Área de estudio

El área de estudio abarcó la microcuenca Zoquiapan del Parque Nacional Zoquiapan, ubicada en la región hidrográfica XVIII del río Balsas sobre la cuenca del río Atoyac. La microcuenca se encuentra en las coordenadas UTM extremas 2137115 al Norte, 2122190 al Sur, 544888 al Este y 532075 al Oeste; tiene una superficie de 8 087 ha en los municipios de Ixtapaluca, Chalco y Tlalmanalco en el Estado de México, así como en Tlahuapan y San Salvador el Verde en Puebla.

La microcuenca tiene relieve complejo y alturas que varían de 2 400 hasta 4 642 m, lo que significa un gradiente de más de 2 000 m. El origen volcánico es dominante con clase ígnea extrusiva derivando en suelos profundos del tipo andosol, pero es posible encontrar suelos muy delgados como litosoles en algunas pequeñas superficies. Los climas dominantes son semifríos del grupo de los templados con verano fresco y largo. La lluvia anual varía de 1 000 a 1 500 mm, mientras que la temperatura media oscila entre 10 y 14 °C, aunque es posible encontrar lugares con 5 a 10 °C (^{Instituto Nacional de Estadística y Geografía [INEGI], 2009}, ²⁰¹³, ²⁰¹⁴).

Las características anteriores se reflejan en los usos de suelo dominantes. De acuerdo con el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (^{INEGI, 2005}) hay siete categorías: bosque de oyamel, bosque de pino, bosque de pino-encino, pastizal inducido, bosque de oyamel con vegetación secundaria, pradera de montaña y usos agrícolas. En el programa de manejo del mismo año se indica que dominan cuatro asociaciones vegetales: asociación de oyamel Abies religiosa (Kunth) Schltdl. & Cham., asociación de aile Alnus firmifolia Fernald, asociación de Pinus hartwegii Lindl. y asociación de P. hartwegii - A. firmifolia.

Proyección y probabilidad de cambio de uso de suelo en Zoquiapan

El análisis inició con la obtención de dos imágenes de satélite de diferentes fechas, correspondientes al sensor Landsat (disponible en http://glcf.umd.edu/). Las imágenes seleccionadas con mejor nitidez y baja nubosidad fueron las del 21 de marzo del 2009 y 7 de marzo de 1989, ambas con resolución de 25 m. Las imágenes se procesaron en el software IDRISI© (^{Eastman, 2012}), donde primero se hizo una combinación en falso color utilizando las bandas 1, 2 y 3. Después se hizo una clasificación no supervisada con el mismo número de clases conocidas previamente: bosque, pastizal y uso agrícola. El proceso se repitió para ambas imágenes con el cuidado de tener la misma superficie del área estudiada, resolución y número de clases. La clase forestal estuvo constituida por especies arbóreas como oyamel, pino, encino y sus asociaciones. La clase pastizal se refiere a comunidades vegetales donde predominan los pastos con pocos árboles y arbustos que pueden ser producto del desmonte de terrenos boscosos, también es posible encontrar zacatonal montano, donde Lupinus montanus Kunth, Agrostis, Festuca y Muhlenbergia dominan. La clase agrícola se refiere a actividades agrícolas dependientes de la lluvia para la producción anual, conocida principalmente como agricultura de temporal de maíz.

Siguiendo la metodología de ^{Eastman (2012)} se aplicó el comando Markovian transition estimator en el software IDRISI© con el fin de conocer la matriz de transición de los usos de suelo en la microcuenca Zoquiapan, considerando el periodo 1989-2009, para proyectar el uso de suelo en el año 2020 con un error de 5 %. Según ^{Levin et al. (2009)} , cuando sean i y j dos estados de una cadena de Márkov, la probabilidad estará dada por P(X _n+1) = j(X _{n = 1}), denotada por pij(n, n+1) que representa la probabilidad de transición del estado i en el tiempo n, al estado j en el tiempo n+1. Estas probabilidades se conocen como las probabilidades de transición en un paso. Cuando las probabilidades pij(n, n+1) no dependen de n, se dice que la cadena es estacionaria u homogénea en el tiempo. Por simplicidad se asume tal situación de modo que las probabilidades de transición en un paso se escriben como pij. Por ejemplo, variando los índices i y j sobre el conjunto de estados {0, 1, 2} se obtiene la matriz de probabilidades de transición:

P=p00p01p02  p10p11p12p20 p21p22

La entrada (i, j) de esta matriz es la probabilidad de transición (ij); en otras palabras, la probabilidad de pasar del estado i al estado j en una unidad de tiempo. Un estado es estable cuando ya no hay cambios en el sistema; es decir, se alcanza el equilibrio. Una manera posible de obtener la condición estable del sistema es repetir los cálculos iterativamente para cada periodo con el fin de hallar el que cuente con aquellas probabilidades que se mantengan constantes o no cambien .

