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Introducción
Conocer la dinámica climatológica del pasado es importante para determinar su variabilidad en el tiempo, tendencias y posible comportamiento venidero (Villanueva-Díaz et al., 2007). Los parámetros del clima y eventos climáticos extremos ocurridos en el pasado son difíciles de determinar mediante registros de estaciones climáticas, ya que generalmente no superan los 70 años de extensión y muestran serios problemas de calidad y ausencia de información, aun por varios años consecutivos (IMTA, 2009). Una forma para extender la información climática en el tiempo es mediante el uso de fuentes proxy o fuentes indirectas, una de ellas y de alta resolución, la constituyen los anillos de árboles, que fechados al año exacto de su formación pueden generar reconstrucciones paleoclimáticas con árboles vivos y muertos que superan los últimos 10 000 años (Bradley, 1999).
Las reconstrucciones dendroclimáticas desarrolladas para el norte de México se extienden por cerca de mil años e indican una influencia significativa en la variabilidad interanual y multianual de la precipitación invernal de la tele-conexión de El Niño Oscilación del Sur (ENSO, por sus siglas en inglés), con dominancia de periodos secos durante la fase fría de ENSO y condiciones húmedas, cuando domina la fase cálida (Cleaveland et al., 2003; Méndez y Magaña, 2010; Villanueva et al., 2014).
El impacto de la influencia de ENSO, sin embargo, no es uniforme en toda la región, debido al efecto fisiográfico que ejercen los sistemas montañosos como las sierras Madre Occidental y Oriental, condiciones que modifican y modulan la influencia de este y de otros fenómenos circulatorios, pero que en algunas zonas de Durango y Chihuahua pueden explicar más de 30 % de la variabilidad en la precipitación invierno-primavera (Cleaveland et al., 2003; Villanueva et al., 2014; Díaz-Ramírez et al., 2016).
La repercusión de las sequías a través de los años en la estabilidad social y económica de civilizaciones en México, hace necesario contar con un mejor conocimiento de la variabilidad interanual y multianual del clima, que afecta, particularmente, la disponibilidad hídrica para el consumo humano, así como para la producción de alimentos (Endfield y Fernández, 2006). Los análisis dendroclimáticos pueden definir la frecuencia de estas sequías extremas, su comportamiento pasado y sus tendencias; tal información contribuye al desarrollo de estrategias de mitigación de eventos hidroclimáticos extremos y de larga duración que probablemente se presenten en años venideros.
La presente investigación se realizó en tres estados ubicados en el norte de México, donde el agua es un recurso limitado para las actividades humanas.Al respecto, es fundamental hacer una planeación adecuada de los recursos hídricos para mitigar problemas de disponibilidad a futuro, particularmente, si se considera la influencia del cambio climático en esa región, en la que se pronostican condiciones de mayor aridez (Seager et al., 2009; IPCC, 2014).
Las reconstrucciones hidroclimáticas específicas en sitios que pueden proporcionar información para áreas aledañas, en especial para cuencas productoras de agua, como es el caso del presente estudio, enriquecen el conocimiento de la variabilidad del clima en la región centro-sur de Nuevo León, parte de Coahuila y occidente de Durango; tres zonas semiáridas en el norte de México que aportan agua para el desarrollo de actividades agropecuarias, agricultura de riego y consumo humano.
Por lo anterior, los objetivos de la presente investigación fueron: 1) analizar la influencia de variables climáticas en el incremento radial de Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco; 2) generar reconstrucciones dendroclimáticas en los sitios de estudio; y 3) analizar el impacto de fenómenos atmosféricos de circulación general en la variabilidad interanual y multianual del clima en esa región, así como la frecuencia de eventos hidroclimáticos extremos.
Materiales y Métodos
Área de estudio
Las áreas de estudio (Figura 1) son las siguientes:
Figura 1 Ubicación geográfica de los sitios de muestreo de Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco en el norte de México.
