Recursos naturales renovables

 

Ecuaciones alométricas y estimación de incrementos en biomasa aérea y carbono en una plantación mixta de Pinus devoniana Lindl. y P. pseudostrobus Lindl., en Guanajuato, México

 

Allometric equations and estimation of aboveground biomass and carbon increments in a mixed plantation of Pinus devoniana Lindl. and P. pseudostrobus Lindl., in Guanajuato, México

 

Jorge Méndez-González¹*, S. Luis Luckie-Navarrete¹, M. Ángel Capó-Arteaga¹, J. Abel Nájera-Luna²

 

¹ Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. Calzada Antonio Narro No. 1923, 25315. Buenavista Saltillo, Coahuila. * Autor responsable (jorgemendezgonzalez@gmail.com).

² Instituto Tecnológico de El Salto, Durango, México.

 

Recibido: Noviembre, 2010.
Aprobado: Mayo, 2011.

 

Resumen

Generar ecuaciones de biomasa es importante ya que permiten evaluar la estructura y condición de un bosque, cuantificar su productividad, determinar la cantidad de carbono fijado, la tasa de fijación de CO₂, y con ello valorar el impacto en la mitigación de gases efecto invernadero. El objetivo del presente estudio fue ajusfar ecuaciones alométricas para cuantificar la acumulación de biomasa (B), carbono (C) y carbono equivalente (CO₂e) en una plantación mixta de 12 años de edad de Pinus devoniana Lindl. y Pinus pseudostrobus Lindl., en Jerécuaro, estado de Guanajuato, México. La biomasa de cada árbol, hojas más tamas (Bhr), fuste (Bf) y total (Bt), fue calculada usando la relación entre el peso seco y peso fresco, en 20 árboles de cada especie. Mediante análisis troncales y el modelo de Schumacher se obtuvo la tasa de incremento anual de B, C y CO₂e. Los resultados indican que las ecuaciones alométricas cuantifican eficientemente los componentes de biomasa, especialmente de Bf(R²>0.85) en P pseudostrobus, mostrando esta especie los mayores incrementos en biomasa aérea. El 60.2 y 58.4 % de la biomasa aérea total fue registrada en el fuste; 39.8 y 41.6 % en las hojas y ramas de P. devoniana y P. pseudostrobus. Los valores calculados fueron 39.36 t B ha^-1, 19.68 t C ha^-1 y 72.02 t CO₂e ha^-1, después de 12 años de establecida la plantación. Según el modelo de Schumacher, la máxima productividad de biomasa aérea (Bf yBhr) se alcanza a los 20 años de edad, lo que representa 3.96, 1.98 y 7.27 t ha^-1 año^-1 de B, C y CO₂e.

Palabras clave: Pinus devoniana Lindl., Pinus pseudostrobus Lindl., componentes de biomasa, fijación de carbono, modelos de crecimiento, productividad.

 

Abstract

The generation of equations of biomass is important because they allow to evaluate the structure and condition of a forest, quantify its productivity, determine the amount of fixed carbon, the fixation rate of CO₂, and thus valúate the impact on the mitigation of greenhouse gases. The objective of the present study was to fit allometric equations to quantify the accumulation of biomass (B), carbon (C), and carbon equivalent (CO₂e) in a mixed plantation of 12 years of age of Pinus devoniana Lindl. and Pinus pseudostrobus Lindl., in Jerécuaro, state of Guanajuato, México. The biomass of each tree, leaves plus branches (Bhr), stem (Bf) and total (Bt) was calculated using the ratio between dry weight and fresh weight, in 20 trees of each species. Through stem analyses and the Schumacher model the rate of annual increment of B, C and CO₂e was obtained. Results indicate that the allometric equations efficiently quantify the components of biomass, especially of Bf (R²>0.85) in P. pseudostrobus, this species showing the highest increments in aboveground biomass. The total aboveground biomass, of 60.2 and 58.4 % was registered in the stem; 39.8 and 41.6 % in the leaves and branches of P. devoniana and P. pseudostrobus. Values calculated were 39.36 t B ha^-1, 19.68 t C ha^-1 and 72.02 t CO₂e ha^-1, after 12 years of the establishment of the plantation. According to the Schumacher model, the maximum productivity of aboveground biomass (Bf and Bhr) is reached at 20 years of age, which represents 3.96, 1.98 and 7.27 t ha^-1 year^-1 of B, C and CO₂e.

Key words: Pinus devoniana Lindl., Pinus pseudostrobus Lindl., biomass components, carbon fixation, growth models, productivity.

 

INTRODUCCIÓN

La función de los árboles en la captura de gas carbónico se evalúa debido a su potencial para modular el cambio climático y reducir el efecto invernadero (Brown, 2001; Ordóñez et al., 2001). El incremento anual neto en la atmósfera de carbono equivalente (CO₂e), unidad que permite comparar el potencial de calentamiento global de los distintos gases de efecto invernadero (IPCC, 2007), es 3x10⁹ t (PNUMA, 1987). A pesar de ello, Myneni et al. (1997) y Field et al. (1998) indican que el crecimiento de las plantas aumenta especialmente en latitudes altas, debido a las tasas altas de CO₂ emitidas a la atmósfera (Bazzaz et al., 1990), el cambio climático (Spiecker et al., 1996) y los cambios en la temperatura del aire (Menzel y Fabian, 1999).

