes en las predicciones (Parresol, 2001).
Resultados y Discusión
Características de los atributos forestales de P. chiapensis
El diámetro normal de los árboles muestreados se registró en un intervalo de 3.20 a 26.50 cm, altura total de 4.25 a 17.05 m y biomasa aérea total 2.46 a 220.52 kg (Cuadro 1). El fuste fue el componente con un gran aumento en la proporción de biomasa al aumentar el diámetro y altura total. La validez de los factores de expansión de biomasa y del sistema de participación de biomasa aérea se restringen a los valores mínimos y máximos de las variables dasométricas, esto implica que solo pueden aplicarse para la especie estudiada y para la misma región.
Cuadro 1 Atributos forestales de los árboles muestreados.
| Variables | N | Media | Mínimo | Máximo | D.E. |
|---|---|---|---|---|---|
| Diámetro normal (cm) | 35 | 15.20 | 3.20 | 26.50 | 6.76 |
| Altura total (m) | 35 | 11.08 | 4.25 | 17.05 | 3.79 |
| Biomasa de fuste (kg) | 35 | 59.89 | 1.10 | 157.99 | 48.27 |
| Biomasa de ramas (kg) | 35 | 18.92 | 0.48 | 47.40 | 14.53 |
| Biomasa de follaje (kg) | 35 | 8.62 | 0.72 | 20.99 | 6.23 |
| Biomasa aérea total (kg) | 35 | 87.44 | 2.46 | 220.52 | 68.62 |
| Edad (años) | 35 | 5.63 | 3.00 | 7.00 | 1.52 |
N = Número de observaciones; D.E. = Desviación estándar.
Factor de expansión de biomasa constante
Los resultados de los estadísticos de ajuste del FEB constante presentaron un valor de 97.51 % en el coeficiente de determinación ajustada (
Donde:
BT = Biomasa aérea total (kg)
V = Volumen total del fuste con corteza (m3)
El valor estimado del parámetro
En coníferas, la biomasa seca del fuste y el volumen de fuste tienen un FEB aproximadamente constante de 500 kg m3; la diferencia de este valor da una idea de la proporción de ramas y hojas. Con el enfoque del presente este estudio, Cruz (2007) estimó, en bosques manejados de Zacualtipán, Hidalgo, un valor de 623.2698 kg m3 para Pinus teocote Schltdl. & Cham; mientras que, para las latifoliadas: Liquidambar macrophylla Oerst., Quercus spp, Clethra mexicana D.C., Prunus serotina Ehrh ssp. capuli (Cav.) Mc Vaugh, Alnus jorullensis Kunth subsp lutea Furlow, Carpinus caroliniana Walter y Viburnum ciliatum Greenm., el FEB estimado fue de 905.1358 kg m3. El autor denotó una mayor proporción de biomasa de ramas respecto a la biomasa del fuste.
Algo similar cita Aquino (2014) con valores de FEB de 1 358.5 y 998.56 kg m3 para las especies tropicales Cupania dentata DC., Alchornea latifolia Sw. e Inga punctata Willd, respectivamente. En el trabajo realizado por Chávez- Pascual et al. (2013) reportaron un FEB promedio de 443.53 para P. chiapensis, en rodales naturales en la Sierra Norte de Oaxaca bajo aprovechamiento forestal. Los autores señalan que la biomasa de ramas y follaje representaron 7.5 % de la biomasa aérea total, mientras que en este estudio fue de 31 % y un FEB de 709.9016.
Sin duda, las variaciones de biomasa de ramas y follaje están más influidas por las edades jóvenes, las funciones fisiológicas y morfológicas, y las prácticas silvícolas aplicadas (control de maleza y podas) a los árboles de P. chiapensis. Estas últimas como las observadas durante el registro de datos: en edades de 3 a 7, todos los árboles estaban podados y se observaron medidas de control de vegetación, lo cual origina el desarrollo de copas amplias y bien conformadas. Fierros-Mateo et al. (2017) documentaron para la misma plantación, que los tratamientos silviculturales como podas y control de maleza aplicadas a la masa de P. chiapensis en edades tempranas (primer año de plantación) originan altas tasas de crecimiento, y, consecuentemente, un robusto desarrollo de copas que permite una mayor eficiencia fotosintética para la transformación a biomasa aérea.
