Introducción

Los Cerros Orientales de Bogotá, son un sistema montañoso perteneciente a la Estructura Ecológica Principal de la ciudad, caracterizado por presentar bosques naturales y mixtos, mezclados en su gran mayoría vegetación exótica como plantaciones forestales y monocultivos de uso agropecuario; además, de la invasión biológica del retamo espinoso (Ulex europaeus), que constituyen factores de degradación de la reserva forestal y tienen alta incidencia en la aparición de fuego de origen antrópico (^{Cortés, Van der Hammen y Rangel, 1999}; ^{León y Vargas, 2011}).

Desde hace varios años se presentan fluctuaciones en el clima, producidas en gran medida por la interacción de distintos componentes del sistema climático (^{Montealegre y Pabón, 2000}). Sin embargo, estos cambios también están relacionados con las actividades humanas, las cuales fortalecen el efecto invernadero (^{Pabón, 2003}).

Por esta razón, es importante la generación de modelos de predicción de incendios forestales que consideren variables físicas, ecológicas y antrópicas. Esos modelos podrían contribuir para pronosticar el comportamiento de los fuegos en diferentes zonas (^{Návar, 2011}; ^{Pompa-García, Vásquez-Vásquez, Zapata-Molina y Solís-Moreno, 2012}; ^{Avila, Pompa y Vargas, 2010}), de forma tal que su pronóstico ayude no solo en la conservación de los ecosistemas de cada uno de los países donde sean aplicados, sino también vele por la protección de los asentamientos humanos, el suministro de bienes y servicios ecosistémicos que proveen cada uno de los bosques que podrían ser afectados (^{Alvear, 2004}; ^{Amaya y Armenteras, 2012}).

La expectativa central de la simulación de los incendios no solo se basa en la obtención de un modelo estadístico, matemático o dinámico que asuma las condiciones naturales, sino también, un modelo que permita conocer la probabilidad de ocurrencia de incendios forestales con efectos ambientales negativos como la producción de los gases de efecto invernadero, la afectación del ciclo hidrológico, perdida de suelos, pérdida de cobertura vegetal, procesos de sedimentación de cauces, pérdida de la biodiversidad, contaminación de aguas, cambios microclimáticos y alteración en procesos migratorios. Además del riesgo de pérdida de los bienes y servicios ecosistémicos que los seres humanos obtenemos de ellos (^{Castillo, Pedernera y Peña, 2003}; ^{Parra y Bernal-Toro, 2011}; ^{Pabón, 2012}).

Es así como se presenta la oportunidad de evaluar los factores naturales como la precipitación y la evapotrans-piración mediante modelos y escenarios climáticos, como lo mencionan ^{Watson, Zinyowera y Moss (1996)}, donde se evalúen consecuencias económicas, ecológicas y sociales derivadas de estas interacciones. ^{Villanueva-Solis, Ranfla y Quintanilla-Montoya, 2013}, explican cómo la modelación dinámica es una herramienta que permite describir, analizar y evaluar sistemas complejos, siendo los modelos una simplificación de la realidad. El programa Stella 9.3 (^{Isee systems inc., 2014}) presenta una posibilidad de interacción cualitativa entre las variables que se pretende analizar, de forma que se puede usar para analizar los sistemas biológicos, físicos y sociales (^{Cervantes, Chiappa y Dias, 2009}).

Para ^{Yebra-Álvarez, de Santis y Chuvieco (2005)}, uno de los principales factores del comportamiento del fuego está basado en los combustibles vegetales, pues sus características de combustibilidad y humedad son claves en la ignición y el comportamiento del fuego. La dinámica del fuego está asociada con coberturas vegetales y está condicionada por factores climáticos, además que guarda estrecha relación con el área urbana (^{Parra y Bernal-Toro, 2011}).

A pesar de que exista una alta precipitación, el rendimiento hídrico es mayor para suelos con vegetación nativa pues tienen mejor capacidad de regular los niveles de agua por infiltración y almacenamiento, caso contrario ocurre con las plantaciones forestales que tienen un alto nivel de evapotranspiración (^{Otero, Contreras y Barrales, 1994}).

