Diseño de la cama de combustibles

Se recolectaron, aleatoriamente, 36 muestras de 1 m² de la capa de hojarasca, compuestas de acículas de comunidades arbóreas de pino-oyamel [Pinus sp.-Abies religiosa (Kunth) Schltdl. & Cham.] y pino-encino (Pinus sp.-Quercus sp.) de la RBMM. Las comunidades presentan una densidad de 284 y 412 árboles ha^-1, altura de 22.1 y 18.1 m (hipsómetro Nikon ^® modelo Laser Forestry Pro), diámetro normal de 37.6 y 27.6 cm (cinta diamétrica Forestry Suppliers ^® modelo 347D), diámetro de copa de 7.7 y 6.8 m (cinta métrica Truper ^® modelo TF50ME), respectivamente. Para cada muestra se midió el grosor de la capa de hojarasca usando una regla Office Depot ^® modelo F604 de 30 cm; posteriormente, se recolectó en una bolsa de papel Kraft, etiquetó y se obtuvo el peso húmedo con una báscula digital de plataforma marca Pesola ^® modelo PTS3000.

Las muestras se transportaron al Instituto de Investigaciones en Ecosistemas y Sustentabilidad (IIES), Morelia, Michoacán para su secado en un horno marca NOVATECH ^® modelo Epr-01 a 79 °C. Se omitieron los combustibles leñosos y los conos para identificar el comportamiento del fuego solo para la capa de hojarasca, debido a que únicamente los combustibles finos influyen en la propagación del fuego (^{Morandini et al., 2013}). Después del secado, las muestras se pesaron para conocer su peso seco (Cuadro 1) y calcular la densidad aparente al dividir el peso seco por el grosor promedio de la capa de hojarasca en el área de recolecta (^{Morfin et al., 2012}).

Para evaluar el comportamiento del fuego se diseñó una plataforma metálica resistente al calor de 225×50 cm; para ello, se usó la metodología de ^{Sikkink et al. (2017)} con modificaciones (Figura 1A). La plataforma se colocó a 13 cm del suelo en un área abierta propiedad de la Comisión Nacional Forestal (Conafor) en Morelia, Michoacán; además fue movible permitiendo establecer tres pendientes (0º, 10º y 20°). Para medir la altura de la flama se colocaron postes graduados de un metro a 20, 95 y 170 cm de la longitud de la plataforma; perpendicularmente a esta, se instaló una cámara digital Nikon ^® modelo D5300 para registrar en tiempo real la velocidad de propagación y la geometría de la flama en cada quema (Figura 1B).

A = Consumo de combustibles después de la quema; B = Geometría y comportamiento el fuego.

Figura 1 Plataforma metálica de quema de combustibles forestales. 

Quema de combustibles

Se puso un área buffer de acículas de pino en los primeros 25 cm de la plataforma. Después del buffer se extendió, uniformemente, la capa de hojarasca recolectada, se comprimió de manera manual asegurando un grosor homogéneo y similar al observado en campo. Las quemas se realizaron entre enero y febrero de 2021 a las 10 y 15 horas del día, y se iniciaron usando un fósforo. Se efectuaron seis réplicas para cada condición de pendiente, con ello se aseguró la consistencia de los resultados. No se controlaron las condiciones ambientales, por lo que se registró con un medidor Kestrel ^® 3000 una temperatura promedio de 29 °C, humedad relativa de 35 % y velocidad del viento de 2.24 km h^-1.

Medición de comportamiento del fuego

Se utilizó el programa de acceso libre Kinovea (^{Sánchez-Pay, 2018}) para medir la geometría de la flama cada 5 segundos en los videos grabados; se capturó la altura, longitud y ángulo de la flama. La velocidad de propagación se determinó como el tiempo que el fuego tardó en recorrer la longitud de 200 cm de la capa de hojarasca; su intensidad se calculó mediante la Ecuación 1 propuesta por ^{Byram (1959)}. Para estimar el consumo se consideró la diferencia de peso seco pre y posquema, incluyendo los residuos carbonizados y la ceniza generada. La eficiencia de la combustión se evaluó con el Factor de eficiencia de combustión (BEF), mediante la Ecuación 2 propuesta por ^{Russell-Smith et al. (2009)}.