Factor de expansión de biomasa variable
El FEB variable expresado por la ecuación (13) se obtuvo al sustituir los valores de los parámetros de la ecuación de biomasa aérea total y de volumen total del fuste mediante la expresión (4):
Con la ecuación (13) es posible observar como el FEB variable se modifica de acuerdo a las dimensiones de los árboles (Figura 2), lo que conduce a predicciones de biomasa más precisas (Chávez-Pacual et al., 2013), ya que reflejan de manera indirecta los cambios en la proporción de los componentes.
Figura 2 Factores de expansión de biomasa variable por categorías diamétricas y de alturas muestreadas, estimada a partir de la ecuación 15.
El FEB variable por categoría diamétrica refiere los cambios en el balance de la biomasa de fuste respecto a biomasa de ramas y follaje. A medida que aumenta el D y H la biomasa se incrementa, pero el FEB variable tiende a estabilizarse en categorías diamétricas (CD) de 20 cm de D y H de 15 m, dado que el fuste del árbol empieza a concentrar una mayor cantidad de biomasa. Posiblemente en esta etapa, el nivel de contribución de la rama a la biomasa total del árbol se estabiliza y el porcentaje de follaje continúa disminuyendo. Es probable que esto se relaciona con recursos limitados de luz bajo condiciones de dosel cerrado y como consecuencia las limitaciones para la supervivencia del follaje (Konôpka et al., 2015). Silva y Návar (2010) y Chávez-Pascual et al. (2013) indicaron la misma variación, debido a que los FEB variable son dependientes de las dimensiones del árbol, como, el D y la H.
Dicho comportamiento es similar al descrito por Chávez-Pascual et al. (2013) para rodales naturales bajo manejo de P. chiapensis en la Sierra Norte de Oaxaca, y a lo registrado por Hernández et al. (2017) para Eucalyptus urophylla S. T. Blake en plantaciones forestales comerciales de edades de 1 a 7 años en Humanguillo, Tabasco.
Enes y Fonseca (2014) registran una tendencia similar del FEB variable para rodales naturales de Pinus pinaster Ait en el Norte de Portugal. De acuerdo con Konôpka et al. (2015), el FEB variable decrece progresivamente como una contribución de los componentes de los árboles que cambia con el aumento del tamaño del árbol (D y H), en el que se observa un cambio significativo para individuos más pequeños.
Sin duda, estos cambios obedecen a la estrategia de crecimiento cambiante desde etapas tempranas (donde la intención primaria es ocupar suficiente espacio en el suelo) hasta posteriores (para competir con árboles vecinos por luz). Pajtík et al. (2008) mencionan que la cantidad de luz captada por la copa en los árboles jóvenes es de 100 % y las ramas, por lo tanto, representan más biomasa de rama, lo que explica un mayor FEB variable. Sin embargo, después de que se cierra la copa del dosel, la proporción de biomasa de ramas disminuye significativamente junto con la cantidad de luz que es interceptada por la copa; en consecuencia, el FEB variable, debido a que el fuste empieza a concentrar mayor cantidad de biomasa.
En la Figura 3 se observa que la biomasa aérea total calculada con el factor de expansión de biomasa variable es más conservadora, de acuerdo con la tendencia de biomasa aérea total observada.
Figura 3 Relación de la biomasa aérea total predicho con el FEB constante y variable en función de la biomasa aérea total observada (kg).
Para estudios futuros en las plantaciones será muy difícil obtener directamente la biomasa aérea total; por ello, se sugiere utilizar el factor de expansión de biomasa variable ya que presenta mayor confiablidad, con el propósito de estimar la biomasa aérea total de manera indirecta para árboles medidos en los inventarios forestales.
Sistemas de partición de biomasa
En el Cuadro 2 se resumen los estadísticos de bondad de ajuste del sistema de partición de biomasa: raíz del cuadrado medio del error (RMSE), coeficiente de determinación ajustado (R2 adj.) y los estimadores de los parámetros. Los resultados indicaron que a la biomasa de fuste presentó el valor más alto en el R2 adj con 99.56 %, seguida de la biomasa de follaje con 97.28 % y por último le siguen la biomasa de ramas con 96.37 %.
Cuadro 2 Estadísticos de ajuste, valores y significancia de los parámetros del sistema de partición de biomasa aérea.
| Componentes | RMSE |
|
ρ | Ψi | ∞ |
|---|---|---|---|---|---|
| Fuste | 3.2101 | 0.9956 |
|
0.691336 | <0.0001 |
| Ramas | 2.7675 | 0.9637 |
|
0.213308 | <0.0001 |
| Follaje | 1.0285 | 0.9728 |
|
0.095355 | <0.0001 |
ρ = Parámetro del sistema de partición de biomasa aérea; Ψ = Valor de los estimadores de los parámetros; ∞ = Nivel de significancia de los estimadores de los parámetros.