La modelación de incendios forestales en los Cerros Orientales se ha realizado en ejercicios académicos con simuladores del comportamiento del fuego, que relacionan el tipo de material vegetal con las condiciones climáticas como variables determinantes en la ocurrencia de estos eventos. Un ejemplo de esto el modelo planteado por ^{Tellez-Aljure (2004)}, quien realizó una modelación de riesgo de incendios de la cobertura vegetal. Posteriormente, ^{Verano-Velásquez (2013)} realizó el modelamiento y simulación de incendios con el uso del software Farsite. Por su parte, ^{Jaque, Sánchez y Álvarez (2016)} establecieron una metodología para la estimación de amenaza de incendios por medio de imágenes satelitales. Y ^{Morales (2017)}, desarrolló a través del algebra de mapas y simulación la determinación del riesgo de ignición y propagación de los incendios.

Objetivos

El objetivo de este estudio fue realizar la modelación dinámica de incendios forestales a partir de la relación entre variables como: balance hídrico, cobertura vegetal exótica y probabilidad de ocurrencia de los incendios ocasionados por las actividades de los pobladores de la franja limítrofe de la reserva, para caracterizar la dinamica del incendio forestal bajo diferentes condiciones ambientales. Los resultados de la modelación aportarán informacion importante a las autoridades locales para establecer medidas más eficaces para la protección de la biodiversidad de la zona.

Materiales y métodos

Área de estudio

Los Cerros Orientales se localizan en la capital de Colombia, en el departamento de Cundinamarca (Fig. 1), con un área aproximada de 14 170 ha, en un intervalo altitudinal que oscila entre los 2600 m y los 3500 m; una precipitación entre los 600 mm (extremo sur) y los 1500 mm (extremo norte); con una temperatura media anual entre 8 °C y 13 ºC sobre la cota de los 2750 m snm y una humedad relativa, entre 75% y 80%, en un régimen casi uniforme a lo largo del año (^{Corporación Autónoma de Cundinamarca [CAR], 2006}).

Figura 1 Localización de los Cerros Orientales de Bogotá, Colombia. 

Los Cerros Orientales se encuentran en el área de influencia de cinco (5) de las 20 localidades con las que cuenta la ciudad de Bogotá, en esta zona habitan alrededor de 82 000 personas. Las factores asociados que influyen en la propagación de los incendios forestales son las plantaciones de especies exóticas de pino, eucalipto, acacia y retamo liso y espinoso, que influyen en la pérdida de coberturas nativas, y la desaparición de agua superficial. La biomasa genera combustible para la incidencia de incendios forestales, entre 2010 y 2017 se presentaron 127 eventos relacionados directamente con las condiciones meteoro-lógicas (^{Unidad Administrativa Especial Cuerpo Oficial de Bomberos Bogotá [Uaecob], 2017}). Además, existen actividades mineras extractivas como las canteras que generan grandes impactos ambientales y acciones de urbanismo que van en contra de lo reglamentado por las leyes en la protección de los Cerros (^{Garzón, 2014}).

Resultados y discusión

El modelo general de incendios forestales para los Cerros Orientales se observa en la figura 2, en la cual se presenta la interacción de variables meteorológicas, biofisicas y antrópicas que se manifiestan como combustibles forestales y la acción de elementos socioeconómicos que pueden accionar el fuego.

Figura 2 Modelo dinámico de incendios forestales para los Cerros Orientales de Bogotá. 

Balance hídrico. Los resultados de balance hídrico muestran que el agua interceptada puede evaporarse, debido a las condiciones meteorológicas o el tipo de vegetación, y sus remanentes pueden infiltrarse (Fig. 3). Cuando la precipitación promedio anual del año menos húmedo es de 71,88 mm, la evapotranspiración es de 21,42 mm, la interceptación (4,9 mm) y la infiltración (3,9 mm). Estas dos últimas son menores, lo que concuerda con lo expuesto ^{Rodríguez (2012)} y ^{CAR (2006)}, quienes indican que dadas las condiciones morfológicas del área es una zona importante para la recarga de los acuíferos y que la infiltración es alta en los Cerros Orientales.

Figura 3 Modelación del balance hídrico para los Cerros Orientales de Bogotá. 