Cuando se aplican las cadenas de Márkov primero se debe verificar si la cadena alcanza el estado estacionario. Como las observaciones que se generan son dependientes, se debe dar tiempo para que la cadena se estabilice. Esto significa que se debe correr cierto número de iteraciones como “periodo de calentamiento” en la cadena y después obtener su estacionalidad y convergencia. Para tener una idea de sí se está alcanzando un estado estacionario, lo más sencillo es realizar algunas gráficas. Por ejemplo, podrían graficarse promedios de alguna función de interés, tal como 1k∑i=1kh(xi) , que por el teorema ergódico, deberían situarse alrededor de E(h(X)) a medida que n crece. En este caso, para encontrar la distribución estacionaria se generó la matriz de transición para el año 2010, se obtuvieron las probabilidades iniciales (pi) con los datos de uso de suelo de 2009 y se realizaron 10 000 iteraciones de una cadena de Márkov a tiempo discreto utilizando el programa R (^{R Development Core Team, 2016}). Después se calculó la media ergódica de dicho proceso (adimensional). Una vez obtenido el vector estacionario -por medio de la media ergódica como se ha tratado en otros estudios (^{Bouchard-Côté, Vollmer, & Doucet, 2017}; ^{Saldi, Linder, & Yüksel, 2013})-, se tomó un dato al azar por cada 10 observaciones, para obtener una muestra de 1 000 y estimar su respectiva matriz de transición en el programa IDRISI©. En consecuencia, el lapso analizado comprendió 20 años y tres categorías de uso de suelo: forestal, pastizal y agrícola, y una estimación a un año con un rango de error de 0.05. Esto es, la matriz de transición para el año 2010 tiene como datos de referencia las clasificaciones de uso de suelo del año 2009, para lograr una predicción con error del 5 %.

Proyección y probabilidad de cambio de uso de suelo en Zoquiapan

La Figura 1 muestra las imágenes satelitales de los años 1989 y 2009, donde se observa que el uso de suelo dominante es el forestal seguido por el pastizal y el agrícola. Esto mismo lo encontró ^{Virgen-Cobos (2016)} , quien señala que las asociaciones de especies presentes en la Estación Forestal Zoquiapan son oyamel, pino, pino-aile, pino-encino y pino-oyamel.

Figura 1 Clasificación de uso de suelo y vegetación en la microcuenca Zoquiapan, con base en las imágenes satelitales de 1989 (superior) y 2009 (inferior). 

En la Figura 1, el uso de suelo sin vegetación se refiere a la superficie sin cobertura (203 ha), cercana al volcán Iztaccíhuatl. De acuerdo con los resultados, en los 20 años estudiados, el área agrícola se redujo 1.86 ha; es decir, permaneció prácticamente igual en el periodo 1989-2009. Cabe señalar que en el primer año se tenían 522 ha que correspondían a 6.45 % de la superficie. En lo que se refiere a los pastizales, la superficie también se redujo 88.63 ha al pasar de 208.3 ha, que correspondían a 2.5 % de la microcuenca Zoquiapan, a 119.7 ha. El uso de suelo forestal, en consecuencia, incrementó su superficie en prácticamente 90.5 ha, como se observa en el Cuadro 1.

Los resultados son similares a los obtenidos hace algunos años. De acuerdo con el análisis sobre el cambio de uso del suelo elaborado por ^{Lomas-Barrié et al. (2005)}, en general, la cobertura vegetal se mantuvo sin cambios durante el periodo de 1977 a 2000. Las cubiertas vegetales que mejor se mantuvieron fueron el bosque mixto, pastizal y el bosque de Abies. Por su parte, el Consejo Civil Mexicano para la Silvicultura Sostenible (^{CCMSS, 2008}) indicó que, en el periodo 2000-2007, la agricultura en la zona de influencia del parque Izta-Popo perdió 28 ha de superficie agrícola, aproximadamente, y que se detectaron cambios de uso de suelo en tan solo 1.35 % de la superficie. De este modo, con los resultados obtenidos en el presente trabajo, es posible señalar que el área de Zoquiapan no ha tenido algún cambio agresivo de uso de suelo desde 1977, año de los primeros estudios con imágenes de satélite.