1) Cerro El Potosí (CPOT), ubicado a 3 670 msnm a 15 km del municipio Galeana, al sur del estado de Nuevo León (24°50’35’’-24°53’16’’ latitud norte; -100°13’12’’, -100°15’12” longitud oeste). El sitio pertenece a la Sierra Madre Oriental, subprovincia de la Gran Sierra Plegada, en donde la precipitación media anual es de 400 a 600 mm y la temperatura media anual de 12 °C a 18 °C (García y González, 1991).
2) Paraje Puentecillas (PNT), el cual se localiza en la zona de Santa Bárbara, municipio Pueblo Nuevo, al sur del estado de Durango. Se ubica en los límites del ejido El Brillante, coordenadas 23º39’ latitud norte y -105º25’ longitud oeste. Esta zona se considera la de mayor precipitación en el estado, pues recibe de 1 000 a 1 200 mm anuales. La temperatura media anual es de 12 °C, la media más fría de 8 °C y la más extrema de 22 °C (Gordon, 1968; INEGI, 2005).
3) Sierra de Zapalinamé (SZAP), en las coordenadas geográficas 25°15'00"-25°25'58.35" latitud norte y -100°47'14.5", -101°05'3.8" longitud oeste; sistema que forma parte de los municipios Saltillo y Arteaga, es aledaña a la ciudad de Saltillo. La temperatura media anual es de 18 °C, y la precipitación media anual de 498 mm (Meganck et al., 1981).
Trabajo de campo
El muestreo se realizó de manera selectiva con árboles ≥ 20 cm de DAP en un intervalo altitudinal de 2 500 a 3 100 m. Algunos criterios para la selección consistieron en que los especímenes tuvieran un fuste cilíndrico, de preferencia, para evitar problemas de liberación y compresión, arraigados a suelos someros y con aspecto longevo, lo cual se presume tiene más potencial para generar series dendrocronológicas lo más extenso posible y con alta sensibilidad climática (Constante, 2015). De cada árbol seleccionado se sacaron tres incrementos radiales o núcleos de crecimiento (virutas) con un taladro de Pressler marca Haglöf Sweden de 5 mm de grosor.
Trabajo de laboratorio
Las muestras se procesaron mediante técnicas dendrocronológicas convencionales (Stokes y Smiley, 1968) en el Laboratorio de Dendrocronología del Centro Nacional de Investigación Disciplinaria Relación Agua, Suelo, Planta, Atmósfera, Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias (Cenid-RASPA, INIFAP) y en el Laboratorio de Captura de Carbono de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Autónoma de Nuevo León (FCF-UANL).
Las muestras o virutas se montaron con pegamento en molduras de madera, sujetándolas con cinta adhesiva para evitar que se torcieran durante el secado y se distorsionaran los límites del crecimiento anual, por efectos de la pérdida de humedad. Posteriormente, se lijaron con diferentes grados de lijas (300 a 600) y se pulieron de forma manual para facilitar la observación de los anillos de crecimiento a través de un estereomicroscopio Leica EZ4D de alta resolución.
Se realizó un conteo de los crecimientos, mediante gráficos y se asignaron fechas tentativas a cada uno (prefechado). La medición de los anillos se hizo con el sistema de medición VELMEX de precisión 0.001 mm, con el software MeasureJ2X para Windows (Voortech, 2014). Los datos de la medición de los anillos de crecimiento se analizaron con el programa COFECHA (Holmes, 1983; Grissino, 2001), para verificar la calidad del fechado al correlacionar periodos de 50 años con traslape entre periodos de 25 años (Holmes, 1983).
Para la eliminación del ruido producido por efectos biológicos (edad) y geométricos (un fuste cada vez mayor), las series se normalizaron mediante el programa ARSTAN, con una doble estandarización, que incluyó, en primera instancia, una curva exponencial negativa y líneas rectas de regresión positiva o negativa (Cook, 1985). Los valores de dividir el valor de medición entre el valor resultante de la curva, se conoce como índices dendrocronológicos y muestran una media cercana a la unidad y varianza homogénea (Fritts, 1976).
Con el programa ARSTAN, se generaron tres versiones de la cronología: estándar, residual y Arstan; cada una de ellas se calculó de manera específica. Dichas series pueden ser usadas con fines de reconstrucción climática, particularmente la cronología residual, en la que se ha eliminado la autocorrelación entre series (Cook, 1985).