Asimismo, ^{Díaz, Gómez, Chávez y Zepera, (2006)}, encontraron que la interceptación y la infiltración tienen una correlación negativa, además de observar que la precipitación es interceptada por la vegetación de forma que puede permanecer un tiempo en esta o es pérdida por evapotranspiración y el resto se infiltra en el suelo. ^{Gerrits (2010)} afirma que la interceptación no solo se da por coberturas vegetales sino también por estructuras como el suelo (infiltración), materia orgánica, construcciones civiles y la agricultura. ^{Méndez (2013)}, por su parte, confirma que dependen de la duración e intensidad de la lluvia y la estructura de la vegetación. Para ^{López-Granados et al., (2002)}, la infiltración depende en gran medida del relieve y de la superficie ocupada por asentamientos humanos y agricultura; en este sentido las plantaciones forestales de especies exóticas pueden disminuir la dinámica hídrica de una zona (^{Díaz, 2006}).

El algoritmo que se obtuvo en la modelación del balance hídrico (Ec. 5), muestra cómo la infiltración es un factor importante sobre otras variables como la precipitación y la evapotranspiración; de la combinación de estos factores se pueden generar condiciones propicias para la generación de incendios forestales.

Cobertura vegetal. Los resultados muestran que la deforestación se encuentra en función del cambio de uso de suelo (Fig. 4), y la afectación de los procesos de restauración de los Cerros llevados a cabo en la epoca de la colonia. Se puede inferir que las tasas de recuperacion de las áreas con restauración ecológica son afectadas de manera importante por el cambio de uso de suelo, retardando así los procesos de recuperación de áreas afectadas (Ec. 6).

Figura 4 Modelación de la cobertura vegetal para los Cerros Orientales de Bogotá. 

Los efectos encontrados coinciden con los alcanzados por ^{Britos y Barchuk (2013)}, quienes afirman que los cambios en el uso de la tierra y la pérdida creciente de la cobertura de los bosques desencadenan procesos de desertificación que altera los ciclos biogeoquímicos. Además, ^{Cayuela (2006)} asegura que la pérdida de bosques se debe, en los países en vías de desarrollo, al crecimiento poblacional y a la pobreza persistente, siendo la principal causa de degradación; sin embargo, la tala de especies selectivas es otra causa de pérdida de biodiversidad. La expansión del borde urbano genera la afectación de las estructuras ecológicas que se encuentran en sus inmediaciones, por la demanda de recursos para los pobladores (^{Carrillo, 2011}).

Retamo espinoso. Los resultados de la modelación de la dinámica del retamo espinoso (Fig. 5) evidencian que no hay diferencia para los años de sequía o humedad. Esto se debe a que la germinación y mortalidad no varian por condiciones climáticas, competencia intra e interespecífica, cambio de uso de suelo y/o actividades de control de esta especie. Es importante tener en cuenta que la tasa de mortalidad es menor que la de germinación; por cuanto a la cobertura del Ulex europaeus tiende a incrementarse, probablemente debido a que muchas de las zonas de los Cerros Orientales tienen procesos de regeneración natural (rebrote) y activación del banco de semillas (^{Vargas et al., 2009}; ^{Torres, 2009}; ^{Aguilar, 2010}).

Figura 5 Modelación del retamo espinoso de los Cerros Orientales de Bogotá. 

El aumento observado en el crecimiento de la especie invasora, retamo espinoso, concuerda con autores como ^{León y Vargas (2011)}, quienes mencionan que la expansión del retamo espinoso se da principalmente en áreas abiertas, en los bordes de caminos y en los matorrales, determinantes en el avance de la invasión. Además, su desarrollo se da en zonas con altas precipitaciones y altos niveles de humedad en el suelo para su germinación, como lo menciona ^{Muñoz (2009)}. Sin embargo, este mismo autor aclara que la germinación depende, además del clima, de sus propias condiciones, pues no todas las semillas son viables, por lo tanto la mortalidad puede ser más alta.

