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Introducción
La estimación del caudal medio de un río, a partir de series de anillos de crecimiento de especies forestales, resulta interesante por las siguientes razones: (i) la posibilidad de realizar una reconstrucción histórica de la variabilidad del caudal medio en escalas de tiempo mayores a las de los registros de estaciones meteorológicas, (ii) establecer la línea base de los servicios ambientales hidrológicos en una región, (iii) obtener información confiable para establecer políticas de administración de recursos hidrológicos y (iv) comprender efectos del cambio climático sobre los recursos hídricos (Coulthard y Smith, 2016; Chen y Yuan, 2016; Chen et al., 2016; Ferrero, Villalba, De Membiela, Hidalgo y Luckman, 2015). Por otra parte, conocer la variabilidad del caudal de un río es importante, no solo con fines ecológicos, sino también con fines seguridad alimentaria ya que generalmente en las zonas bajas de una cuenca se encuentran áreas agrícolas y acuícolas (De la Lanza Espino, Rodríguez y Pérez, 2015).
El río Piaxtla es el segundo más importante de la costa del estado de Sinaloa (Frías-Espericueta et al., 2014) y su geomorfología especial (Murphy et al., 2006) da lugar a una riqueza en biodiversidad vegetal y animal (Domínguez-Domínguez, Vila, Pérez- Rodríguez, Remón y Doadrio, 2011; Ruiz-Campos, Camarena-Rosales, Varela-Romero, Sanchez-Gonzales y De La Rosa-Velez, 2003; Santiago-Reyes, Etter y Kristen, 2015; Santillán-Hernández et al., 2010). Dada la relación entre las zonas productivas agrícolas y mineras de las partes altas de la cuenca el río Piaxtla, surge la necesidad de realizar estudios para comprender la variación de su caudal medio y disponibilidad de agua (Frías-Espericueta et al., 2014). El río Piaxtla es importante por los servicios ambientales hidrológicos y de recreación que aporta a la región. Aunque actualmente la condición del río se considera ecológicamente estable por la baja presión de uso de agua (De la Lanza Espino et al, 2015) y por las tasas anuales de deforestación relativamente bajas (0.21%) (Monjardín-Armenta, Pacheco-Angulo, Plata-Rocha y Corrales-Barraza, 2017), la obtención de datos sobre la variabilidad histórica de su caudal es importante para establecer la línea base y caracterizar su variabilidad en el mediano y largo plazo, así como para conocer los cambios que pudieran poner en riesgo los recursos hídricos en un futuro.
La reconstrucción de datos hidroclimáticos mediante testigos climáticos o “proxies”, como son los anillos de crecimiento de los árboles, permiten extender la información en escalas de siglos y facilitan la identificación de eventos extremos de baja frecuencia del caudal, los cuales están ligados a la variabilidad climática a nivel geográfico y a probables efectos recientes de cambio climático (Castruita-Esparza et al., 2016; Cook, Seager, Cane y Stahle, 2007; Stahle et al., 2016).
En este trabajo se desarrolló la reconstrucción del caudal medio y precipitación estacional en la cuenca del río Piaxtla, en Sinaloa. Tanto la reconstrucción de la precipitación como la del caudal medio se realizaron a partir de la variación del ancho de anillos de crecimiento de árboles de Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco presentes en la cuenca de estudio. La hipótesis es que la información dendrocronológica de P. menziesii explica la variabilidad de la precipitación y del caudal medio del área de influencia del río Piaxtla. Con este propósito se emplearon registros de precipitación y de volúmenes del caudal medio, los cuales se correlacionaron con parámetros de anillos de crecimiento de P. menziesii y, a partir de estos datos, se realizaron reconstrucciones de precipitación y caudal medio para los últimos 400 años. Este tipo de estudios son útiles para generar conocimiento sobre la variación histórica del caudal y detectar tendencias que indiquen la necesidad de cambios de manejo en la cuenca o los riesgos en la disponibilidad de recursos hídricos. Ante la falta de información de estaciones de aforo en muchos lugares de México, los anillos de crecimiento permiten un estudio retrospectivo de la precipitación y del caudal medio en una cuenca (Villanueva et al., 2017).
Objetivos
Reconstruir el caudal medio y la precipitación estacional en la cuenca del río Piaxtla, a partir de la información de los anillos de crecimiento de P. menziesii y registros de precipitación y caudal medio, y explicar la relación de variables con respecto a fenómenos climáticos globales.