El incremento de bosques mediante forestación o reforestación es una opción para reducir la cantidad de CO₂ en la atmósfera (Ordóñez et al., 2001) y contrarrestar el cambio climático (IPCC, 2007). En este sentido, la asimilación de CO₂ de los ecosistemas forestales tiene efectos importantes en el balance global del carbono (Dixon et al., 1994; Brown, 2001). El CO₂ es fijado en moléculas de carbono en el proceso de fotosíntesis y constituye el 50 % de su biomasa seca (Gayoso y Schlegel, 2001; Figueroa et al., 2005). Se deduce que la velocidad de fijación de CO₂ es proporcional a la tasa de crecimiento e incremento de biomasa. Paradójicamente, el CO₂ es el principal componente gaseoso responsable del efecto invernadero (71-5 %) que origina el cambio climático (Dixon etal, 1994; IPCC, 2007).

Las plantaciones forestales son una de las estrategias para incrementar las tasas de captura de carbono rápida y eficientemente, con poco más de 190 millones de ha en el mundo (5 % del área forestal total) (FAO, 2010). La evaluación de biomasa mediante modelos matemáticos permite calcular los montos y fijación de carbono, y valorar el impacto en la mitigación de gases efecto invernadero (GEI); además, ayuda a tomar decisiones óptimas en la política ambiental y gestión silvícola. Por tanto, los objetivos de la presente investigación fueron evaluar: 1) modelos alométricos para cuantificar la biomasa aérea (B), carbono (C) y carbono equivalente (CO₂e) en una plantación mixta de Pinus devoniana Lindl. y Pinus pseudostrobus Lindl., de 12 años de edad; 2) los incrementos de estas variables a diferentes edades mediante análisis troncales y modelos de crecimiento. La hipótesis fue que la tasa y patrones temporales de acumulación de biomasa es similar en ambas especies.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Características físicas y biológicas del área de estudio

El predio El Clarín, municipio de Jerécuaro, estado de Guanajuato, México, se ubica en la exposición norte y cima del macizo montañoso Cerro de las Escobas, a una altitud superior a 2850 m, al sureste del estado. El clima es templado subhúmedo, C(W₁), precipitación mayor a 700 mm y temperatura media anual de 15.0 °C (García, 1988). Quercus laurina, Q. mexicanay Q. macrophylla representan las principales asociaciones vegetales y son parte del aprovechamiento forestal. Después de la tala y cosecha de estas especies se realizan plantaciones principalmente con P. devoniana y P. pseudostmbus, que representan poco más de 80 % de la frecuencia relativa. Estas especies poseen una distribución amplia y natural, confinada a la mayoría de los estados del centro del país (Perry, 1991). La plantación evaluada fue establecida en 1998, después se plantaron más árboles y en mayo de 2009, cuando se realizó este estudio, la edad era de 11 a 13 años. En el 2011 la permanencia promedio es de 560 árboles ha^-1 de P. devoniana y P. pseudostmbus.

Muestreo de biomasa

La determinación de biomasa verde de los componente del árbol (hojas, ramas y fuste) se efectuó según lo descrito por Brown (1999) y Schlegel et al. (2000). Se seleccionaron 40 árboles (20 por especie) sin deformidades, representativos de las categorías de diámetro y altura, considerando los estratos dominantes y co-dominantes, y se midió el diámetro normal (D) y altura total (H). Luego, los árboles fueron derribados, troceados y separados en los componentes: hojas y ramas y fuste comercial (diámetro menor a 7 cm), y pesados en estado verde con básculas romanas (marca COR), de 10 y 120 kg de capacidad y 0.1 y 0.5 kg de precisión. De cada componente se obtuvieron submuestras que fueron secadas en el laboratorio para medir peso seco y la biomasa total del árbol.

Muestras pata análisis troncales

El fuste de cada árbol se dividió en trozas de 1.20 m, iniciando a 0.30 m de altura, y se midió su diámetro mayor y menor (Prodan et al, 1997). De cada troza se extrajo una rodaja de -5 cm de espesor para realizar los análisis troncales.

Obtención de biomasa por componente

El peso seco de las submuestras se obtuvo usando una estufa Hildebrand marca Brunner, a 95 °C durante 8 d (Raev et al, 1997; Pacheco et al, 2007). Finalmente, la biomasa seca de cada componente (hojas y ramas (Bhr) y de fuste (Bf) se determinó mediante la relación entre peso seco y peso fresco de las submuestras (Schlegel et al, 2000).