Una vez obtenidas las cronologías para los tres sitios, se realizó un análisis de correlación con registros de precipitación de estaciones climáticas aledañas a cada sitio de estudio, con el fin de identificar una posible relación significativa entre ambas variables con fines de reconstrucción climática; así, se determina la presencia de eventos o periodos de sequía que impactarán el norte y otras regiones de México, para argumentar sobre las posibles causas de dicho comportamiento.
Para definir el período de lluvia que influye en el crecimiento de la especie, se utilizaron registros de estaciones climáticas cercanas a los sitios de colecta, las cuales se escogieron de la base de datos del Sistema Meteorológico Nacional, compilado en el programa Extractor Rápido de Información Climatológica (ERIC III) del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA, 2007). Se seleccionaron estaciones cercanas a las áreas de estudio, a fin de integrar una base de datos de precipitación media mensual a nivel regional. Las elegidas para el estado de Coahuila fueron: San Antonio de las Alazanas (SMN), San Antonio de las Alazanas (DGE), El Tunal, Jame y Saltillo; para Durango: La Peña, La Ciudad, El Salto 10093, El Salto 10025, Santa Bárbara 2 y Llano Grande; por último, para Nuevo León, se identificaron tres: 18 de marzo, Mimbres y Galeana.
Los datos considerados fueron la precipitación mensual del período 1954-1999 (46 años) para Coahuila, 1975-2004 (30 años) para Nuevo León y para Durango el período 1963-1985 (23 años) (Cuadro 1). Con dicha información, se realizó un análisis de correlación para detectar los meses o periodo estacional en el que se tenían relaciones significativas entre las series de tiempo dendrocronológicas y los datos climáticos instrumentales.
Cuadro 1 Estaciones climáticas empleadas para el estudio.
| Estaciones climáticas | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Área | Nombre | Latitud N (grados) |
Longitud W (grados) |
Altitud (m) |
Período (años) | % datos |
| Nuevo León | Pablillo, Galeana | 24.917 | -100.400 | 512 | 1975-2004 | 97.5 |
| Coahuila | San A. de Alazanas (DGE) | 25.267 | -100.617 | 2170 | 1954-1999 | 86 |
| Durango | La Peña, Pueblo Nuevo | 23.550 | -105.400 | 2670 | 1963-1985 | 96.4 |
Para la generación de la reconstrucción total del período por sitio, se hizo un análisis de regresión lineal entre las cronologías estándar de anillo total y en la longitud total de los datos climáticos disponibles. Debido a la corta extensión de los registros de precipitación, solo se realizó el proceso de calibración para generar la ecuación de reconstrucción. El proceso de verificación se hizo en los datos reconstruidos con información de reconstrucciones dendroclimáticas disponibles realizadas previamente, para cada uno de los sitios de estudio; así como, con registros de documentos históricos de producción de alimentos, problemas de epidemias en humanos y conflictos sociales (Endfield y Fernández, 2006); además de índices reconstruidos de sequía para México (Stahle et al., 2016).
A las reconstrucciones de precipitación, se les ajustó una curva flexible (spline) con una rigidez de 67 %, la cual conserva 50 % de la varianza, esta curva se suavizó a nivel década para resaltar eventos multianuales de escasez de agua relacionados con sequías presentes en la reconstrucción.
De igual manera, se correlacionaron los datos de la cronología general con el Índice de Oscilación del Sur (SOI, por sus siglas en inglés) (NOAA, 2016), ya que este fenómeno tiene un alto impacto en la variabilidad climática en el norte de México (Díaz et al., 2002; Cleaveland et al., 2003), y con una reconstrucción de 1 100 años de índices anuales normalizados del fenómeno ENSO (Li et al., 2011;KNMI, 2017).
Resultados y Discusión
Se fechó un total de 114 series de crecimiento, extraídas de árboles vivos de Pseudotsuga menziesii (29 para CPOT, 45 para PNT y 40 para SZAP). Los resultados de COFECHA indicaron una intercorrelación entre series de 0.72 para CPOT; el resultado es satisfactorio, particularmente, si se compara con series dendrocronológicas de la especie generadas en otras montañas del norte y noreste de México, que señalan valores de intercorrelación entre series de 0.75 (Canizales, 2011; Villanueva et al., 2010). Para el área de SZAP se obtuvo una intercorrelación entre series de 0.70, registro similar a los valores de 0.71 y 0.72 citados por Villanueva et al. (2009).