Donde:

I = Intensidad del fuego (kW m^-1)

H = Calor de combustión (18 608 kJ kg^-1=8 000 BTU lb^-1)

w = Masa de hojarasca consumida (kg m²)

R = Tasa de propagación (m min^-1)

Donde:

BEF = Factor de eficiencia de combustión

Mash = Carga residual de hojarasca no quemada más carga de ceniza

Mfuel = Carga de hojarasca prequemada

Análisis de datos

Se evalúo la normalidad y homogeneidad de varianza con la prueba de Lilliefors (^{Drezner et al., 2008}) y la versión modificada de Bartlett (^{Arsham y Lovric, 2011}), respectivamente. Cuando los supuestos no se cumplieron, se transformaron a logarítmicos (^{Zar, 2010}). Para comparar la geometría del fuego, la velocidad de propagación y el consumo de hojarasca entre las comunidades arbóreas y pendientes se realizó una ANOVA con un nivel de significancia de α=0.05. Las diferencias significativas se identificaron con la prueba post-hoc de Tukey.

Además, se exploraron las relaciones entre las variables geométricas de la flama, la carga y el consumo mediante el Coeficiente de correlación de Pearson. Como paso final se hicieron ajustes con modelos exponenciales para estimar la velocidad de propagación (Ecuación 3) y la intensidad del fuego (Ecuación 4). Este enfoque permitió obtener información más detallada sobre la dinámica del fuego en relación con las variables estudiadas. Los análisis se llevaron a cabo utilizando el software R en su versión 4.0.3 (^{Rstudio Team, 2020}).

Donde:

ROS = Velocidad de propagación

LF = Longitud de la flama

IR = Intensidad del fuego

a, b, c = Predictores obtenidos de ajuste

Comportamiento del fuego

La quema de la capa de hojarasca indicó que la propagación del fuego, altura y longitud de la flama en pino-encino fue significativamente mayor, respecto a la de pino-oyamel; la propagación, las variables geométricas de la flama y la intensidad del fuego aumentaron de acuerdo a la pendiente (Cuadro 2). En ambas capas de hojarasca, el comportamiento del fuego aumentó rápidamente hasta alcanzar un punto máximo, para luego decrecer exponencialmente, a excepción del ángulo de separación de la flama que disminuyó con los combustibles prequemados (Figura 2). En condiciones sin pendiente, la velocidad de propagación fue lenta y constante, mientras que en la pendiente de 20° el tiempo del recorrido del fuego disminuyó en un tercio, respecto a la pendiente de 0° y 10°; el ángulo de flama fue casi vertical.

HF = Altura de la flama; ROS = Tasa de propagación; AF = Ángulo de flama; LF = Longitud de la flama; ** = Efecto de muestras apagadas sin alcanzar el final de la cama de hojarascas.

Figura 2 Variables de comportamiento del fuego en tres pendientes versus tiempo para camas de hojarasca de pino-encino y pino-oyamel. 

En ambas camas de hojarasca, las pendientes se correlacionaron significativamente con la velocidad de propagación, mientras que las variables geométricas del fuego tuvieron una correlación considerable y significativa con la pendiente en pino-oyamel, lo cual no pasó con pino-encino (Cuadro 3). En pino-encino, la velocidad del fuego fue más intermitente, se redujo el comportamiento del fuego y se generaron islas de hojarasca sin quemar. La carga de hojarasca prequemada de pino-oyamel se correlacionó significativamente con la intensidad del fuego, la altura y longitud de la flama (Figura 3). Además, la carga y el grosor de hojarasca prequemada y las variables geométricas de la flama presentaron correlaciones con el consumo y el residuo de la posquema.

ROS = Tasa de propagación; HF = Altura de la flama; AF = Ángulo de flama; LF = Longitud de la flama; IR = Intensidad del fuego.

Figura 3 Grafica de dispersión y coeficientes de correlación para el comportamiento del fuego en las capas de hojarasca evaluadas. 