Materiales y métodos
Área de estudio
El río Piaxtla se ubica entre los 23°38’00” y 24°31’00” de latitud Norte y 105°19’00” y 106°50’00” de longitud Oeste (Fig. 1). El área de drenaje del río Piaxtla es de 6227 km2, de la cual, 40% y 60% se ubican los estados de Durango y Sinaloa, respectivamente. Las regiones que componen la cuenca son río Piaxtla-1 y río Piaxtla-2, con aportaciones principalmente de los arroyos Quebrada del Pilar, río Verde, Quebrada de la Vinata y Alameda y río Tayoltita. Sin embargo, este estudio se concentra en la región río Piaxtla-1que incluye bosques mixtos de coníferas y la cual drena una superficie de 4842.7 km2, con un volumen de escurrimiento de 981.7 × 103 m3, que se produce desde el nacimiento del río Piaxtla en altitudes de 2900 m (Comisión Nacional del Agua [Conagua], 2013).
Figura 1 Ubicación geográfica y climograma del área de estudio. El climograma muestra valores promedio y error estándar de las seis estaciones meteorológicas de la parte alta de la cuenca del río Piaxtla.
Los climas dominantes del área son el BS1(h) en la zona baja, que corresponde a un clima seco, con lluvias en verano, con un cociente P/T mayor a 22.9 y temperatura media anual mayor a 18 °C, la temperatura del mes más frío es menor a 18 °C (García, 2004). En la zona alta el clima es de tipo semicálido (A)C(w2)(w), con temperatura media anual mayor a 18 °C , régimen de lluvias en verano, con precipitación del mes más seco menor a 40 mm, el mes más húmedo es al menos 10 veces mayor en precipitación con respecto a la estación seca, con una relación P/T mayor a 55 (García, 2004; Fig. 1).
Muestreo
Se consideraron siete sitos de muestro a lo largo del parteaguas la Sierra Madre Occidental (SMO) (Fig. 1, Tabla 1), ubicados en terrenos que drenan hacia el Pacífico y que, por lo tanto, están asociados con los procesos hidrológicos de la cuenca del río Piaxtla. Aunque la vegetación natural se compone de bosques mixtos de coníferas de los géneros Pseudotsuga y Pinus, para este estudio únicamente se consideró información de Pseudotsuga menziesii que es una especie altamente sensible a la variación de la precipitación (Castruita-Esparza et al., 2016; Cleaveland, Stahle, Therrell, Villanueva-Diaz y Burns, 2003; González-Elizondo et al., 2005; Villanueva et al., 2014; Castruita-Esparza et al., 2019).
Tabla 1 Características generales de los sitios de muestreo, estaciones meteorológicas cercanas y estación hidrométrica del área de estudio
| Sitio | Latitud (grados) | Longitud (grados) | Altitud (m) | Extensión (años) |
| -------Series Dendrocronológicas------ | ||||
| Bagres | 23.563 | 105.959 | 2823 | 1746-2013 (268) |
| Cerro Huehuento | 24.076 | 105.737 | 2970 | 1552-2006 (455) |
| Cuevecillas-Culebras | 23.495 | 104.536 | 2300 | 1863-2012 (150) |
| Pito Real | 25.565 | 105.956 | 2700 | 1693-2003 (311) |
| Puentecillas | 24.318 | 105.919 | 2680 | 1573-2007 (435) |
| San Miguel de Cruces | 24.463 | 105.874 | 2609 | 1839-2013 (175) |
| Tarahumar | 25.574 | 106.346 | 2580 | 1724-2003 (280) |
| ------Estaciones Meteorológicas----- | ||||
| Las Truchas | 24.467 | 106.000 | 2300 | 1962-1985 (24) |
| Huahuapan | 24.500 | 105.967 | 1150 | 1966-1998 (39) |
| San Dimas | 24.133 | 105.967 | 1845 | 1961-1985 (25) |
| Peña del Aguila | 24.167 | 105.333 | 1896 | 1963-2003 (41) |
| Charco Verde | 23.967 | 105.450 | 2163 | 1954-1990 (37) |
| El Salto | 23.750 | 105.667 | 2538 | 1963-2003 (41) |
| ------Estación Hidrométrica------ | ||||
| Piaxtla | 23.933 | 106.425 | 164 | 1958-2009 (52) |
Entre paréntesis se indica los años de medición de datos
Red dendrocronológica
Las cronologías se procesaron de acuerdo con los métodos convencionales de dendrocronología (Grissino-Mayer, 2001; Stokes y Smiley, 1968). A partir de las siete series dendrocronológicas individuales de Pseudotsuga menziesii, se creó una sola serie dendrocronológica regional (CR) de anillo total, madera temprana y tardía (Tabla 1). La generación de la serie regional se fundamentó en significancia (p < 0.05) de las correlaciones simples entre series y en el hecho de que, al integrarlas en una sola base de datos y verificar su calidad de fechado con el programa COFECHA, se corroboró que todas las series mostraban una respuesta climática común (Fritts, 1976). Para fines de la calidad de fechado con COFECHA, se verificó que en todas las series se alcanzara el valor mínimo de correlación (r = 0.328 p < 0.01) (Holmes, 1983). La estandarización se realizó con el programa ARSTAN ajustando un modelo exponencial negativo (Cook, 1987). Se consideraron series dendrocronológicas ubicadas dentro y fuera de la cuenca del río Piaxtla (Fig. 1), dado que la variabilidad de los escurrimientos en una cuenca está correlacionada con las cuencas vecinas, como consecuencia del comportamiento del clima que generalmente afecta amplias extensiones geográficas (Cook y Jacoby, 1983; Woodhouse, 2001). La región donde se realizó este estudio es una de las más sensibles a escala mundial, para fines de reconstrucción dendroclimática, pues evidencia una alta correlación entre los anillos de crecimiento de coníferas y la precipitación (Wilson et al., 2010; Castruita-Esparza et al., 2019).