Para PNT, la intercorrelación entre series fue de 0.56, valor inferior al documentado por Cerano et al. (2012) de 0.70, a pesar de haberse observado fluctuaciones en este parámetro originados por variaciones en el crecimiento. De cualquier manera, el valor de intercorrelación entre series fue superior al señalado por Holmes (1986), que es de 0.32 (p<0.01) para considerar las series dendrocronológicas perfectamente fechadas.
Respecto a los periodos en que se tiene un tamaño de muestra estadísticamente bueno con fines de reconstrucción, mejor conocido como Señal Expresada de la Población (EPS, por sus siglas en inglés), el período confiable para el sitio PNT es de 1919 a 2014 (profundidad de muestra de nueve núcleos); para SZAP, de 1916 a 2015 (>6 núcleos) y de 1940 a 2015 (>5 núcleos) para CPOT (Figura 2).
La línea horizontal punteada se refiere a la media de las cronologías (valor alrededor de 1.0); la línea continua en color gris obscuro representa el valor del índice anual de las cronologías; la línea flexible en color obscuro es el spline o línea flexible decadal y la línea contínua quebrada es el tamaño de muestra involucrado en la obtención de cada índice anual.
Figura 2 Cronologías estándar de anillo total para los sitios SZAP (a), CPOT (b) y PNT (c).
Función de respuesta
Con base en la asociación entre los índices de crecimiento de anillo total y para los datos de precipitación acumulada mensual previo y durante la estación de crecimiento para cada uno de los sitios, se determinó que el período de lluvia que incide de manera significativa (p<0.05) en el crecimiento de la especie corresponde al de invierno-primavera, que involucra la precipitación acumulada de enero-mayo para PNT y SZAP; para CPOT la mayor correlación se obtuvo para el lapso estacional enero-julio; es decir, su crecimiento está influenciado por la precipitación que ocurre en la época fría del año; mientras que el impacto de la lluvia de verano parece ser mínimo.
En el presente estudio no se analizó la relación entre la madera y la precipitación de verano, que pudiera tener mayor efecto en la formación de esta banda de crecimiento. La lluvia correspondiente al periodo invierno-primavera, se caracteriza por ser de baja intensidad y larga duración; lo que le permite no rebasar la tasa de infiltración y ser retenida en la matriz del suelo, por lo que está disponible al inicio y durante las primeras etapas de crecimiento y formación de madera temprana. En las áreas de estudio, la precipitación del intervalo invierno-primavera constituye alrededor de 50 % del total anual (Figura 3).
Figura 3 Coeficiente de correlación entre el índice de ancho de anillo de Pseudotsuga menziesii en las áreas de estudio con la precipitación mensual obtenida de estaciones climáticas cercanas a los sitios de estudio.
Una respuesta de las coníferas a la precipitación invierno-primavera, se ha descrito con anterioridad para la Sierra de Arteaga, el Cerro El Potosí (Villanueva et al., 2010), y para La Cuenca del río El Presidio (Díaz-Ramírez et al., 2016), donde para diferentes períodos estacionales de precipitación se describen correlaciones positivas con el crecimiento de madera temprana; es decir, enero-abril, enero-mayo y enero-agosto; aunque en la investigación que aquí se documenta, únicamente se midió el ancho total del anillo, los resultados son similares. Por otra parte, para los sitios PNT y SZAP difieren de lo registrado por Constante et al. (2009) y Cerano et al. (2012), quienes realizaron una reconstrucción de la precipitación para la parte alta de la cuenca del río Nazas en Durango y para el sureste de Coahuila, en la que establecieron una asociación positiva entre el índice de ancho de anillo y la precipitación mensual acumulada de diciembre del año previo y enero del año actual de crecimiento. En este estudio, al correlacionar el índice de ancho de anillo total y la precipitación acumulada, se obtuvieron coeficientes negativos para el mes de diciembre, no obstante que PNT mostró coeficientes negativos para noviembre, no así para SZAP.
