Área de estudio

La zona de estudio se ubica en la comunidad de San Pablo Ixayoc, en el municipio de Texcoco, Estado de México (Fig. 1). El área de estudio se localiza a los 19° 26’ 42” de latitud norte y 98° 46’ 45’’ de longitud oeste, a una elevación de 2970 m snm. El clima es templado subhúmedo con lluvias en verano (Cw₂), con una temperatura media anual de 15 °C (^{García, 1998}). La vegetación corresponde a bosques naturales de encinos (Quercus rugosa y Q. laurina.) y plantaciones forestales de pino (Pinus teocote, Pinus montezumae, Pinus patula y Pinus radiata), con vegetación secundaria de pastos y algunos individuos de otras especies arbóreas, como Cupressus lusitanica, Arbutus xalapensis y Alnus firmifolia. El material parental del suelo corresponde a cenizas volcánicas de naturaleza intermedia según la clasificación de ^{Heinrich (1972)}. El suelo se clasificó como un Umbric Andosols (Siltic) (^{The International Union of Soil Science [IUSS], Grupo de Trabajo de la World Reference Base [WRB] (2015)}.

Figura 1 Localización del sitio de estudio. 

Trabajo de campo

El área de estudio resultó afectada por un incendio forestal que ocurrió durante cinco días, entre el 2 y 6 de abril de 2017. Durante el tercer día se efectuaron recorridos de campo en donde los comuneros permitieron el acceso y se seleccionaron los sitios de muestreo. En el cuarto y quinto día se realizó la colecta de muestras y en la noche de este último día se presentaron precipitaciones lo cual transformó las condiciones inmediatas e in situ generadas por el incendio y limitó continuar con el muestreo.

Con base en la propuesta de la ^{Conafor (2010)} se seleccionaron un total de 12 sitios con diferente intensidad y tipo de vegetación. En bosque de Quercus se ubicaron 6 sitios: no afectado (QNA), afectados por incendios superficiales (QIS) e incendios de copa (QIC), así como zonas partículas en donde los árboles se consumieron en su totalidad: árbol base (AB), árbol caídos (AC) y zona adyacente (AA), donde el color de cenizas era más claro que el resto de la zona. En cada sitio se registraron características morfológicas de la hojarasca y de las cenizas (color y espesor) y se excavó el horizonte superficial del suelo (0 cm - 10 cm de profundidad) para evaluar el cambio de color.

En las plantaciones de Pinus sp. (Pinus teocote, Pinus montezumae., Pinus patula y Pinus radiata), se seleccionaron 6 sitios: no afectado (PNA), afectados por incendios superficiales (PIS) e incendios de copa (PIC) y dentro de los incendios de copa se seleccionaron sitios con asociaciones pino-pastizal, pino Cupressus lusitanica y pino Arbutus xalapensis Además, se analizó un hueco de árbol (30 cm de diámetro por 80 cm de profundidad), que quedó después de que se consumió totalmente la raíz principal y donde se registró una temperatura > 200 °C. Por su morfología, estos huecos se denominaron “Hornos”.

En cada sitio seleccionado se colectaron de manera aleatoria cinco muestras compuestas de suelos alterados y muestras inalteradas utilizando cajas tipo Kubiena de los primeros cinco centímetros de profundidad. En el “Horno” se obtuvieron cuatro muestras de la cara adyacente a lo que fue la raíz a diferentes profundidades 0 cm - 5 cm, 10 cm - 30 cm, 30 cm - 60 cm y > 60 cm, con base en su color y consistencia. Cada muestra se guardó en bolsas de polietileno y se etiquetaron para su posterior análisis en laboratorio y elaboración de secciones delgadas.

Trabajo de laboratorio

Estimación de la temperatura alcanzada en los suelos. Esta parte del estudio comprende dos etapas: experimento térmico y análisis mineralógico de muestras de suelos afectados y no afectados por incendios forestales.

Experimento térmico. Consistió en pesar 50 g de suelo de los bosques no afectados (sin tamizar y con restos de material vegetal) y se colocaron en crisoles; posteriormente, las muestras fueron sometidas a tres temperaturas: 250 °C, 500 °C y 750 °C utilizando una mufla (Scorpion Scientific). ^{Giovannini y Lucchesi (1997)} recomiendan que primero se alcance la temperatura deseada en la mufla y luego se coloquen las muestras de suelo al choque térmico durante 30 min.