Datos de precipitación e hidrométricos
La información del caudal medio de la estación hidrométrica Piaxtla se obtuvo de la base hidrométrica BANDAS (Instituto Mexicano de Tecnología del Agua [IMTA], 2003). Los datos de precipitación se obtuvieron de la base ERIC III (IMTA, 2013), eligiendo seis estaciones meteorológicas (Fig. 1 y Tabla 1), las cuales se seleccionaron de acuerdo con los siguientes criterios: (i) cercanía a la cuenca del río Piaxtla; (ii) grado de correlación de los datos de precipitación anual con las bandas de crecimiento de madera temprana, madera tardía y anillo total, (iii) extensión de información hidroclimática y (iv) cercanía a la zona forestal en la cuenca de estudio. El promedio de estas seis estaciones meteorológicas se utilizó para representar las condiciones generales de precipitación en la zona de estudio. Las estaciones consideradas contaban con datos continuos de 34 años en promedio, dentro del período de 1961 a 2003. Aunque no todas las estaciones presentaban información en el mismo intervalo de tiempo, la correlación de la precipitación media mensual entre estaciones fue alta 0.9 (p < 0.01), con una estimación de precipitación media anual de 877 mm (± 93 mm) en la cuenca. Los valores de precipitación media mensual por estación se presentan en el Anexo 1.
Series de crecimiento y datos climáticos
Las series de crecimiento de madera temprana, tardía y de anillo total de la cronología regional (CR), en sus versiones estándar y residual, se compararon con los valores del caudal medio y con la precipitación media mensual estimada a partir de las seis estaciones climáticas seleccionadas. Se probaron diferentes combinaciones estacionales que incluyeron períodos de dos a doce meses, de tal forma que se pudiera identificar la secuencia de meses (período estacional) con la mayor correlación entre las variables precipitación y caudal medio con las series de ancho de anillo. Una vez que se maximizó la correlación entre las series de anillos y los datos de precipitación medidos y de caudal medio, se probaron modelos de regresión lineal para utilizarlos con fines de reconstrucción de caudal medio y precipitación en años donde aún no existían datos climáticos e hidrométricos.
Calibración y verificación de los modelos de reconstrucción
Los registros de caudal medio y de precipitación se dividieron en dos subperíodos; con el primer subperíodo (1979-2003, n = 25) se generaron ecuaciones de regresión para predecir caudal medio y precipitación a partir de las series de crecimiento en sus versiones estándar y residual, este proceso se conoce como calibración. El segundo subperíodo (1955-1978, n = 24) se empleó para predecir precipitación y caudal medio a partir de las ecuaciones generadas del primer subperiodo, este paso corresponde a la verificación. Para valorar el modelo de regresión del proceso calibración-verificación, se empleó el coeficiente de correlación de la calibración y verificación, la reducción del error, la prueba de “t” para comparar la media de datos reales y reconstruidos y la prueba de los signos para medir la efectividad con la que el modelo acierta en las predicciones. Estos son los principales estadísticos que se emplean en los estudios de reconstrucción (Chen y Yuan, 2016; Stahle y Cleaveland, 1992; Woodhouse, 2001).