Reconstrucción de la precipitación
La correlación entre los datos de precipitación invierno-primavera observados y los índices dendrocronológicos de la versión estándar indicaron un valor de 0.79 para CPOT (n=27, p<0.001), 0.89 para SZAP (n=44, p<0.001) y 0.85 para PNT (n=23, p<0.001); estos valores son indicativos de la alta asociación que tienen ambas variables y estadísticamente indican un buen potencial para generar un modelo de regresión con fines de reconstrucción de precipitación en la longitud de la cronología, con un EPS>0.85 (Figura 4).
El gráfico superior (a) corresponde al sitio SZAP (período 1954-1999), el de en medio (b) corresponde a CPOT (período 1975-2004) y el inferior (c) a PNT (período 1963-1985).
Figura 4 Comportamiento de los datos reconstruidos vs índices de anillo total en su versión estándar para cada uno de los sitios de estudio.
Los modelos utilizados para la reconstrucción incluyeron los registros de precipitación de los periodos de 1975-2004 para CPOT, de 1963-1985 para PNT y de 1954-1999 para SZAP. Para CPOT, se obtuvo un r= 0.79 (r2= 0.62, p<0.0001) entre los registros de precipitación y los índices de anillo. PNT presentó un r= 0.85 (r2= 0.72, p<0.0001) y por último SZAP, r= 0.89 (r2= 0.79, p<0.0001). Las tres series explican al menos 60 % de la variación en la cantidad de lluvia que ocurre en el período estacional invierno-primavera. Los modelos de regresión para los lapsos antes mencionados se consideraron válidos, en términos estadísticos con fines de reconstrucción (Cuadro 2).
Cuadro 2 Estadísticos de la regresión.
| CPOT | PNT | SZAP | |
|---|---|---|---|
| Correlación de Pearson | 0.79 | 0.85 | 0.89 |
| R2 | 0.62 | 0.72 | 0.79 |
| R2 ajustado | 0.61 | 0.68 | 0.77 |
| Error típico | 55.29 | 134.15 | 66.48 |
| Observaciones | 27 | 23 | 44 |
Los modelos de regresión lineal utilizados fueron los siguientes:
Donde:
Yi = Valor de la precipitación reconstruida (mm) para un año específico
Xi = Índice estandarizado de ancho de anillo
Detección de periodos secos
Al aplicar los modelos lineales se generaron los datos reconstruidos en la extensión de las cronologías con EPS >0.85. Los datos para el sitio CPOT cubren el lapso 1940-2015 (75 años) (Figura 5), cuando se detectaron periodos de sequía importantes, como los de 1945-1964, 1973-1978, 1995-2003 y 2007-2014. Estos resultados son coinciden con los de Arreola-Ortiz et al. (2010) y de Canizales (2011). También, se detectaron etapas de sequía de 1993 a 1998 y de 2008 a 2014, correspondientes al efecto de El Niño. En el lapso de 1945 a 1964 se registró una de las sequías más severas ocurridas en el norte y centro de México (Díaz-Ramírez et al., 2016), y que, como consecuencia, propició un grave desempleo en gran parte del territorio, razón por la cual se inició la migración masiva o “bracerismo” hacia los Estados Unidos de América (Florescano et al.,1995).
La línea punteada se refiere a la precipitación media en el área, la de color gris indica la precipitación reconstruida para el período total de la cronología y, por último en color negro resalta los periodos de sequía a nivel década detectados en la reconstrucción.
Figura 5 Identificación de eventos secos para CPOT.
En cuanto al sitio PNT (Figura 6), la etapa reconstruida 1919-2014 (95 años) señala periodos de sequía importantes, como los ocurridos de 1919 a 1924, de 1948 a 1963, de 1969 a 1979, de 1988 a 2001 y de 2008 a 2014. Intervalos que coinciden con los considerados por Díaz-Ramírez et al. (2016) para la región hidrológica Presidio-San Pedro, en donde los autores indican la presencia de escasez de agua intensa en las décadas de 1920, 1950 y 1990. De 1982 a 1983 tuvo lugar un evento intenso de ENSO, que provocó sequías para casi todo el país (Magaña et al., 1999), efecto también detectado en esta reconstrucción. Periodos similares, los han consignado Cerano et al. (2012) para el norte de México.