Análisis mineralógico. Tanto la fracción arenosa como la arcillosa se obtuvieron mediante el análisis de textura con el método de la pipeta americana. Las arenas gruesas (500 μm - 1000 μm) se separaron con un tamiz y se montaron en un portaobjeto. Los minerales se identificaron a través de sus propiedades ópticas (transparentes, opacos y de color) utilizando un microscopio petrográfico con cuatro fuentes de luz: polarizada plana (LPP), polarizada cruzada (LPC), incidente (LI) y fluorescencia (FL). Los granos minerales se contabilizaron cuadrante por cuadrante (0.5 mm²) hasta alcanzar 100 granos y se obtuvieron sus porcentajes. La fracción arcillosa se obtuvo de la arcilla en suspensión, para ello se extrajo un alícuota (1 ml) y se depositó en un portaobjetos para que se orientaran. Estas metodologías fueron extraídas del Manual de ^{Van Reeuwijk (2002)}. Las arcillas orientadas fueron colocadas en el equipo de rayos X (marca GBC 122D) empleando la técnica de barrido a una velocidad de 4° min^-1, desde 2° hasta 60° y los minerales se identificaron a través de sus ocho principales reflexiones utilizando la base de datos del ^{International Centre for Diffration Data [ICDD] (2002)}. Finalmente, a través de estadísticas descriptivas se comparó la mineralogía de cada fracción de todas las muestras analizadas y se estimó la temperatura alcanzada durante el incendio forestal con base en la formación, destrucción y abundancia de los minerales.

Análisis de las propiedades edáficas. Las muestras de suelo se dejaron secar a la sombra a temperatura ambiente; posteriormente, se maceraron y tamizaron para obtener la fracción de tierra fina del suelo (< 2 mm). Las propiedades analizadas fueron: pH (1:2.5, suelo: agua); porcentaje de carbono orgánico (CO) y materia orgánica (MO) (Walkley-Black), capacidad de intercambio catiónico (CIC) y bases intercambiables Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, K⁺, Na⁺ (acetato de amonio). Además, se determinó el nitrógeno total Nt (micro-Kjeldalhl), fósforo soluble P (Olsen), carbonatos totales CaCO₃ (titulación rápida de Piper), color (carta de colores Munsell), textura (pipeta americana), retención de humedad RH (olla de presión) y densidad aparente Dap (probeta). Todas las metodologías fueron extraídas del manual de procedimientos de ^{Van Reeuwijk (2002)}.

Análisis micromorfológico. Las muestras inalteradas secas se impregnaron con resina poliéster insaturada y monómero de estireno (proporción 7:3) y posteriormente se elaboraron secciones delgadas (7 × 5.5 × 30) µm, utilizando la metodología de ^{Murphy (1986)}. Los componentes básicos del suelo que se describieron fueron: estructura, porosidad, minerales y materia orgánica con base en los conceptos y terminología de ^{Stoops (2003)}. Además, las cenizas se analizaron en luz polarizada cruzada (LPC) para determinar su naturaleza cálcica y con Luz Fluorescente (UV) para establecer si son fosfatadas (^{Karkanas y Goldberg, 2018}).

Tipos de incendio

En la zona de estudio se encontró que el incendio forestal afectó a una vegetación natural de Quercus sp y plantaciones de Pinus sp. los cuales se mencionan en la Figura 2. La vegetación de Quercus sp. (Q) no afectada (QNA) es un bosque natural (Fig. 2a), en donde la hojarasca tiene un espesor de cinco centímetros, con moderada o ligera descomposición y su arreglo laminar y compacta. En el incendio superficial, la hojarasca se quemó parcialmente dejando residuos carbonizados y cenizas negras de un espesor de tres centímetros.

Figura 2 Sitios afectados y no afectado por incendios forestales bajo diferentes tipos de vegetación.  