De acuerdo con ^{Villegas, Muñoz, Muñoz, Gallo, y Ponce (2011)}, debido a las prácticas legales de conservación de áreas naturales protegidas, las tasas de transformación son bajas en comparación con las áreas sin protección. La microcuenca Zoquiapan se encuentra dentro de dos subzonas de manejo del Parque Nacional: subzona de recuperación y subzona de preservación (^{SEMARNAT, 2013}). En estas subzonas, algunas de las actividades no autorizadas y relacionadas con la modificación de la cobertura vegetal son las siguientes: abrir senderos, brechas o caminos; aprovechamiento forestal, salvo para colecta científica y uso doméstico; construir obras públicas y privadas; dañar, cortar y marcar árboles, salvo para las actividades de investigación científica; extraer flora y fauna viva o muerta, así como otros elementos biogenéticos, salvo para autoconsumo o colecta científica; ganadería, incluyendo el pastoreo; realizar actividades cinegéticas o de explotación de especies de flora y fauna silvestres sin autorización, salvo para el aprovechamiento de recursos naturales con fines de autoconsumo.

Otro factor por el cual hay baja probabilidad de cambio de uso de suelo son las reforestaciones constantes durante el periodo de análisis. De acuerdo con la Manifestación de Impacto Ambiental del Programa de Manejo para el Aprovechamiento de Arbolado Muerto, se hizo una reforestación en el año 2004 del orden de 10 ha y se propuso reforestar 65.4 ha para el año 2006 (^{Universidad Autónoma Chapingo, 2005}). Posteriormente, en abril del año 2010, y en seguimiento a un estudio técnico por contingencia ambiental del Parque Nacional Izta-Popo, Zoquiapan y Anexas, la SEMARNAT indicó la ejecución de labores de reforestación. Esta se hizo con especies nativas al azar, con distanciamiento homogéneo que evitara la competencia entre ellas y con densidad forestal de 1 600 plantas·ha^-1; también se reforestaron los claros menores de 100 m². Cabe mencionar que dicho estudio planteó la reforestación durante tres años consecutivos en 325 ha (^{Tejada-Nichols, 2010}).

El Cuadro 2 presenta los resultados de transición por tipo de uso de suelo dominante. La matriz de transición analiza la información de los años 1989 y 2009, para ser usadas después en la proyección al año 2020. Lo anterior considerando que las condiciones externas al análisis se mantengan similares a las observadas. De acuerdo con la matriz se observa que la probabilidad de que el bosque permanezca como tal para el año 2020 es de 94 % (en 5 613 ha). La probabilidad de que el pastizal se mantenga es de 88 % (en 874 ha), mientras que la del área agrícola es de 91 % (en 284 ha). Lo anterior sugiere que hay probabilidades elevadas de que los usos actuales permanezcan; es decir, de seguir con la tendencia actual, se espera que las coberturas dominantes se mantengan para el año 2020.

En lo que se refiere a los cambios, no se proyectan de un uso agrícola hacia el forestal ni viceversa. Esto se puede atribuir al carácter de conservación de la mayoría de la superficie analizada. La población cercana al área de Zoquiapan reconoce el valor de los ecosistemas forestales en la prestación de servicios ambientales. Por otra parte, el cambio de uso de suelo agrícola a pastizales es el de mayor probabilidad, con 9 % para 324 ha. Esto quizá se explica en el momento en que se abandona una parcela agrícola, ya que comienza un proceso de sucesión ecológica y los terrenos son cubiertos inicialmente por los pastos.

La Figura 2 muestra el comportamiento de la media ergódica; se observa que el periodo estable se alcanza después de las 400 iteraciones. La estimación de la media ergódica promedia los estados de la cadena de Márkov (bosque, pastizal o agricultura) cada 10 iteraciones y los grafica para hacer visible el momento en el cual dichos estados convergen y dejan de cambiar. Los valores presentados en el Cuadro 2 provienen del estado estable, el cual se alcanzó después de 600 iteraciones en la media ergódica.

Figura 2 Media ergódica de 1 000 iteraciones de una cadena de Márkov a tiempo discreto. 