Influencia de fenómenos circulatorios
Se probó la correlación entre la CR y los fenómenos circulatorios como El Niño Oscilación del Sur 3.4 (ENSO, por sus siglas en inglés), la Oscilación Decadal del Pacífico (PDO, siglas en inglés), la Oscilación Multidecadal del Atlántico (AMO, por sus siglas en inglés) y el Índice de la Severidad de Sequía de Palmer (PDSI, por sus siglas en inglés) (Magaña, 1999; Magaña, Vázquez, Pérez y Pérez, 2003; Seager et al., 2009; Stahle et. al.,2016; Stahle et al., 2011; Wilson et al., 2010).
Resultados
Red dendrocronológica
La información de las siete cronologías y la CR se resume en la tabla 2. La intercorrelación entre series varió de 0.60 a 0.76. La CR se extendió de 1552 a 2013 (462 años) y mantuvo parámetros aceptables para fines de reconstrucción climática (Fritts, 1976).
Tabla 2 Parámetros dendrocronológicos de las series de crecimiento de P. menziesii, distribuidas en la Sierra Madre Occidental y asociadas al río Piaxtla.
| Nombre del sitio | 1IC | 2SM | 3D.E. (mm) | 4AC | 5S/R | 6EPS > 0.85 | |
| Bagres | 0.71 | 0.63 | 0.243 | 0.22 | 28.7 | 7 (1795-2013) | |
| Cerro Huehuento | 0.67 | 0.88 | 0.278 | 0.36 | 10.4 | 7 (1722-2006) | |
| Cuevecillas-Culebras | 0.60 | 0.75 | 0.151 | 0.35 | 8.4 | 8 (1840-2012) | |
| Pito Real | 0.75 | 0.68 | 0.289 | 0.16 | 17.5 | 3 (1730-2003) | |
| Puentecillas | 0.66 | 0.82 | 0.187 | 0.29 | 15.9 | 5 (1657-2007) | |
| San Miguel de Cruces | 0.66 | 0.77 | 0.179 | 0.30 | 2.0 | 7 (1853-2013) | |
| Tarahumar | 0.70 | 0.78 | 0.214 | 0.16 | 15.5 | 7 (1771-2003) | |
| Cronología Regional | 0.62 | 0.19 | 0.194 | 0.35 | 40.0 | 7 (1650-2013) | |
1IC: Intercorrelación entre series, mide la señal común de las series involucradas; 2SM: Sensibilidad Media, expresa el cambio relativo en el crecimiento de un año con relación al siguiente (Fritts, 1976); 3D.E.: Desviación Estándar; 4AC: Autocorrelación de Primer Orden, grado de influencia que ejerce el año de crecimiento previo sobre el año de crecimiento actual; 5S/R: Relación señal-ruido, expresa la intensidad de la señal común observada entre las series de una cronología; 6EPS: Número de árboles con los cuales se alcanza una Señal Expresada de la Población (EPS) con valor significativo de 0.85 (Wigley, Briffa, & Jones, 1984), y entre paréntesis el periodo para el cual EPS>0.85.
Reconstrucción de precipitación
La máxima correlación (Pearson) que se obtuvo entre las series dendrocronológicas y los datos climáticos fue para la CR de madera temprana (estándar) y la precipitación noviembre-abril (r = 0.85, p < 0.0001, n = 49, 1955- 2003). El análisis de calibración y verificación de este período indicó que una ecuación lineal es factible para realizar la reconstrucción de la precipitación (Tabla 3). La ecuación validada (1) se muestra a continuación y la reconstrucción se ilustra en la figura 2.
donde:
Y = precipitación reconstruida
Xi = índice de madera temprana (estándar)
Tabla 3 Estadísticos de verificación entre los datos de precipitación observados y reconstruidos.
| Período | Correlación de Pearson1 | Reducción del error2 | Valor de “t”3 | Producto de signos4 |
| 1955-1978 | 0.80* | 0.63* | 3.6* | 3* |
| 1979-2003 | 0.93* | 0.86* | 4.8* | 1* |
1La significancia de los dos períodos de calibración y verificación se mantuvo (p < 0.05). 2 Los valores positivos indican la factibilidad del modelo para predecir fuera del período de calibración (Fritts, 1976). 3Las medias de datos observados y reconstruidos es igual (p < 0.05). 4 La frecuencia con la que acierta el modelo en las predicciones es mayor a las veces que no acierta (p < 0.05) (Conover y Conover, 1980). *Significativo (p < 0.05).