La vegetación de Pinus sp. (P) no afectada (PNA) corresponde a una plantación forestal de los años setenta (^{Adame, Oropeza, Martínez, Santoyo y Ramírez, 2000}) y también hay una fracción que está asociada con pastizales (Fig. 2g). Además, en la superficie del suelo se presenta una gran cantidad de acículas, bien preservadas y pasto seco, con un espesor de tres centímetros. El incendio superficial (PIS) quemó parcialmente la hojarasca dejando residuos carbonizados y cenizas negras de dos centímetros de espesor (Fig. 2h); mientras en el incendio de copa (PIC) se depositó una capa de cenizas y residuos orgánicos piro-calcinados únicamente debajo del dosel (Fig. 2i), con cenizas blancas, negras y grisáceas, de un espesor entre 2 cm a 3 cm.

La vegetación de bosque de Quercus sp. y Pinus sp. afectada por el incendio superficial alcanzó a quemar a los árboles hasta 1.5 m de altura (Fig. 2b y h); mientras que en el incendio de copa (Fig. 2c, i y j) se consumió totalmente el follaje de los árboles y se depositaron en el suelo residuos carbonizados y cenizas. Además, en Quercus sp., el incendio quemó los árboles hasta reducirlos a cenizas, dejando únicamente la base del tronco (AB) (Fig. 2d) o bien los árboles cayeron consumiéndose en el suelo y dejaron su huella de cenizas (AC) (Fig. 2e). En Pinus sp. en donde las raíces continuaron consumiéndose y se formaron huecos u “Hornos” (H), se presentó policromía en sus paredes desde amarillos hasta rojizos (Fig. 2k y l). En otros sitios, los pinos asociados con pastizales al quemarse dejaron cenizas blancas y grises (PPIC; Fig. 2i); mientras que en otras especies como Arbutus xalapensis (AXIC) y Cupressus lusitanica (CUIC) perdieron totalmente su follaje y quedó alrededor del árbol material calcinado y cenizas negras (10YR2/2) de un espesor de 3 cm y 5 cm respectivamente. Finalmente, tanto en bosque de Quercus como en plantación de Pinus el efecto de los incendios fue mayor en pendientes altas de las laderas.

Estimación de la temperatura de los incendios forestales a través de la mineralogía

La fracción gruesa de los sitios estudiados está compuesta por vidrio volcánico, feldespatos, ferromagnesianos (hiperstena, hornablenda, biotita y olivina) y cuarzo (Fig. 3a). Los minerales se fueron fragmentando con el incremento de la temperatura (Fig. 3b), se opacaron (Fig. 3c) y se tornaron rojizos (Fig. 3d) formado pseudoarenas. Los minerales que ocurren en los incendios superficiales y de copa no presentan minerales opacos, ni fragmentación como ocurre en las muestras de suelo no afectado; mientras que las arenas de los hornos se parecen en las características que presentan las arenas sometidas a temperaturas > 500 °C (Fig. 3d).

Figura 3 A) Fracción arenosa en sitio no afectado por incendios en LPC; b) fragmentos de arenas en choque térmico a 750 °C, en LPP; c) los minerales y las pseudoarenas son opacos y no reflejan la luz en LPC); d) los mismos minerales y pseudoarenas ahora reflejan colores rojizos en luz incidente. c) y d) corresponden a arenas del horno de un incendio de copa en pino. Longitud del marco 2.9 mm.  

En la Figura 4 se puede apreciar cómo los minerales aumentan o disminuyen sus porcentajes de manera regular de acuerdo con el incremento de la temperatura; es decir, mientras los vidrios volcánicos, feldespatos y cuarzo disminuyen, las pseudoarenas se incrementan considerablemente, desde 0 en suelo no afectado hasta 88% a temperaturas de 750 °C. Con base en el comportamiento del vidrio volcánico y opacos se puede indicar que los incendios superficiales como de copa de ambos tipos de vegetación no sobrepasaron los 250 °C. En condiciones específicas, las temperaturas oscilaron entre 250 °C y 500 °C en los encinos que continuaron incinerándose hasta su destrucción y en las capas superficiales de los hornos (H1 y H2); mientras que en las capas más profundas de los hornos (H3 y H4), se estima que las temperaturas alcanzadas fueron más altas (500 °C y 750 °C).

