Introducción

Los bosques templados son ecosistemas importantes para la recarga de los mantos acuíferos, ya que se estima que estos proveen 25 % del total nacional que es de 4.8 billones de metros cúbicos de agua (^{Torres y Guevara, 2002}). Al respecto, la Sierra Madre Occidental del estado de Durango es una región vital para las cuencas del océano Pacífico y del interior del centro norte del país (^{Dueñez et al., 2006}).

La capacidad de infiltración es el término aplicado al proceso de entrada de agua a través de la superficie del suelo (^{Hillel, 1971}). La estimación de la velocidad de infiltración y la lámina acumulada es de gran importancia dado que constituyen componentes clave del ciclo hidrológico; dicho cálculo permite cuantificar la escorrentía, la erosión, la disponibilidad de sedimentos, la capacidad de recarga de acuíferos, así como definir la operación de sistemas de riego y estudiar los efectos de diferentes prácticas de uso de la tierra (^{Grego y Vieira, 2005}; ^{Machiwal et al., 2006}).

Los usos del suelo asociados con actividades antrópicas, como la agricultura, el pastoreo y manejo forestal pueden afectar negativamente a la biodiversidad y la provisión de servicios ecosistémicos y contribuyen, de manera significativa, en los procesos de cambio climático a nivel regional (^{Sahagún-Sánchez y Reyes-Hernández, 2018}). Además, ocasionan la disminución de las aportaciones hídricas, debido a que el suelo pierde su capacidad de infiltración y de recarga de los acuíferos (^{Turnbull et al., 2010}; ^{Pérez et al., 2018}).

El manejo forestal involucra la ejecución de un programa de prácticas silvícolas como son los métodos de regeneración: árboles Padre, corta de selección, cortas sucesivas y cortas totales o matarrasa; así como, todas las actividades de cultivo o tratamientos intermedios entre los que se consideran los aclareos, reforestaciones, quemas prescritas, cortas de saneamiento y podas, que se llevan a cabo durante la gestión del bosque (^{Monárrez et al., 2018}). Dichas prácticas son cuestionadas cuando, por la alta intensidad del aprovechamiento y de las operaciones de abastecimiento, reducen la vegetación forestal; provocan disturbios que exponen el suelo superficial a los efectos de las lluvias, alteran y modifican sus propiedades, reducen su capacidad de infiltración e incrementan el riesgo de pérdida de suelo por erosión hídrica (^{Dueñez et al., 2006}).

^{Pérez y Romance (2012)} indican que para conocer el proceso de infiltración se consideran modelos que se ajustan a las mediciones de campo, debido a las diferentes condiciones de suelo, clima, vegetación y manejo. Para estimar la infiltración se han desarrollado modelos matemáticos, los cuales, en general, se dividen en tres grupos (^{Collis, 1977}; ^{Pérez y Romance, 2012}): 1) teóricos, 2) semiempíricos, y 3) empíricos. Estos últimos fueron los empleados para la modelación de la infiltración en el presente estudio; ya que no consideran los factores que intervienen en el proceso de infiltración: la textura, el contenido de humedad o la temperatura del suelo, entre otros.

El estudio tuvo como objetivo modelar el proceso de infiltración a partir de mediciones in situ realizadas con la metodología del infiltrómetro de doble anillo, las cuales se ajustaron a los parámetros de los modelos de Kostiakov, Horton y de Lewis-Kostiakov (^{Weber y Apestegui, 2016}), mediante el análisis de su funcionamiento en cinco diferentes rodales silvícolas (tres cortas de regeneración, un área regenerada posincendio y un rodal de referencia) en bosques templados de Durango, México.

Materiales y Métodos

Área de estudio

Las pruebas de infiltración se llevaron a cabo en los bosques del ejido La Ciudad, ubicado en el macizo montañoso Sierra Madre Occidental dentro del municipio Pueblo Nuevo, Durango, donde la vegetación dominante está integrada por Pinus durangensis Martínez, Pinus cooperi C.E. Blanco, Pinus ayacahuite Ehrenb. ex Schltdl., Juniperis deppeana Steud. y Quercus sideroxyla Bonpl. (^{González-Elizondo et al., 2012}). El suelo predominante pertenece al tipo Umbrisol (^{Inegi, 2005}) (Figura 1). La precipitación media anual es de 1 200 mm, y la temperatura media anual de 18 ºC, con máxima de 22 ºC y mínima de 3 ºC (^{Zúñiga et al., 2018}).