Figura 2 Precipitación estacional (noviembre-abril) reconstruida (Ppt-Rec) para el río Piaxtla; curva flexible (spline) a nivel década y mediana de la reconstrucción (Med_Rec). Las líneas punteadas extremas indican datos abajo de 10% y superiores a 90% de acuerdo con la distribución de frecuencias y con el criterio de eventos extremos definido por el Intergovernmental Panel on Climate Change [IPCC] (2014).
En 3% de los casos (14 de 433), la ecuación (1) produjo valores negativos, los cuales se asumieron como cero. La mayoría de estos casos se presentaron antes del año de 1900 (13 de 14). Aunque el valor cero no es la determinación exacta de precipitación de esos años en particular, se consideró dicho valor ya que los bajos crecimientos de los anillos indicaron años secos los cuales quedaron reflejados en la curva suavizada (spline) de la figura 3 con valores entre 60 mm y 116 mm de precipitación anual.
Reconstrucción del caudal medio
La mayor correlación entre los datos dendroclimaticos y el caudal medio fue entre la CR de madera temprana (residual) y el caudal medio acumulado de noviembre-agosto. En este caso, como se sugiere en la literatura (Brito-Castillo, Dı́az-Castro, Salinas-Zavala y Douglas, 2003), fue necesario transformar a logaritmo base 10 los datos hidrométricos para asegurar la máxima correlación significativa, que fue de 0.68 (p < 0.001, n = 46). Similarmente a lo que se hizo con los datos de precipitación, se realizó un procedimiento de calibración y verificación separando la información en dos subperíodos. El resumen de este análisis indicó que la ecuación de regresión lineal con la variable log base 10 es factible para reconstruir valores del caudal medio (Tabla 4). La ecuación validada (2) para el período se muestra a continuación y la reconstrucción se ilustra en la figura 2.
donde:
Y= Volumen acumulado noviembre-agosto (log10)
Xi= índice de madera temprana.
Tabla 4 Estadísticos de verificación entre los datos de precipitación observados y reconstruidos.
| Periodo | Correlación de Pearson1 | Reducción error2 | del | Valor de “t”3 | Prueba de signos4 |
| 1959-1981 | 0.71* | 0.49* | 3.4* | 5* | |
| 1982-2004 | 0.66* | 0.43* | 3.9* | 5* |
1La significancia de los dos períodos de calibración y verificación se mantuvo (p < 0.05). 2Los valores positivos indican la factibilidad del modelo para predecir fuera del período de calibración (Fritts, 1976). 3Las media de datos observados y reconstruidos es igual (p < 0.05). 4 La frecuencia con la que acierta el modelo en las predicciones es mayor a las veces que no acierta (p < 0.05) (Conover & Conover, 1980).
Influencia de fenómenos circulatorios en la variabilidad hidroclimática
La tabla 5 muestra la relación entre los índices de crecimiento y los fenómenos circulatorios. Excepto por la Oscilación Multidecadal del Atlántico, todos los fenómenos muestran correlación significativa.
Tabla 5 Asociación entre los diferentes índices de fenómenos circulatorios y la serie regional de madera temprana y de anillo total de la especie Pseudotsuga menziesii en la parte alta de la cuenca del río Piaxtla en el estado de Durango.
| Índice | Meses | Período (años) | Correlación | Probabilidad | Serie de Madera |
| SOI Reconstruido1 | nov-feb | 1805-1977 (103) | -0.62 | 0.0001 | Temprana |
| TRI2 | ene-abr | 1894-1994 (134) | 0.53 | 0.0001 | Temprana |
| MEI3 | ene-may | 1880-2012 (133) | 0.51 | 0.0001 | Temprana |
| PDO5 | Anual | 1856-2012 (113) | 0.28 | 0.0025 | Anillo total |
| AMO6 | Anual | 1949-2014 (157) | 0.04 | 0.5800 | Temprana |
| PDSI7 | jul-sep | 1925-2012 (98) | 0.60 | 0.0001 | Anillo total |
1SOI Reconstruido noviembre-febrero (Stahle et al., 1998). 2TRI enero-abril (Wright, 1979). MEI3 índice multivariado de ENSO (Wolter y Timlin, 2011). 5PDO marzo-diciembre (Mantua, Hare, Zhang, Wallace, y Francis, 1997). 6AMO julio-diciembre (Van Oldenborgh, Te Raa, Dijkstra, y Philip, 2009). 7PDSI ( Stahle et al., 2016).
Relación entre los registros de precipitación y de volúmenes
Los datos instrumentales (1959-2003) disponibles de precipitación estacional (noviembre-abril) y el volumen de caudal medio (noviembre-agosto) se correlacionaron significativamente con un valor de 0.66 (p < 0.001) y, específicamente para el período 1959-1999, la correlación incrementó hasta 0.71 (p < 0.001), lo que indica que la precipitación estacional de noviembre a abril explica hasta en 50% el volumen de caudal medio (Fig. 4).