Figura 4 Mineralogía de la fracción gruesa de muestras de campo y de tratamiento térmico en bosque de Quercus sp; NA = no afectado; I = incendios; S = superficial; C = copa; AC= árbol caído; AA= árbol adyacente; AB = árbol base; H1 = 0 cm a 10 cm; H2 = 10 cm a 20 cm; H3 = 20 cm a 40 cm y H4 = de 40 cm a 50 cm. 

La fracción fina está integrada por minerales primarios como: cristobalita y cuarzo, feldespatos, ferromagnesianos (biotita, augita e hiperstena) y minerales secundarios como halloysita y óxidos de Fe como ferrihidrita. Con el experimento térmico se encontró que halloysita y ferrihidrita solo ocurren a < 250 °C; augita e hiperstena y hematita solamente dominan entre 250 °C y 500 °C y los feldespatos y cuarzo son abundantes > 500 °C. Con base en la destrucción, formación de hematita y dominancia de los minerales, principalmente de los óxidos de Fe y ferromagnesianos, las temperaturas alcanzadas en los incendios forestales se pueden agrupar en dos. Grupo 1 (< 250 °C), integrado por incendios superficiales y de copa de cualquier tipo de vegetación y Grupo 2 (> 250 °C) en donde la incineración continuó ya sea en árboles caídos como en hornos.

Propiedades edáficas

Los cambios y tendencias en las propiedades químicas y físicas de ambos tipos de vegetación también están relacionados con la temperatura como se puede observar en la Figura 5. En el Grupo 1, el pH se alcaliniza ligeramente (de 6.1 a 7.2), aumentan los contenidos de MO (de 11.5% hasta 12.9% en Q y de 5.3% hasta 7.91% en P) y los fosfatos disponibles (por ejemplo, en QIC fue de 39.0% a 72.6 %); mientras que disminuyen la CIC (hasta 6.6 cmoles kg^-1 en Q y hasta 12.4 cmoles kg^-1 en P) y el PSB (de 23.5% a 17.4% en P). Los colores son pardos oscuros y la clase textural se conserva en franco limosa; aunque el porcentaje de limos incrementa hasta 25% y la arena disminuye 19%.

Figura 5 Propiedades físicas y químicas del suelo en dos tipos de vegetación; Q = Quercus sp. P = Pinus sp.; NA = no afectado; I = incendios; S = superficial; C = copa; AC= árbol caído; AA = árbol adyacente; AB = árbol base; H1 = Horno 0 cm - 5 cm; H2 = Horno 10 cm - 30 cm; H3 = Horno 30 cm - 60 cm; H4 = Horno > 60 cm; AXIC= Arbutus xalapensis copa; PPIC= Pinus-pastizal copa; CUIC=Cupressus copa. 

En el Grupo 2, el pH se alcaliniza más el suelo (hasta 8.4 en Q y 7.8 en P) y disminuyen los contenidos de MO (de 11.5% a 3.9% en Q y de 5.27% hasta 0% en P) y el fosfato disponible (de 61.6% a 14.3% en Horno 4). En tanto que aumenta la CIC (hasta 7 cmoles kg^-1 en Q y hasta 12 cmol kg^-1 en P) y los cationes intercambiables como Na⁺ y K⁺ (dos y hasta siete veces más, en Q y P, respectivamente). Los colores se hacen más amarillos (7.5 YR) incluso rojizos (2.5 YR 5/4), e incrementa la fracción arenosa (de 19.1% a 71.7%) en detrimento de la fracción limosa y arcillosa. El contenido de humedad a capacidad de campo se reduce ligeramente (< 4%).

Micromorfología

En los sitios sin afectación de ambos tipos de vegetación predominan los residuos orgánicos de ligera a buena preservación, macro agregados migajosos granulares y poros de empaquetamiento compuesto (Fig. 6a). En los incendios superficiales los residuos se quemaron parcialmente (Fig. 6b), o se carbonizaron totalmente (Fig. 6c). En algunos casos el incendio no solo afectó a la hojarasca, sino también quemó agregados del suelo (Fig. 6d), incluso carbonizó las raíces sin afectar la matriz del suelo como ocurrió en incendios de copa (Fig. 6e). En las muestras del “Horno” hay un colapso de la estructura, la cual cambia a masiva reduciendo de manera drástica del porcentaje de poros de 30% en condición natural a 5% y sin presencia de componentes orgánicos en su interior (Fig. 6f).