Consumo de hojarasca

La carga de hojarasca pre y posquema, el consumo de hojarasca, los residuos carbonizados y el valor BEF no variaron en función de las comunidades arbóreas (Cuadro 4). No obstante, las quemas redujeron la carga posquema, con respecto a la carga inicial: F _1.31 =115.32, p<0.001. Para el caso de la pendiente, solo influyó en la carga de hojarasca pre y posquema con mayor reducción de estas en la condición plana, donde la propagación del fuego fue más lenta, incluso fue similar en pendientes de 20°, donde fueron mayores la altura y longitud de la flama.

Regresión de comportamiento del fuego

La velocidad de propagación e intensidad del fuego de las quemas de hojarasca se correlacionaron significativamente con la longitud de la flama (r=0.91 y r=0.47, respectivamente). El ajuste de la tasa de propagación respecto a la longitud de la flama presentó un r ² de 0.38 en las dos capas de hojarasca (Figura 4). Mientras que el ajuste de la intensidad del fuego respecto a la longitud de flama registró un r ² de 0.53 y 0.41 en pino-oyamel y pino-encino, respectivamente.

Ajuste de: A = Tasa de propagación logarítmica (logROS); B = Intensidad del fuego en función de la longitud de flama observada. La línea roja y negra de los gráficos corresponden a la capa de hojarasca de pino-encino y pino-oyamel, respectivamente.

Figura 4 Ajuste de modelos de predicción del comportamiento del fuego en quemas de capa de hojarasca. 

Comportamiento del fuego

Las quemas de capas de hojarasca demuestran que la velocidad de propagación, la altura y longitud de la flama aumentan con la pendiente, y el ángulo de separación de los combustibles prequemados con el fuego se reduce. Esto coincide con los resultados de ^{Sánchez-Monroy et al. (2019)}, quienes usaron WFDS y obtuvieron un comportamiento inestable de fuego en pendientes mayores a 16°, con aumento de la propagación del fuego y el ángulo de inclinación de la flama. De igual manera, ^{Pérez-Ramírez et al. (2017)} compararon los resultados de simulaciones con WFDS y quema de acículas, observaron que el WFDS predijo escenarios dentro del intervalo de la propagación del fuego obtenidas por las quemas. Por lo que las pruebas con muestras de la capa de hojarasca tienen el potencial de predecir la propagación del fuego.

Las quemas experimentales muestran que la pendiente influye en la velocidad de propagación y permanencia del fuego; estos resultados son similares a los citados en quemas de acículas y por el WFDS, en los que se indica que después de 150 segundos de la ignición hay cambios en la propagación (^{Pérez-Ramírez et al., 2017}). Por lo que, en pendientes pronunciadas, la propagación se duplica respecto a las áreas con poca pendiente debido a una turbulencia de la flama que genera el viento, lo que incrementa el calor radiactivo hacia los combustibles prequemados (^{Morandini et al., 2013}; ²⁰¹⁸).

Por ejemplo, ^{Tihay et al. (2014)} y ^{Yang y Chen (2018)} señalan que la radiación hacia los combustibles prequemados se incrementa a partir de pendientes de 15 a 20° e influyen en la velocidad de propagación. Además, en pendientes pronunciadas la ignición de combustibles es más rápida (^{Silvani et al., 2018}), lo que aumenta el riesgo de avance vertical del fuego y el daño a la vegetación es mayor.

En quemas experimentales, se observa más intensidad del fuego en los primeros minutos, hasta alcanzar un punto máximo para posteriormente estabilizarse unos segundos para el caso de pendientes de 0° y 10°, luego disminuye exponencialmente. Esto coincide con los trabajos de ^{Kreye et al. (2011)} y ^{Tihay et al. (2014)}. La reducción del comportamiento del fuego en los últimos segundos se debe a la falta de combustible en el frente a la línea de fuego, lo que reduce el calentamiento convectivo, por lo que solo queda la flama generada por la lenta combustión de residuos.

Además de la pendiente, la carga de combustible influye en la intensidad del fuego; asimismo, en áreas con alta carga de hojarasca, la altura y longitud de la flama aumentan (^{Kreye et al., 2014}) formando una distorsión en forma de V en la línea de fuego, como lo documentan ^{Pérez-Ramírez et al. (2017)} en quemas de acículas de pino.