Discusión
En este estudio se incluyeron cronologías de P. menziesii procedentes de dentro y fuera de la cuenca del río Piaxtla, pero esto no impidió crear una CR con una señal climática común, la cual reflejó estadísticamente la variabilidad que ha ocurrido en la cuenca o región hidrológica de estudio. Lo anterior confirma que los registros de los anillos de crecimiento preservan información de regiones geográficas más amplias que la delimitación de una sola cuenca, como lo han señalado otros autores (Brito-Castillo et al., 2003; Kwak et al., 2016; Lara, Villalba, & Urrutia, 2008; Stahle y Cleaveland, 1992). Los parámetros de la CR son comparables con las de otras especies forestales altamente sensibles al clima cuya información se puede consultar en bancos internacionales de datos (National Oceanic and Atmospheric Administration [NOOA], 2020) y en investigaciones con coníferas del norte de México (Meko y Woodhouse, 2005; Irby, Fulé, Yocom y Villanueva- Díaz, 2013; Pompa-García, Rodríguez-Flores, Cerano-Paredes, Valdez-Cepeda y Roig-Junent, 2013).
La factibilidad de la CR y la correlación con la precipitación y datos de caudal medio permitió la reconstrucción histórica de estas variables, lo que confirma la hipótesis del estudio y demuestra el uso potencial de los anillos de crecimiento en el estudio de los recursos hídricos, particularmente cuando los datos de medición instrumental son limitados o inexistentes (Mundo et al., 2012; Woodhouse, Gray y Meko, 2006). Las redes dendrocronológicas y su relación con el clima y con la hidrología se han empleado en varios estudios (Cook y Jacoby, 1983; Villanueva-Díaz et al., 2005; Woodhouse et al., 2006; Woodhouse, Stahle y Villanueva Diaz, 2012; Villanueva et al., 2017) y, dada la alta correlación observada en este trabajo, se debería considerar con más frecuencia en México; por ejemplo, para cuantificar la oferta de servicios ambientales hidrológicos o los efectos de cambio climático en las cuencas forestales.
El hecho de que la CR de Pseudotsuga menziesii haya mostrado la mayor correlación significativa con la precipitación acumulada de noviembre-abril indica que en la Sierra Madre Occidental la cantidad de lluvia de invierno es muy importante para el crecimiento de primavera y verano. Esto se ha explicado en parte por una relación directa con la capacidad del perfil del suelo para almacenar oportunamente agua y evitar que los árboles se estresen hídricamente en los meses más secos del año (Castruita-Esparza et al., 2016; Gomez, Powers, Singer y Horwath, 2002, Castruita-Esparza et al., 2019; Correa-Díaz et al., 2019).
Los resultados encontrados son similares a los de otros estudios dendroclimáticos del norte y centro de México, donde el ancho de la madera temprana y del anillo total se correlacionan con la precipitación invernal que ocasio-nalmente se extiende hasta principios de la primavera del año siguiente (Cerano-Paredes et al., 2009; Cleaveland et al., 2003; Díaz, Therrell, Stahle, & Cleaveland, 2002; González-Elizondo et al., 2005; José Villanueva et al., 2014).
Eventos extremos
Los eventos de sequía detectados de 1662-1668, 1696, 1715-16, 1740-1743, 1797-1798 y 2011-2013, muestran coincidencia con períodos secos registrados para la cuenca del río Nazas y para el suroeste de Durango; además, coinciden con eventos que impactaron el norte de México, como se confirma también en el Atlas de Sequía para México (Stahle et al., 2016). La sequía de 1950, una de las más intensas en los estados de Durango y Chihuahua (Cleaveland et al., 2003; Díaz et al., 2002; Stahle et al., 2012; Villanueva Díaz et al., 2015) no destaca en este estudio (Tabla 6) debido posiblemente a que la selección de eventos extremos en este estudio fue más estricta apegándose a los percentiles <10% y <90% (IPCC, 2014). Sin embargo, el año seco de 1950 se ha detectado en regiones del norte de México y suroeste de los EUA, donde se considera una de las más severas de los últimos siglos (Cook et al., 2007; Méndez y Magaña, 2010; Woodhouse, Meko, MacDonald, Stahle y Cook, 2010). No obstante, es de destacarse que la sequía de 2011-2013, con tres años consecutivos, se identificó claramente en este y otros estudios (Cleaveland et al., 2003; Díaz et al., 2002; Stahle et al., 2012; Villanueva Díaz et al., 2015).