Figura 6 Depósitos de acículas (A) parcial (B) o totalmente carbonizadas (C). Agregados quemados (D), raíces carbonizadas con una masa basal sin quemar (E) y estructura masiva (F) (B). Luz polarizada plana con una longitud del marco 5.3 mm. 

Componentes orgánicos y cenizas. Todas las muestras afectadas por incendios forestales presentaron deposición de material vegetal con distintos tamaños y grados de calcinación. Cuando la combustión es incompleta (Grupo 1), se depositaron residuos vegetales carbonizados en la superficie, en los que aún se diferencian órganos y tejidos vegetales (Fig. 7a y b). En el Grupo 2, como la incineración fue completa, se depositaron partículas muy finas en la superficie del suelo, con cenizas pardo-grisáceas (Fig. 7c), de naturaleza calcárea por su fábrica birrefringente cristalítica, como sucedió en Quercus (Fig. 7d), o bien con autoflorescencia como en Pinus (Fig. 7f).

Figura 7 Residuos carbonizados (A), con agregados quemados (B). Cenizas pardo claro (C) de naturaleza calcítica (D) o fosfatadas depositadas en el espacio poroso (E) y con auto fluorescencia (F). Luz polarizada plana (A, B, C y E), luz polarizada cruzada (D) y luz fluorescente (F). Longitud del marco 5.3 mm. 

Mineralogía y temperatura del incendio forestal

Los minerales se fragmentan por termoclasismo (dilatación y contracción) ya sea por su clivaje paralelo a las cadenas de la sílice que tienen los ferrogmagnesianos (^{Huang, 1989}) o por la presencia de agua estructural que tienen los vidrios volcánicos que se evapora a < 150 °C (^{Drees et al., 1989}). Además, estos minerales contienen Fe que al oxidarse opacan a otros minerales (^{Brownlow, 1996}). Estos procesos están relacionados con las temperaturas de ahí que se incrementen los fragmentos y los opacos o pseudoarenas hasta ser dominantes a 750 °C.

La mineralogía de los Andosoles es útil para estimar la temperatura alcanzada en un incendio forestal sobre todo por los óxidos de Fe (ferrihidrita, hematita y maghemita) y los ferromagnesianos (augita e hiperstena). Estos resultados concuerdan con otros estudios experimentales o de caracterización de las propiedades térmicas de estos minerales, por lo que se puede indicar que la ferrihidrita es un buen indicador de temperaturas < 250 °C (^{Taylor, 1990}), la hematita de 250 °C a 400 (^{Lide, 2001}) y los ferromagnesianos > 400 °C (^{Huang, 1989}) pero < 750 °C. En algunos pinares se pueden alcanzar temperaturas hasta de 1150 °C (^{Mataix-Solera y Guerrero, 2007}) en donde el cuarzo y los feldespatos se destruyen (^{Avgustinik, 1983}), pero este tipo de minerales fueron dominantes aún en los arboles caídos ni en la base del Horno (H3 y H4).

Temperatura del incendio y propiedades edáficas

En el Grupo 1, en los incendios superficiales, la química y morfología de la hojarasca de los encinos y pinos, no marcó diferencia térmica. El arreglo laminar de la hojarasca de los encinos (^{Villers-Ruíz, 2006}) y la rápida combustión de las acículas de los pinos (^{Wong y Villers-Ruíz, 2007}) evitan que la temperatura supere los 250 °C. Los cambios en el color de los suelos solamente alcanzaron los primeros cinco centímetros de profundidad, debido a que el suelo es un mal conductor térmico y la dirección de la flama y el calor es hacia arriba del suelo (^{Mataix-Solera y Guerrero, 2007}). En el Grupo 2, los incendios incandescentes pero duraderos, e independientes a la especie arbórea, solo ocurren sobre material combustible de mayor tamaño, como troncos y árboles caídos y generan cambios más drásticos en las propiedades del suelo (^{Neary et al., 2005})