El tamaño de los combustibles es importante debido al tiempo que tarda en iniciar el proceso de ignición. Los combustibles ligeros, como las acículas de pino por su porosidad y sensibilidad a la convección, facilitan la propagación del fuego sin penetrar profundamente, solo se quema la parte superficial (^{Morandini et al., 2018}). Esto por las características físicas de los combustibles ligeros que permiten la aireación de la capa de hojarasca y el cambio abrupto del comportamiento del fuego en una exposición de tiempo corto a las condiciones climáticas variables (^{Kauf et al., 2018}).

En capas heterogéneas de hojarasca, como las de pino-encino, se presentan islas sin quemar, que en áreas extensas favorecen a la flora y fauna, ya que sirven como refugio o áreas de producción y dispersión de semillas después de un incendio forestal (^{Meddens et al., 2018}). Por lo que el comportamiento del fuego está en función de las características de la capa de hojarasca presente en las comunidades arbóreas.

Consumo de combustible

La carga de hojarasca quemada y el consumo se correlacionaron, lo cual sugiere que en áreas con mayor acumulación se espera más consumo, como indican ^{Ottmar et al. (2016)}. En el presente estudio, el consumo fue menor al registrado en quemas experimentales en bosques de pino en Portugal (^{Fernandes y Loureiro, 2013}) y el suroeste de Estados Unidos de América (^{Yokelson et al., 2013}). La falta de variación en el consumo entre capas de hojarasca podría deberse a que se quemó la carga existente en un metro cuadrado. Sin embargo, con carga estándar para todas las muestras, probablemente se observaría variación ya que, a mayor carga, el comportamiento del fuego y el consumo se incrementan.

En la investigación que aquí se documenta no se consideró el material leñoso caído (MLC), ni los arbustos. Sin embargo, ^{Brewer et al. (2013)} determinaron que el consumo del MLC varía según el tamaño, con mayor residuo en áreas con MLC>7.6 cm, ya que los MLC grandes no se consumen por completo. Si estos logran incendiarse, se incrementan la longitud de la flama, la energía liberada y los gases calientes. Además, la presencia de arbustos aumenta la longitud de la flama, la intensidad del fuego, y el daño al dosel es superior; en consecuencia, se inicia un incendio de copa y la mortalidad de los árboles se incrementa (^{Silvani et al., 2018}; ^{Varner et al., 2021}). Por lo que considerar únicamente el consumo de la capa de hojarasca no es suficiente para sugerir si varias dominancias arbóreas corresponden o no a una misma CC; de manera que es importante también incorporar el comportamiento del fuego.

Ajustes de propagación e intensidad del fuego

Las ecuaciones indican que el aumento de la longitud de la flama incrementa la propagación del fuego y su intensidad. El rápido aumento en la capa de hojarasca de pino-oyamel, en comparación con la de pino-encino, puede deberse a que está constituida, principalmente, por acículas largas que generan el doble de temperatura, respecto a capas sin acículas (^{Ellair y Platt, 2013}). En contraste, en bosques de pino-encino, las hojas de encino son menos inflamables que las acículas, lo que resulta en una menor longitud de flama (^{Kreye et al., 2020}). Por lo tanto, la heterogeneidad de hojarasca permite variación en la ignición y la duración de la flama.

La intensidad del fuego respondió a la longitud de la flama, fue mayor en pino-oyamel. Sin embargo, es importante considerar que las quemas se realizaron en áreas cerradas, con poca influencia de las condiciones atmosféricas, las cuales si se incluyen y se controlan podrían cambiar el comportamiento del fuego.

Las ecuaciones obtenidas permiten predecir el comportamiento del fuego en función de la longitud de la flama generada por la capa de hojarasca. No obstante, incluir los arbustos y los MLC influirá considerablemente en el comportamiento del fuego, ya que varía según el tipo de vegetación (^{Rossa y Fernandes, 2018}). Esto subraya la importancia de generar ecuaciones que incluyan la carga de todos los estratos del sotobosque para mejorar el ajuste (^{Cruz et al., 2018}). Asimismo, es esencial considerar la variación de la flamabilidad y consumo de los arbustos presentes en las comunidades arbóreas (^{Morandini et al., 2019}). Por lo tanto, de acuerdo al comportamiento del fuego entre las dominancias arbóreas y la inflamabilidad de las especies distribuidas es posible determinar si corresponden a una misma CC.