Tabla 6 Relación de eventos secos y húmedos detectados en la reconstrucción estacional de caudal para la cuenca del río Piaxtla.
| -------------- Extremos secos (<10%) ------------- | ------------ Extremos húmedos (<90%) ------------- | ||||
| Años aislados | Dos años | Tres años | Años aislados | Dos años | Tres años |
| 1668 | 1754-1755 | 1866-1868 | 1656 | 1738-1739 | 1814-1816 |
| 1672 | 1789-1790 | 1892-1894 | 1674 | 1745-1746 | |
| 1685 | 1819-1820 | 2011-2013 | 1677 | 2004-2005 | |
| 1696 | 1989-1990 | 1682 | |||
| 1705 | 1687 | ||||
| 1716 | 1736 | ||||
| 1743 | 1770 | ||||
| 1778 | 1788 | ||||
| 1798 | 1792 | ||||
| 1805 | 1800 | ||||
| 1811 | 1837 | ||||
| 1857 | 1856 | ||||
| 1860 | 1889 | ||||
| 1862 | 1903 | ||||
| 1890 | 1905 | ||||
| 1907 | 1913 | ||||
| 1974 | 1926 | ||||
| 1980 | 1931 | ||||
| 1982 | 1944 | ||||
| 1947 | |||||
| 1964 | |||||
| 1973 | |||||
| 1977 | |||||
| 1987 | |||||
| 1997 | |||||
Los eventos extremos son datos de los percentiles abajo de 10% y superiores a 90%, definidos por el IPCC (2014).
Como se puede observar en la tabla 6, el año de 1987 y el periodo de 2004-2005 se clasifican como extremos húmedos, esto concuerda con lo publicado por Castruita-Esparza et al. (2019), quienes los clasifican como años de mayor humedad con respecto a la precipitación media.
Igualmente, Correa-Díaz et al (2019) identificaron el año 2005 con mejores índices de vegetación y productividad en los bosques de alta montaña del centro de México, atribuyendo su resultado a mayor precipitación. De acuerdo con la tabla 6, desde 1816 (hace 204 años) no se presentan tres años consecutivos con humedad arriba del promedio y en el percentil > 90%, en cambio los periodos secos consecutivos de tres años (< 10%) han ocurrido hace 7, 126 y 152 años.
El caudal medio del río está relacionado con los ritmos de crecimiento de los bosques de la parte alta de la cuenca donde, a su vez, la magnitud de la precipitación invernal determina el crecimiento de P. menziesii. La correlación significativa encontrada entre la precipitación noviembre-abril y el caudal medio de noviembre-agosto indica que estas variables tienen potencial de uso para comprender el comportamiento histórico de entradas y salidas de agua en una cuenca.
El aprovechamiento del agua con fines de riego en una superficie de 21 624 ha del distrito de riego 108 en Sinaloa demanda 0.264 × 106 m3, que corresponde a 16% del volumen disponible en el río Piaxtla (Conagua, 2011). Sin embargo, de acuerdo con De la Lanza Espino et al., 2015, en una estimación de los gastos ecológicos de la cuenca en estudio con un análisis hidrométrico basado en 36 años de registros, el ecosistema requiere de 0.939 × 106 m3 (57% del volumen anual promedio disponible). Lo anterior destaca la importancia de conocer la línea base de una cuenca por métodos indirectos, como los anillos de crecimiento, para medir el efecto de demanda de agua sobre los volúmenes históricos de una cuenca (Meko y Woodhouse, 2005). Aunque el caudal ecológico no es igual al caudal medio, la reconstrucción histórica de la salida de agua en una cuenca proporciona información de los tiempos de retorno de eventos extremos, lo cual es necesario para desarrollar estrategias de manejo de recursos hídricos (Sánchez y Barrios, 2011).
Caudal medio
Aunque se detectaron eventos extremos del caudal medio, el análisis por periodos de 25 años indicó que la mediana del caudal del río Piaxtla se ha mantenido en los últimos 364 años; sin embargo, en el período de 1950 a 1999 hubo una disminución aproximada de 50 000 m3 y es de destacarse que en los últimos 20 años se han presentado dos eventos extremos secos y húmedos (percentiles < 10% y > 90%) (Tabla 6). Por lo anterior, es importante hacer otro tipo de estudios en la cuenca para verificar si los cambios en cobertura forestal o un estrés hídrico general en el arbolado relacionado con menor transpiración pudieran estar asociados a esta variación (Rahmstorf y Coumou, 2011).
