Área de estudio

El estudio se desarrolló al suroeste de la RBSG entre el paralelo 21° 10´ N y el meridiano 99° 42´ W, al noroeste del municipio Pinal de Amoles, Querétaro (Figura 1). La zona de estudio alcanza una elevación de 3 100 m en su punto más alto y 2 600 m en su punto más bajo y forma parte de la provincia fisiográfica de la Sierra Madre Oriental. El clima predominante es templado subhúmedo con precipitación promedio que oscila entre 550 y 872 mm; el máximo registro se observa en verano con un periodo de sequía interestival (^{Instituto Nacional de Estadística y Geografía [INEGI], 2014}).

Figura 1 Localización geográfica del área de estudio en el suroeste de la Reserva de la Biosfera Sierra Gorda y de las estaciones meteorológicas empleadas en el análisis. 

Toma de muestras y su preparación

Las especies P. greggii y P. montezumae se seleccionaron por ser las más representativas del área. Con base en un muestreo selectivo, se consideraron los árboles más longevos, libres de daños mecánicos, plagas y enfermedades. Tres núcleos de crecimiento (virutas) se extrajeron de cada árbol con taladro tipo Pressler, de las cuales dos se obtuvieron con taladro de 5 mm de diámetro y uno con taladro de 12 mm a alturas variables según la apariencia saludable del fuste. En total se extrajeron 87 muestras de 29 árboles, 15 (45 radios) de P. greggii y 14 (42 radios) de P. montezumae.

Las muestras se montaron y pegaron en secciones acanaladas de madera cuidando que las fibras quedaran en posición perpendicular a los anillos de crecimiento. Cada muestra se pulió con diferentes granos de lijas (120-1200) para resaltar las estructuras de crecimiento anual y facilitar el análisis en el estereoscopio (^{Cerano et al., 2014}).

Las muestras se fecharon en laboratorio mediante las técnicas dendrocronológicas de ^{Stokes y Smiley (1968)}. Una vez realizado el prefechado, el ancho de anillo total se midió con un sistema VELMEX (modelo TA4030H1-S6, Velmex Inc., Nueva York, EUA) compuesto por una platina de fase deslizable, un codificador lineal con precisión de 0.001 mm integrado a un procesador PC y un estereoscopio con ocular reticulado, para definir los límites de cada anillo de crecimiento. La calidad del fechado se verificó con el programa COFECHA (^{Holmes, 1983}). La serie de índice de anillo o cronología por especie y combinada se generó con el programa ARSTAN versión 6.05P (^{Cook & Holmes, 1984}).

Función de respuesta climática y reconstrucción de la lluvia

En el análisis de la respuesta del crecimiento de P. greggii y P. montezumae a la precipitación se consideraron los registros de las estaciones meteorológicas más cercanas a la zona de muestreo que presentaran los registros más completos, y los valores de correlación más altos con la cronología. Dichas estaciones fueron Higuerillas, Peñamiller y Vizarrón del estado de Querétaro, y una del estado de Guanajuato en el municipio de Xichu (Figura 1; Cuadro 1). Los registros de estas estaciones se promediaron y se generó una base de datos regional (38 años, 1966-2003). Los datos se obtuvieron del programa Extractor Rápido de Información Climática III (ERIC) (^{IMTA, 2009}).

Por medio de un análisis de correlación entre los índices de anillo total de la cronología combinada y los datos observados de precipitación mensual y acumulada, se determinaron los meses que mejor se relacionaron con la cronología, así como el periodo del año que influyó de manera significativa en el crecimiento de los árboles (^{Fritts, 1999}). Una vez identificado el periodo de lluvia más influyente, se desarrolló una ecuación de transferencia lineal o modelo de reconstrucción climática. Con el objetivo de validar estadísticamente el modelo de reconstrucción climática, la ecuación lineal se aplicó al periodo de datos observados (1966-2003) y se desarrollaron dos pruebas estadísticas; una de calibración y otra de verificación entre la precipitación observada y la reconstruida. La calibración se realizó en la primera mitad de los registros climáticos observados (1985-2003). El éxito de la calibración se mide por el porcentaje de variación que la variable independiente (índice de anillo total) explica de la variable dependiente reconstruida (precipitación). En la mitad restante (1966-1984), se hizo la verificación con el objetivo de validar estadísticamente la reconstrucción climática (^{Fritts, 1999}).

Una vez determinada la significancia estadística, el modelo de regresión se aplicó a la totalidad de la serie y se generó una reconstrucción de la variabilidad de la precipitación histórica. A la serie de alta frecuencia de resolución anual se ajustó una curva decenal flexible para resaltar eventos de baja frecuencia, periodos secos o húmedos (^{Cook & Peters, 1981}). Los periodos secos y húmedos reconstruidos se cotejaron con otros trabajos dendrocronológicos generados para el centro y norte del país, y con documentos históricos.