^{Ríos (2005)} confronta varias zonas invadidas y concluye que los Cerros Orientales cuentan con condiciones ambientales propicias para la expansión de la especie invasora, a esto se suman sus características fisiológicas, la especie genera gran cantidad de semillas que pueden durar en latencia más de 30 años (^{Vargas, et al., 2009}). Para ^{Torres (2009)} la capacidad de germinación es grande por la densidad de sus matorrales, estos no permiten el desarrollo de otras especies. Esto la hace una colonizadora natural, sin embargo, la mortalidad se da en condiciones de altas temperaturas del suelo, por competencia interespecífica y por aumento de predadores, herbívoros y patógenos (Ec. 7).

Bienes y servicios. Para la realización del componente de bienes y servicios ecosistémicos se usaron encuestas basadas en la importancia de estos para los pobladores cercanos al área (Tabla 6). Los resultados obtenidos de esta encuesta, muestran que los bienes y servicios ecosistémicos más importantes para los pobladores de la reserva son agua (54%), oxígeno (40%), producción de oxigeno (66%) y almacenamiento de carbono (22%). Con respecto al clima, 76% los moradores mencionan que el clima es más seco y que este cambio puede haberse dado entre los últimos 5 años (54%) y 20 años (32%). En cuanto a los incendios forestales, presumen que 58% de ocurrencia de estos es debido al cambio en el uso del suelo y 28% por condiciones provocadas.

Los bienes y servicios ecosistémicos tienden a perderse justo después de la generación de un incendio forestal (Fig. 6), donde la oferta se disminuye en los primeros doce meses. Estos incendios se deben al cambio en el uso del suelo de los Cerros Orientales, que genera deforestación y presencia de retamo espinoso, que altera la generación de los beneficios ecosistémicos (Ec. 8). ^{Céspedes y Moreno (2010)} concuerdan con los resultados obtenidos para el componente en este estudio. Estos autores precisan que la deforestación representa un problema ambiental ya que logra afectar la provisión de servicios ambientales, si bien, a pesar de tener procesos de restauración no todas las especies sobreviven debido a la adaptabilidad (tambien procesos tecnicos de plantación), competencia, pastoreo y quemas. Por su parte, ^{Bustamante y Grez (2004)} consideran que la creciente intervención humana trae consecuencias ecológicas para los bosques, debido al crecimiento de las actividades agropecuarias que conllevan a la fragmentación de los bosques, perturbando el microclima y los nutrientes, así como también, la distribución e interacción de las especies.

Figura 6 Modelación de la pérdida de bienes y servicios de los Cerros Orientales de Bogotá. 

La forma en que los incendios forestales afectan a la provisión de bienes y servicios ecosistémicos es ocasionando la pérdida de condiciones propicias para su regeneración; la vegetación quemada muchas veces no se regenera (^{Castillo et al., 2003}), asimismo, puede verse afectada la provisión del agua, debido al cambio de uso del suelo (^{Oyarzún, Nahuelhual y Nuñez, 2005}).

Incendios forestales. Para la construcción del componente final de incendios forestales se usaron datos como la causalidad, determinada por el porcentaje de generación del fuego debido a las quemas, el tránsito de vehículos, fumadores e intencionalidad. En la figura 7 se presenta el resultado de la modelación; esta sugiere que los componentes para iniciar un fuego se relacionan de manera que, cuando hay el combustible necesario (bosque), cuando se dan acciones para la generación de fuego (causalidad y cambio de uso del suelo) y hay poca cantidad de agua en el suelo (infiltración), es factible la presencia de un incendio forestal. Estas condiciones se dan en los meses de enero, agosto y noviembre (Ec. 9). En los últimos doce meses del estudio, la ocurrencia no fue alta, debido a la gran cantidad de lluvias; la infiltración es mayor al igual que el cambio del uso en el suelo y la deforestación, pero al no tener todos los componentes no hay evidencia su interacción.

Figura 7 Modelación del número de incendios de los Cerros Orientales de Bogotá. 

El fuego es un proceso de disturbio con fuerte influencia en la estructura composición y dinámica forestal. Por esta razón, la modelación debe ser considerada como una herramienta para orientar en acuerdos de protección y prevención de incendios (^{Altamirano et al., 2013}). Autores que han modelado los incendios forestales, como ^{Villers (2006)}, indican que los componentes que pueden influenciar la generación de un incendio son la distribución de los combustibles forestales. Esta es una de las variables más difíciles de modelar dados sus continuos cambios, la humedad de los combustibles, determinada por la precipitación, y la interceptación y el tiempo atmosférico.