Relación con eventos circulatorios
La variabilidad hidroclimática en la cuenca del río Piaxtla se correlacionó con ENSO, que es uno de los patrones que provoca mayor impacto en el norte de México y en particular en el suroeste de Durango donde explica cerca de 40% de la variabilidad de la lluvia de invierno-primavera. La Sierra Madre Occidental en una de las regiones con más sensibilidad entre la dinámica de anillos de crecimiento y el clima (Wilson et al., 2010). En particular, los estados de Chihuahua y Durango se consideran una región de teleconexión de ENSO, entre los fenómenos del Pacífico y los que ocurren al norte de México y sur de los Estados Unidos (Stahle et al., 2016; Wilson et al., 2010; Torbenson et al., 2019). La fase cálida de ENSO, que provoca lluvias abundantes en invierno-primavera, favorece el incremento radial de las coníferas en la Sierra Madre (Castruita- Esparza, 2014) y la producción de agua (Villanueva et al., 2014).
La correlación entre la CR del río Piaxtla y los índices de ENSO de este estudio son comparables con los observados en otros estudios donde se han probado otras regiones sensibles a ENSO en el mundo (Stahle et al., 1998). También destaca la correlación significativa con el índice PDSI de julio-septiembre para el noreste de México, lo cual indica el alto potencial de esta reconstrucción para explicar la variabilidad hidroclimática histórica de cuencas hidrológicas que drenan hacia cuencas del Pacífico (Nicholas y Battisti, 2008; Villanueva et al., 2014). Si la información de este tipo de estudio se fortalece con trabajos futuros, incluyendo el desarrollo dendrocronológico, se podrá analizar el comportamiento hidrológico de estas cuencas con mayor detalle, lo cual es de gran relevancia con fines de producción agrícola en la costa del Pacífico y para la conservación de ecosistemas que dependen del agua producida en estas cuencas.
Aunque el propósito del trabajo no fue hacer un análisis detallado de los indicadores climáticos globales incluyendo sus fases, es importante mencionar que en futuros trabajos se debe considerar hacerlo, ya que las fases de los índices climáticos dan información adicional sobre el gradiente de variación más amplio, ya sea con respecto a los continentes o regiones polares (Muñoz et al., 2016; Fernández et al., 2018). Sin embargo, considerando el índice ENSO 3.4 y sus fases cálida (El Niño) y fría (La Niña), se observa que los eventos extremos de los años 1974, 1989-1990 y 2011 (Tabla 5) se han identificado como años de la fase fría (NOOA, 2020), mientras que los años 1973, 1977, 1987, 1997, 2004-2005 se han identificado como años de la fase cálida. Esta concordancia indica el potencial de utilizar la información dendrocronológica y asociarla con las fases de los indicadores climáticos.
Conclusiones
La red dendrocronológica regional de Pseudotsuga menziesii es viable para fines de reconstrucción de la precipitación y del caudal medio en le rio Piaxtla. La combinación de siete cronologías en una sola cronología dendrocronológica regional mantuvo viables sus parámetros para la reconstrucción en el río Piaxtla abarcando un período 1650 a 2013 (363 años), considerando solamente el período en el que la EPS > 0.85.
La serie de madera temprana fue más sensible a la variación de la precipitación y del caudal medio. La precipitación estacional noviembre-abril y los gastos acumulados noviembre-agosto de la estación hidrométrica Piaxtla del período 1959-1999 se correlacionaron significativamente. La precipitación, el caudal medio y los anillos de crecimiento se correlacionan significativamente con el fenómeno de ENSO. La asociación entre los índices de madera temprana y de anillo total con los diversos índices de ENSO muestran valores de 0.6 y confirman que la región de la Sierra Madre es de las más importantes en el continente americano para analizar la influencia indirecta (teleconexión) de este fenómeno circulatorio.
Aunque la cuenca del río Piaxtla se considera hidrológicamente estable, los resultados de este estudio indican la necesidad de mediciones permanentes para prever cambios importantes en el caudal medio y establecer políticas que aseguren el abastecimiento de agua para diversos fines y garanticen la estabilidad de áreas ecológicas como los sistemas riparios de las partes bajas de la cuenca. Dada la sensibilidad climática de las especies arbóreas en esta región, el desarrollo de una red dendrocronológica más completa y de mayor extensión, que involucre otras especies de coníferas y latifoliadas, permitirá un mejor conocimiento de la variabilidad interanual y multianual del clima en esta región del país.