La influencia de ENSO en la variabilidad histórica de la precipitación de la RBSG se analizó mediante la relación de la precipitación reconstruida y los índices Niño 3.4 (1894-2008), estimativos de la variabilidad del ENSO (^{Trenberth, Kevin, & National Center for Atmospheric Research Staff, 2016}). Para ello se emplearon gráficos de resolución anual y sus espectros potenciales de ondeleta generados con el programa MATLAB 6.5 (^{MathWorks, 2002}). Finalmente, empleando los datos del Mexican Drought Atlas (^{Stahle et al., 2016}), se generaron mapas de sequía para cuatro periodos con menor precipitación, con el objetivo de mostrar las condiciones climáticas a nivel nacional y verificar los eventos reconstruidos.

Calibración y verificación del modelo de regresión

El modelo aplicado para el periodo de datos observados y reconstruidos se validó mediante pruebas de calibración y verificación entre los datos observados y reconstruidos (Figura 3a). En el proceso de calibración del subperiodo 1985-2003, la correlación entre la precipitación observada y la reconstruida fue r = 0.72 y el modelo explicó 52 % de la variabilidad (R² = 0.52; P < 0.05) de la lluvia. La verificación en el subperiodo 1966-1984 presentó una correlación de r = 0.85, donde el modelo explicó 72 % de la variabilidad (R² = 0.72; P < 0.05). En el periodo total de precipitación observada y reconstruida, las variables tuvieron una correlación de r = 0.72 y el modelo explicó 52 % de la variabilidad de la precipitación (R² = 0.52; P < 0.01; Figura 3a) en el periodo 1966-2003. Puesto que ambos subperiodos del modelo presentaron correlaciones significativas, el modelo generado en el periodo total de datos climáticos (1966-2003) se consideró válido y se aplicó a la cronología total para reconstruir la variabilidad de la lluvia (Cuadros 2 y 3).

Figura 3 Precipitación reconstruida: a) calibración (subperiodo 1985-2003) y verificación (subperiodo 1966-1984) del modelo de regresión. b) Precipitación estacional invierno-primavera (enero-mayo) en 138 años para el suroeste de la Reserva de la Biosfera Sierra Gorda. La línea gris al fondo indica la variabilidad anual de la precipitación; la curva flexible en color negro es una línea suavizada en intervalos de 10 años (spline) para detectar eventos secos (precipitación por debajo de la media) o húmedos (precipitación por encima de la media); y la línea horizontal punteada indica la precipitación promedio (96 mm). Las áreas en color rojo muestran las sequías más fuertes y en color azul las precipitaciones mayores. 

Variabilidad de la precipitación reconstruida

La reconstrucción de la precipitación histórica de invierno-primavera para el suroeste de la RBSG, que comprende el periodo de 1877 al 2014 (138 años), indica variabilidad interanual (alta frecuencia) como resultado de la variación intrínseca del área de estudio; asimismo, hay variabilidad interdecadal (baja frecuencia) que resulta del impacto de eventos climáticos de escala regional y nacional (Figura 3b). Lo anterior se atribuye a fenómenos climáticos de circulación global de gran intensidad que afectan regiones amplias de México (^{Seager et al., 2009}; ^{Stahle et al., 2009}).

En la región estudiada de la RBSG se tiene evidencia de siete sequías en los últimos 138 años; una ocurrió a finales del siglo XIX, cuatro en el siglo XX, una a finales del siglo XX y principios del siglo XXI, y una más que inició en la segunda década del siglo XXI con tendencia a disminuir en el año 2014 (Figura 3b; Cuadro 4). Con respecto a la precipitación, se reconstruyeron eventos importantes para las décadas de 1960 y 1980; esta última fue la más húmeda de los últimos 138 años en la RBSG (Figura 3b; Cuadro 4).

Los periodos con disminuciones de precipitación más importantes para el suroeste de la Sierra Gorda en Querétaro coinciden con sequías reconstruidas en regiones tanto para el centro (^{Cardoza et al., 2014}; ^{Cerano et al., 2014}; ^{Cortés et al., 2012}) como para el norte de México (^{Cerano et al., 2009}, ^2011a; ^{Chávez-Gándara et al., 2017}; ^{Díaz-Ramírez, Villanueva-Díaz, & Cerano-Paredes, 2016}; ^{Seager et al., 2009}; ^{Villanueva-Díaz et al., 2015}). Lo anterior demuestra que los fenómenos climáticos en años específicos o periodos cortos han afectado regiones geográficas extensas y que con base en las series paleoclimáticas es factible conocer los alcances geográficos.

De las siete sequías reconstruidas en la RBSG, cuatro destacan por registrar la precipitación más baja en los últimos 138 años (1886-1887; 1951-1956; 1969-1973 y 2010-2012). Algunos trabajos paleoclimáticos han reportado que a finales del siglo XIX y principios del siglo XX (1886-1904) ocurrió una fuerte sequía en el centro de México, sobresaliendo el año 1887 como el más extremo (^{Cardoza et al., 2014}; ^{Contreras-Servín, 2005}). Lo anterior sustenta el primer periodo de sequía reconstruido (1886-1889) para esta región de Querétaro (Cuadro 4).