Como fue señalado hace algunos años por ^{Orantes y Musálem (1982)} , quienes consideraron en su estudio árboles de 50 años de edad, el campo experimental Zoquiapan presenta arbolado de calidad media a alta con alturas de más de 20 m. Con el paso de los años y de acuerdo con los esfuerzos de conservación que se han realizado en la zona, en la presente investigación se constató que las coberturas han permanecido prácticamente sin cambio. No obstante, la región es susceptible a incendios forestales (^{Castañeda, Endara, Villers, & Nava, 2015}; ^{Rodríguez Trejo, 2001}) e incluso a cortas clandestinas de madera y ataque de plagas (^{SEMARNAT, 2013}).

Consideraciones para el manejo forestal de la microcuenca Zoquiapan

El área forestal analizada se encuentra dentro de las subzonas de preservación y uso público del Parque Nacional Iztaccíhuatl-Popocatépetl, donde el aprovechamiento forestal no está permitido, salvo para colecta científica y uso doméstico. Sin embargo, existe una manifestación de impacto ambiental que permite hacer cortas selectivas de arbolado muerto con el propósito de mantener las condiciones fitosanitarias del bosque (^{Universidad Autónoma Chapingo, 2005}). . En este sentido, se recomienda hacer reforestaciones con especies nativas para mantener la cobertura vegetal, debido a que es un área susceptible a la erosión hídrica por el factor pendiente que es superior al 26 %. También se recomienda hacer brechas cortafuego e implementar planes de limpia y saneamiento forestal. La conservación de la zona es prioritaria, ya que en las cañadas se distribuye el enebro azul (Juniperus monticola fo. compacta Martínez), especie bajo protección especial de acuerdo con la NOM-059-SEMARNAT-2010 (^{SEMARNAT, 2010}).

El área de pastizal se encuentra en la subzona de uso público del Parque Nacional Iztaccíhuatl-Popocatépetl, donde la ganadería no está permitida. No obstante, esta actividad, aunque de bajo impacto, se realiza abiertamente, por lo que es necesario establecer un programa de manejo del pastizal por medio de la restauración y recuperación de la cubierta vegetal.

En las áreas agrícolas, la pendiente es moderada por lo que se recomienda implementar prácticas de conservación de suelo y agua, como labranza de conservación, terrazas, surcados al contorno y rotación de cultivos. Cabe señalar que el área agrícola no se encuentra dentro de los límites del Parque Nacional Iztaccíhuatl y Popocatépetl.

Una problemática que no se ha logrado erradicar es la ganadería extensiva que causa sobrepastoreo, afectando la regeneración natural. Una alternativa podría ser la definición de áreas agroforestales aptas para tal actividad e impulsar un manejo sustentable que considere la capacidad de carga. La exclusión de áreas al pastoreo requiere cercar zonas propicias para la regeneración natural. Según ^{Serrada (2003)} , la compactación del suelo es un factor que dificulta la regeneración natural, pues impide el contacto de la semilla con la tierra mineral y el enraizamiento adecuado. La presencia de desechos orgánicos, hojarasca y ramillas también evitan el contacto de la semilla con la tierra, así como la presencia de la cobertura herbácea densa que, además, causa competencia entre especies. Las condiciones propicias para la regeneración natural se pueden generar mediante acciones de mejora de suelo que reduzcan su compactación, tales como la escarificación y quemas controladas.

Por otro lado, se sugiere reforestar con especies nativas aquellas áreas con densidad forestal baja, para incrementarla hasta 1 600 plantas por hectárea. El crecimiento de los bosques conlleva aumento en las tasas de intercepción y mayor infiltración de humedad en los suelos; además, una estructura balanceada de los rodales proporciona hábitat para la fauna silvestre, contribuyendo al incremento de la biodiversidad.

De acuerdo con ^{Aguirre (1997)} es importante mantener árboles moribundos, muertos y caídos de grandes dimensiones para preservar las especies asociadas a los mismos, que pueden estar distribuidos en una fracción del rodal formando bosquetes sobremaduros. También indica la prevención de incendios forestales mediante la reducción en la acumulación de materiales combustibles y el uso de brechas cortafuego, líneas negras, podas, chaponeos, aclareos o quemas prescritas. Finalmente, es importante que la Estación Forestal Zoquiapan continúe con sus objetivos fundamentales de enseñanza, investigación, conservación y, sobre todo, de manejo sustentable de los recursos naturales.