Figura 1 Área de estudio. 

Resultados

Los valores promedios de infiltración inicial, tasas de infiltración básica e infiltración acumulada para los diferentes rodales se muestran en el Cuadro 2, en el que se observa que el rodal de Referencia (testigo) presentó un mejor comportamiento hidrodinámico; caso contrario al tratamiento de Matarrasa, cuyos valores fueron los más bajos en Fi, Fb y Fa. La variable de Fi registró diferencias significativas, por lo que se analizó mediante la prueba de Tukey; Fb y Fa evidenciaron diferencias significativas de acuerdo a la prueba de Kruskal Wallis.

Las pruebas de comparación permiten observar diferencias altamente significativas entre el tratamiento de Referencia y los otros rodales analizados, principalmente, en la variable Fi, la cual se redujo 45 %; mientras que la Fb se incrementó ligeramente en los tratamientos Árboles Padre y Selección, a diferencia de los de Matarrasa y Posincendio en los que se determinaron decrementos de 28 y 23 %, respectivamente. En tanto que, Fa, en todos los rodales se redujo, a excepción del área de Árboles Padre la cual registró 4.7 % por arriba del rodal de Referencia. El contenido de humedad inicial del suelo entre los rodales evidenció diferencias significativas (prueba de Kruskal Wallis, p<0.05); por lo que se considera que tiene un papel importante en las condiciones iniciales y finales de la infiltración.

La Figura 2 describe el comportamiento de la tasa de infiltración observada en los distintos rodales. En general, se aprecian tres periodos distintos: inicialmente la velocidad de infiltración es alta y se mantiene constante por un corto tiempo (<15 min); después la taza de infiltración baja considerablemente (15-60 min); lo que resulta en un tercer momento de estabilización, denominado tasa de infiltración básica, el cual tiende a apreciarse en todos los tratamientos después de los 200 minutos de aplicación de la prueba.

Figura 2 Tasa de infiltración observada en los rodales silvícolas. 

En el proceso de infiltración acumulada se demostró que los rodales de Árboles Padre y Referencia tuvieron los mayores volúmenes de infiltración, seguidos del área de aprovechamiento por Selección, el área de posincendio y por último, la de Matarrasa. La infiltración acumulada creció en forma constante durante los primeros 60 minutos, posteriormente empezó a tener un crecimiento con segmentos más estables, la infiltración fue más lenta y prolongada a partir de los 200 minutos (Figura 3).

Figura 3 Infiltraciones acumuladas observadas en los rodales silvícolas. 

En el Cuadro 3 se resumen los parámetros de los tres modelos ajustados, así como el valor del coeficiente de determinación (R²), el cual es una medida del grado de bondad de la ecuación empleada. En el mismo Cuadro puede apreciarse que en todos los casos, para los modelos Kostiakov y Lewis-Kostiakov se presentaron mayores valores de R², además los parámetros asociados a la infiltración inicial (Fi y a) mostraron una tendencia similar a los observados, esto en todos los rodales analizados.

En la Figura 4, como ejemplo, se exhibe el comportamiento de la tasa de infiltración observada y estimada, a partir de los modelos ajustados de la tercera prueba para las áreas de rodal de Referencia, Selección, Matarrasa y Posincendio; se observa claramente que desde la infiltración inicial, el modelo de Kostiakov tiene un mejor arreglo, a diferencia de Horton el cual no estima de manera adecuada la tasa de infiltración durante los primeros momentos, y después de 30 minutos tienden a sobrestimar la infiltración. En general, ese comportamiento se registró en la mayoría de las pruebas. No obstante, el modelo de Lewis-Kostiakov tuvo un correcto desempeño en el ajuste, cuando se registraron tasas de infiltración inicial bajas (Fi<300 mm h^-1), a diferencia de los modelos de Horton y Kostiakov, los que sobrestimaron y subestimaron la infiltración, respectivamente; lo cual se observa claramente en el área de Selección.

Figura 4 Ajuste de la tasa de infiltración a partir de los modelos de Horton, Kostiakov y Lewis-Kostiakov. 