La década de 1950 representa la sequía más extensa en los últimos 138 años en la RBSG (Figura 3b). Los resultados concuerdan con lo reportado en reconstrucciones de precipitación tanto para el norte (^{Cerano et al., 2009}, ^2011a; ^{Seager et al., 2009}) como para el centro de México (^{Cerano et al., 2014}; ^{Cortés et al., 2012}), donde se reconstruyeron fuertes sequías en la década de 1950. La disminución de la precipitación en esta década se considera una de las sequías más generalizadas, de mayor amplitud espacial y de gran intensidad en México y en el sureste de Estados Unidos (^{Florescano, Cervera, & Arias, 1980}; ^{Stahle et al., 2009}).

Durante el periodo 1969-1973 se registró un evento de baja precipitación (Figura 3b) que concuerda con registros de sequías intensas en el centro (^{Cardoza et al., 2014}) y norte del país (^{Cerano et al., 2009}). Asimismo, ^{Florescano et al. (1980)} documentó, para dicho periodo, una crisis agrícola con efectos económicos y sociales negativos en gran parte del país como consecuencia de la sequía. En el presente trabajo, la sequía más reciente reconstruida fue para el periodo 2010-2015, sobresaliendo por su intensidad el año 2012. La ^{Secretaría de Gobernación (2012)}, a través del Diario Oficial de la Federación, reportó que en el año 2011 se registró la peor sequía en el norte y centro del país.

La Figura 4 muestra los mapas generados con los datos del Mexican Drought Atlas (^{Stahle et al., 2016}), para cada una de las cuatro sequías. Los resultados muestran la condición climática en la mayor parte del territorio nacional, sequías que se extendieron hasta la región de la RBSG. Los resultados validan la información reconstruida para los periodos con sequías más fuertes (1886-1887, 1951-1956, 1969-1973 y 2010-2012) y reafirman la importancia de las series paleoclimáticas, para analizar la variabilidad climática en una escala geográfica extensa.

Figura 4 Mapas generados con los datos del Mexican Drought Atlas (^{Stahle et al., 2016}), que muestran las condiciones de sequía a nivel nacional durante los cuatro periodos reconstruidos de menor precipitación en el suroeste de la Reserva Biosfera Sierra Gorda, Querétaro. En la escala, los valores -6 (color rojo) y 6 (color azul) indican condiciones mayores de sequía y humedad, respectivamente. Los mapas verifican la calidad de la reconstrucción. El área de estudio se indica con una estrella en color negro. 

Influencia de ENSO en la variabilidad de la precipitación

El espectro de ondeleta tanto para la precipitación (Figura 5a) como para El Niño 3.4 (Figura 5b) muestra periodicidades significativas (P < 0.05) de uno a siete años para finales del siglo XIX e inicios del siglo XX, y finales del siglo XX e inicio del siglo XXI; y de 16 a 24 años, a mediados del siglo XX. La coherencia de ondeleta entre la precipitación reconstruida y los índices de El Niño 3.4 muestra coherencia significativa (P < 0.05) para los periodos 1885-1905, 1937-1985 y 1937-2008 con frecuencias de 5-7 años, 14-20 años y 21-29 años, respectivamente (Figura 5c). Para estos periodos, ambos fenómenos coinciden en fase y tienen una relación positiva. Las sequías más fuertes y los eventos más húmedos reconstruidos para el suroeste de la RBSG han sido modulados significativamente (P < 0.05) por ENSO.

Figura 5 Espectros potenciales de ondeleta a nivel anual: a) precipitación reconstruida, b) índices Niño 3.4, y c) dominio de coherencia de ondeleta entre la serie de precipitación reconstruida y el índice Niño 3.4. Las áreas en color rojo delimitadas por una línea de color negro representan periodos con frecuencias significativas (P < 0.05) y las flechas orientadas hacia la derecha indican que ambos fenómenos están en fase (relación positiva). 

Resultados similares se han documentado en estudios paleoclimáticos del norte (^{Cerano et al., 2011a}; Chávez et al., 2017) y centro de México (^{Therrell, Stahle, Villanueva, Cornejo, & Cleaveland, 2006}), donde se han reportado eventos extremos de sequía con una recurrencia de 50 años, entre finales e inicios de siglo y a mediados de siglo. Para algunas regiones, esta recurrencia se ha observado durante los últimos 600 años (^{Cerano et al., 2011a}). Tal variabilidad modula la frecuencia de las sequías más fuertes en esta región del norte de Querétaro (Figura 3b; Cuadro 4). Es importante el desarrollo de este tipo de estudios en la región, para lograr un análisis más detallado de la variabilidad climática local y de la influencia de otros fenómenos climáticos de circulación general sobre la variabilidad de baja y alta frecuencia y disponibilidad de los servicios hidrológicos de la RBSG.