A su vez, la vegetación es dependiente del clima directa e indirectamente. Varios estudios han demostrado el aumento de incendios forestales durante eventos del fenómeno El Niño, los cuales afectan tanto la cobertura vegetal como las características físico-químicas de los suelos. Pero el clima también está fuertemente determinado por las características de la vegetación (^{Vélez et al., 2002}). En cuanto a la causal de los incendios, estudios como los de ^{Alvear (2004)} y ^{Martín, Chuvieco y Aguado, (1998)} mencionan que la causalidad estimada de incendios forestales está dada por las actividades humanas, quemas, fogatas y fumadores, además de que se tiene en cuenta la clase de ecosistema disturbado.

Variabilidad climática e incendios forestales. Los resultados de la modelación muestran que la disminucion de la precipitación (épocas de verano y fenómeno El Niño) incentivan los incendios forestales a causa de la alta produccion de necromasa, en especial, la generada por el retamo espinoso. De igual manera, se aprecia la actividad antrópica como factor generador de incendios forestales, con un impacto negativo importante sobre la disponibilidad de bienes y servicios ecosistemicos.

^{Zárate, Cordero, Kozanoglu y Lara, (2012)} integraron la hidrodinámica, la transferencia de calor y de masa, incluyendo el fenómeno de la combustión en la modelación y llegaron a iguales resultados que en este estudio.

La relación entre la variabilidad climática y los incendios forestales en los Cerros Orientales es directamente proporcional, dado que las variables establecidas para la modelación de los incendios son afectadas directamente por el Fenómeno El Niño. Por ejemplo, un déficit de precipitaciones afectará el ciclo hidrológico, de forma que el número de incendios modelado sea igual o mayor. Esto concuerda con lo indicado por ^{García, Piñeros, Bernal y Ardila, (2012)} respecto a que, con el incremento en la temperatura, la vulnerabilidad a estos fenómenos es considerable.

El comportamiento del clima está ligado a la toma de decisiones con respecto a la continua emisión de gases de efecto invernadero, sumada a la precisión que tengan los modelos predictores del clima (^{Posada, 2007}). Por esta razón son importantes los procedimientos de fortalecimiento de las medidas de prevención a los incendios forestales aún sin conocer las magnitudes de cambio, con respecto a la reducción de la oferta hídrica.

Otro aspecto a tener en cuenta sobre esta relación es el impacto que tiene la variabilidad climática sobre la vegetación, siendo la más importante por la probabilidad de cambio de la distribución de especies, la migración, la sustitución y la extinción, de manera que su nivel de respuesta cambiará ante la ocurrencia de un fenómeno de incendio forestal tal como lo expresaron ^{Flanningan, Stocks y Wotton, (2000)}.

La mayoría de los incendios forestales son de origen antrópico, puesto que la cantidad de horas luz y la inclinación del sol sobre los Cerros Orientales no podrían generar un fenómeno de tal magnitud (^{CAR, 2007}), sin embargo, los parámetros naturales influyen en la propagación de estos cuando son causados por procesos de negligencia humana.

La tabla 7 establece la relación de las variables y los resultados obtenidos con la modelación dinámica.

Conclusiones

Las variables elegidas para modelar el número de incendios forestales como balance hídrico, cobertura vegetal, servicios ecosistemicos, retamo espinoso e incendios forestales son precisas. Se encontró que la cantidad de incendios aumentará conforme se mantengan los cambios en el uso del suelo, la propagación de la especie retamo espinoso y se presente una temporada de sequía por largo tiempo.

Proponer la actualización periódica de datos sobre la cobertura vegetal, como el área por tipo de especie y las acciones silviculturales podrían presentar un modelo más actualizado. Para este mismo fin, sería importante integrar los nuevos valores de los periodos del fenómeno El Niño.

El componente de retamo espinoso es uno de los más influyentes, puesto que no depende del balance hídrico para su incremento o dismunución, mientras que sí puede generar cambio sobre las coberturas vegetales, servicios ecosistémicos e incendios forestales.