Discusión

^{Di Prima et al. (2017)} señalan que la apertura del dosel, debido a la remoción de un cierto número de árboles, es una práctica importante que influye en las relaciones entre el suelo y el agua. Con base en los resultados del presente estudio, las diferencias de la infiltración inicial, básica y acumulada en los rodales están determinadas por el tipo de disturbio o tratamiento silvícola aplicado. ^{Dueñez et al. (2006)} y ^{Landini et al. (2007)} citan que la intensidad de corta es un factor importante que define los niveles de intercepción de la precipitación, luminosidad, contenidos de humedad y profundidad de materia orgánica en el suelo, etcétera; y por lo tanto, provocan un efecto directo en las propiedades hidráulicas del suelo.

^{Bens et al. (2007)}, ^{Wagner et al. (2011)} y ^{Archer et al. (2013}) indican que la profundidad y la cantidad de materia orgánica contribuyen a mejorar la estructura edáfica e incrementan la capacidad de infiltración, almacenamiento de agua y la conductividad hidráulica; y a partir de los resultados de Fi, Fb y Fa; así como de, las características físicas del suelo y la vegetación que predominan en los rodales estudiados; lo anterior se puede corroborar, principalmente, en el rodal de Matarrasa, cuyas propiedades fueron afectadas de manera importante por la intensidad de corta aplicada, y ello provocó disminuciones en las variables hidrológicas.

Los valores de las variables de infiltración permiten definir lo consignado por ^{Hümann et al. (2011)}, ^{Marshall et al. (2014)} y ^{Archer et al. (2016)} quienes sugieren que la etapa de crecimiento del bosque es un factor relevante que determina las características hidrológicas del suelo. Esto concuerda con los resultados del estudio que aquí se documenta, en el que las áreas de Matarrasa y Posincendio son masas forestales que presentan un estado de madurez similar, a diferencia de los rodales de Árboles Padre, Selección y Referencia donde existe arbolado superior.

Respecto a los valores del estadístico R^2, se nota muy poca variación entre el modelo tipo Kostiakov y el de Lewis-Kostiakov, los cuales representan adecuadamente la evolución de la lámina infiltrada en las pruebas de infiltración de los diferentes rodales evaluados. Lo anterior se confirma con lo señalado por ^{Návar y Synnott (2000)}, ^{Weber y Apestegui (2016)}, ^{Sihag et al. (2017)} quienes indican que las mejores predicciones, por lo general, se obtienen con el modelo Lewis-Kostiakov., ya que sus parámetros son más sensibles al tipo de suelos Umbrisol, que se caracteriza por presentar un horizonte superficial grueso y oscuro, insaturado de bases y rico en materia orgánica (^{Casanova et al., 2007}). En relación con lo anterior, disminuciones en la materia orgánica repercuten en la estabilidad de los agregados, al dispersar partículas finas texturales y con ello se favorece la disminución de la porosidad y, en consecuencia, hay decrementos en la infiltración (^{García-Hernández et al., 2008}).

Cabe señalar que la información respecto a los temas hidrológicos y su relación con el manejo forestal es escaza y limitada, con base en ello se resalta la importancia del presente estudio.

Conclusiones

La tasa de infiltración inicial (2 080 mm h^-1), básica (297.93 mm h^-1) y acumulada (16 428.29 mm) observadas en el rodal de Referencia evidencian diferencias estadísticas significativas, respecto a los otros rodales analizados; por lo tanto, las modificaciones en la estructura forestal provocan un efecto negativo sobre las variables hidrológicas Fi, Fb y Fa.

Las variables que componen el proceso de infiltración presentan el siguiente orden decreciente:

Características como el estado de madurez de la vegetación, estructura, composición y las variables edáficas densidad aparente, espesor de capa orgánica y humedad provocan variaciones en las tasas de infiltración en los diferentes rodales analizados.

Los resultados del ajuste de modelos, basados en el coeficiente de determinación (R²), muestran que los de Kostiakov y Lewis-Kostiakov son adecuados para predecir la infiltración en las diferentes condiciones del bosque estudiadas, específicamente, el modelo Lewis-Kostiakov estima mejor la infiltración para las áreas de Selección y Referencia, y en los rodales de Árboles Padre, Matarrasa y Posincendio es mejor descrita por el modelo Kostiakov.

Los parámetros de los modelos de infiltración son de gran importancia para estimar la recarga de los acuíferos, escurrimientos superficiales, erosión del suelo y por ende, facilitan la toma de decisiones con bases de sustentabilidad.