Cenizas y propiedades del suelo

En los sitios del Grupo 1, la incorporación de cenizas con diferente grado de incineración determinó los cambios en las propiedades edáficas. El aporte de material vegetal total o parcialmente calcinado favoreció el aumento de la MO, como lo han indicado ^{Mataix-Solera y Guerrero (2007)}. El pH se incrementó, al igual que los cationes de potasio y sodio, resultados también encontrados por ^{Certini (2005)}. Además, las cenizas blanquecinas cálcicas, se originan por la precipitación de carbonato de calcio, sobre todo en vegetación de Quercus sp. La CIC aumentó debido a la liberación de cargas procedentes de la destrucción de los complejos órgano-minerales, así como un aumento de cationes (principalmente de calcio y magnesio) cuando la temperatura supera los 300 °C (^{Pereira, 2010}). Finalmente, el contenido de fósforo soluble aumentó drásticamente debido a su liberación durante el proceso de incineración del material vegetal (^{Heydari et al., 2017}) y trasformación de los minerales de rango corto que retienen fosfatos (^{Wada, 1989}). Sin embargo, también se presentó cristalización de ortofosfatos en las cenizas blancas de los pinos, los cuales se identifican por su autofluorescencia (^{Karkanas y Goldberg, 2018}). De acuerdo con ^{Brady y Weil, (1999)} los incendios constituyen una forma de reciclado de nutrientes.

Los cambios más drásticos se presentaron en el Grupo 2, donde la combustión de árboles y raíces duró más de 24 horas. La MO a esas temperaturas se desintegra completamente (^{Knoepp, Elliott, Vose y Linton, 2009}), al igual que el humus y disminuye la superficie de intercambio generando un descenso de la CIC (^{González, Fernández y Gimeno, 1992}). El aumento de sodio y potasio está relacionado con altas temperaturas; por ejemplo, ^{Pereira (2010)} indica que > 400 °C estos cationes se liberan de manera más prominente Finalmente, la pérdida de fósforo se atribuye a que el suelo se calentó por encima de su punto de volatilización durante un largo periodo de tiempo (Santín, Otero, Doerr y Chafer, 2017).

El cambio de color de algunas muestras se debe a la combinación del suelo con las cenizas de diferentes tonalidades, negras por carbonización (150 °C - 200 °C), grisáceas (300 °C - 500 °C) y blancas (>500 °C) cuando la incineración es total (^{Pereira, 2010}). Sin embargo, en los resultados encontrados, las cenizas grises y blanquecinas también se encontraron en los incendios superficiales y de copa que no superaron los 250 °C por lo que depende también del tipo de vegetación. De acuerdo con ^{Ulery y Graham (1993)} las coloraciones rojizas, como ocurre en las muestras del “Horno” o en la formación de pseudoarenas, se deben a las transformaciones de los óxidos de hierro.

La textura presentó dos procesos, en el Grupo 1 disminuyó el porcentaje de arena, que se atribuye a la fragmentación de los minerales en partículas más finas (limos) (^{Ulery y Graham, 1993}) y en el Grupo 2 incrementó drásticamente el porcentaje de arena por la fusión de partículas tanto de limos y arcillas, formando pseudoarenas o pseudotexturas, que ocurre a temperaturas mayores a 500 °C (^{Minervini, Morrás y Taboada, 2018}), con lo cual se altera la distribución de partículas y se modifica la clase textural (^{Ulery y Graham, 1993}).

El aumento en los niveles de retención de humedad de capacidad de campo (CC) se debe a la cantidad de cenizas depositadas en la superficie del suelo, en las que se presenta una gran cantidad de espacio poroso (microporos < 50 µm), el cual es apto para ser ocupado por el agua como lo indica ^{Balfour y Woods (2010)}.

En cuanto a su microestructura y porosidad, en el Grupo 1, los agregados de la parte superficial tuvieron contacto directo con el calor lo que causó micro explosiones y se disgregaron formando microagregados, provocadas por la expansión rápida del vapor del agua y aire en su interior. En el Grupo 2, los terrones con estructura masiva se formaron a temperaturas cercanas a los 500 °C, donde la combustión duró más de 24 horas. Estas estructuras son favorecidas por la presencia de hierro que se fusiona con los aluminosilicatos característicos del material parental de estos suelos (^{Giovannini y Luchchesi, 1997}).