Las variables independientes del D y H se ajustaron bien a los datos de biomasa, explicando una variación superior a 96 % para la predicción de la biomasa por componentes. Mientras que, los valores en RMSE fueron de 3.21, 2.76 y 1.02 para biomasa de fuste, ramas y follaje, respectivamente. Los parámetros
Los valores de
Cuadro 3 Distribución de biomasa aérea total y por componentes, para cada categoría de diámetro normal y altura total.
| CD | Categoría de altura | |||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BF | BR | BH | BT | BF | BR | BH | BT | BF | BR | BH | BT | BF | BR | BH | BT | BF | BR | BH | BT | |
| 5 | 5 | 5 | 5 | 10 | 10 | 10 | 10 | 15 | 15 | 15 | 15 | 20 | 20 | 20 | 20 | 25 | 25 | 25 | 25 | |
| 5 | 4 | 1 | 1 | 6 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 10 | - | - | - | - | 23 | 7 | 3 | 33 | 32 | 10 | 4 | 46 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 15 | - | - | - | - | 44 | 13 | 6 | 63 | 61 | 19 | 8 | 88 | 76 | 24 | 11 | 110 | - | - | - | - |
| 20 | - | - | - | - | - | - | - | - | 96 | 30 | 13 | 139 | 121 | 37 | 17 | 175 | 145 | 45 | 20 | 210 |
| 25 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 173 | 53 | 24 | 251 | 207 | 64 | 29 | 300 |
| 30 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 232 | 72 | 32 | 336 | 278 | 86 | 38 | 402 |
BF = Biomasa de fuste; BR = Biomasa de ramas; BH = Biomasa de follaje; BT = Biomasa aérea total; CD = Categoría diamétrica; - = No existen valores.
Martínez et al. (2016) determinaron 81 % para fuste, 14 % de ramas y 5 % de follaje en P. ayacahuite var veitchii Shaw en rodales naturales de Ixtlán, Oaxaca. Esta distribución difiere a lo citado s estudios reportados por Rodríguez et al. (2012) para una plantación de P. patula de 14 años, cuya proporción de biomasa de fuste fue de 92.9 %, de ramas de 4.7 % y follaje de 2.4 %. Lo anterior demuestra que la proporción de follaje de P. patula tiene mayor eficiencia fotosintética respecto a Pinus chiapensis. No obstante, también se puede atribuir a los aclareos efectuados en la plantación, lo que generó más concentración en biomasa de fuste. Esto concuerda con los estudios de Chávez-Pascual et al. (2013), quienes registraron distribuciones de biomasa de fuste de 92.5 %, ramas con 6.3 % y follaje con 1.2 % para rodales de P. chiapensis bajo manejo.
En coníferas, contrasta la distribución de biomasa con la derivada en especies de climas tropicales como Cupania dentata DC., Alchornea latifolia Sw. e Inga punctata Willd. que presentan, generalmente, una mayor concentración de biomasa de ramas y follaje (54.32, 50.58, 59.26 %, respectivamente) que en biomasa de fuste (40.69, 38.53, 33.65 %, respectivamente) (Aquino et al., 2015).
Se conformó un sistema de ecuaciones para árboles individuales de la siguiente manera: la ecuación (69 calcula la biomasa aérea total a nivel árbol, que multiplica el factor de expansión de biomasa variable (13) por el volumen total fuste (3).
Entonces, una vez estimada la biomasa aérea total es posible conocer la proporción por componentes, al sustituir los valores
Conclusiones
Los factores de expansión de biomasa generados para estimar la biomasa aérea total en las plantaciones forestales comerciales de Pinus chiapensis incluyen variables predictoras de fácil medición en los inventarios forestales, como el diámetro normal y altura total, lo que facilita convertir el volumen total fuste a biomasa aérea total. El sistema de ecuaciones de partición de biomasa aérea garantiza la aditividad y genera estimaciones más precisas. Con este sistema es posible calcular la biomasa por componentes a partir de la información generada en los inventarios forestales, la cual es fundamental para transformar la biomasa a carbono capturado en las plantaciones de P. chiapensis.