La línea punteada se refiere a la precipitación media en el área, la de color gris indica la precipitación reconstruida para el período total de la cronología y, por último en color negro resalta los periodos de sequía a nivel década detectados en la reconstrucción.
Figura 6 Identificación de eventos secos para el sitio PNT.
Por último, para SZAP (Figura 7) la reconstrucción se extiende de 1916 a 2015 (99 años), y en ella coinciden las etapas secas detectadas en las reconstrucciones previas; es decir, 1916-1919, 1926-1933, 1948-1960, 1970-1980, 1994-2000 y 2008 a 2014. Periodos que han sido abordados por Villanueva et al. (2011), con lo que se corrobora que una de las más importantes sequías registrada en el norte de México sucedió en de 1950-1965 a consecuencia de un evento intenso de ENSO, y se le considera la más intensa del siglo XX (Stahle et al., 2011); porque causó severos daños socioeconómicos, no sólo a la población de Durango, sino también a estados aledaños como Chihuahua y Coahuila (Magaña et al., 1999).
La línea punteada se refiere a la precipitación media en el área, la de color gris indica la precipitación reconstruida para el período total de la cronología y por último, la línea suavizada flexible en color negro resalta los periodos de sequía a nivel década detectados en la reconstrucción.
Figura 7 Eventos de sequía para el sitio SZAP.
Correlación con ENSO
ENSO es uno de los fenómenos circulatorios con mayor influencia en el comportamiento de la variabilidad climática del norte de México (Méndez y Magaña, 2010; Stahle et al., 2016). En este estudio se determinó una relación positiva entre los índices de ENSO (KNMI, 2017) y el crecimiento de los árboles, en la que las correlaciones observadas estuvieron entre 0.41 y 0.44 (Figura 8).
La línea gris corresponde a la cronología generada para el sitio SZAP, mientras que la de color negro corresponde a la cronología de CPOT, y en rojo la de PNT. La intensidad de los índices de ENSO se indica en una línea suavizada de color verde militar.
Figura 8 Periodos de sequía influenciados por ENSO en el norte de México.
De acuerdo con el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC, 2014), a partir de 1960 los fenómenos atmosféricos a nivel mundial estuvieron más relacionados con el crecimiento de las masas forestalesen el ámbito local; de igual manera, los periodos de sequía registrados en la presente investigación, se relacionan con la tele-conexión de ENSO, la cual es significativa en el norte y centro de México; por ejemplo, las sequías más notorias ocurridas en los periodos 1945-1960, 1969-1979, 1998 y 2011, se relacionan con la influencia de dicho fenómeno.
Conclusiones
Aunque las cronologías de anillo total se extendieron en un intervalo de 75 a 99 años, su longitud no fue limitante para reconstruir algunos de los episodios secos más intensos ocurridos durante el siglo XX y la primera década del siglo XXI. Estas reconstrucciones corroboran a las sequías con datos reconstruidos e instrumentales que indican su carácter regional y que, por su amplitud e intensidad, afectaron de manera severa las condiciones sociales y económica de los asentamientos humanos en el norte de México, que sufrieron hambrunas generalizadas, y con ello, el inicio de la migración masiva a centros urbanos y hacia los Estados Unidos de América. Esas sequías, por su carácter regional, son provocadas por fenómenos climáticos de amplio alcance, uno de ellos es ENSO, que a través de sus tele-conexiones afecta los sitios estudiados de manera significativa.
El área de impacto en la que inciden los fenómenos circulatorios tiene repercusiones serias en las estabilidad social y económica de las poblaciones que habitan dichas regiones; de esta manera, conocer la frecuencia histórica de esos fenómenos, su intensidad y duración permite tomar medidas preventivas con fines de mitigación ante eventos climáticos similares determinados en las reconstrucciones y que no están presentes en los registros instrumentales, lo cual es crucial para la toma de decisiones.