Ajuste y selección de ecuaciones alométricas

Se ajustaron nueve ecuaciones alométricas propuestas por Gayoso et al. (2002), con el método de cuadrados mínimos (Cuadro 1), para estimar Bhr, Bfy la suma de ambas, Bt. Las ecuaciones se evaluaron con los siguientes estadísticos de bondad de ajuste: coeficiente de determinación (R²) y error estándar (Syx).

Evaluación de carbono y carbono equivalente

La biomasa de cada componente se multiplicó por el factor 0.50 y se transformó a contenido de carbono; este factor corresponde a la fracción de carbono (%) en la biomasa seca de la madera de acuerdo con Gayoso et al. (2002), Figueroa et al. (2005) e IPCC (2007). El CO₂ e fijado en la biomasa seca se obtuvo con el producto del peso seco y el coeficiente resultante de la relación entre el peso de la molécula de CO₂ (44) y el peso del átomo de carbono (12) (Raev et al, 1997; Pacheco et al, 2007).

Análisis troncales pata evaluar biomasa de fuste a diferentes edades

Las rodajas obtenidas fueron lijadas, digitalizadas con un es-cáner Epson Twain Pro 32 bit, analizadas con WinDendro™ para contar y medir sus anillos anuales y procesadas con Xlstem™ Ver. 1.3 para calcular edad, área basal, altura, volumen e incremento de biomasa a cualquier edad o sección (s). La biomasa del fuste de cada sección (Bf) se calculó mediante el producto de Vx DB, donde, V es el volumen de la sección, y DB la densidad básica de la especie que es 0.450 en P. devoniana (Hidayat y Simpson, 1994) y 0.406 en P. pseudostrobus (Wright y Wessels, 1992).

Modelo de ctecimiento y evaluación de inctementos en biomasa de fuste

La Bfs de cada especie, de árboles dominantes (AD) y codominantes (ACD) se evaluó con el modelo de Schumacher, expresado en su forma integral:

donde, Y = biomasa de fuste de cada sección (Bfs, kg); β₀ y β₁= parámetros de la regresión; exp= base de los logaritmos neperianos; E=edad (años). El incremento corriente anual (ICA) e incremento medio anual (IMA) de Bfs, se obtuvo derivando la Ecuación 1.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A los 12 años de edad P. devoniana tuvo un diámetro mínimo de 13-0 y máximo de 23-0 cm, altura de 5-6 a 10.0 m, mientras que en P pseudostrobus estos valores fueron 14.5 a 27-0 cm en diámetro y 7-4 a 12.6 m en altura. Los aumentos medios anuales fueron 1.53 y 1-56 cm año^-1 en diámetro y 67-67 y 81.83 cm año^-1 en altura, en P. devoniana y P. pseudostrobus.

Biomasa por componente en P. devoniana y P. pseudostrobus

Los estadísticos de ajuste de las ecuaciones alomé-tricas indicaron que el componente mejor modelado fue Bf, en contraste con Bhr. Los modelos (m) 4, 5 y 7 se ajustaron adecuadamente a Bhr, Bfy Bt en P. devoniana; mientras que los modelos 1, 9 y 9 predicen eficientemente estas variables en P pseudostrobus (Cuadro 2 y Figura 1). Los mejores ajustes se obtuvieron en P pseudostrobus con R² promedio de 0.87 (en Bhr, Bfy Bt), y 0.73 en P. devoniana (Cuadro 2). Los parámetros de regresión de cada modelo por componente de biomasa se muestran en el Anexo 1.

Návar et al. (2001) reportan coeficientes de determinación más bajos (R²<0.66, en Bhr) en plantaciones de P durangensis y P cooperi, pero Pacheco et al. (2007) registran R²>0.88 en Bt de P greggii. Algunos investigadores (Raev et al, 1997; Brown, 1999; Gayoso y Schlegel, 2001) concuerdan que existe una alta correlación entre diámetro y volumen pero no entre diámetro y biomasa, que son patrones similares en casi todos los ecosistemas vegetales (Gayoso et al., 2002).

Los valores promedio de Bhr y Bf fueron 39-8 y 60.1 % en P. devoniana y 41.6 y 58.3 % en Ppseudostrobus, que son similares a los reportados por Návar et al. (2001), 36.3 y 64.5 % (Bhr) y 33.6 y 67.2 % (Bf) en P. duranguensis y P. cooperi, pero diferentes a los de Díaz et al. (2007) en P patula (18.0 % en Bhr y 82.0 % en Bf); en estos mismos componentes, Gayoso (2001) señala 26.3 y 73-6 % en Pinus radiata. En Pinus greggii de 6 años esta proporción parece diferir: 49.0 % en Bhry 51.0 % en Bf (Pacheco et al, 2007). Estas diferencias se explican por la forma de crecimiento intrínseca de cada especie, competencia entre árboles (Zobel y Talbert, 1988) y condiciones climáticas del sitio (Bazzaz et al, 1990).

Crecimiento e incremento en biomasa de P. devoniana y P. pseudostrobus

A diferencia de las ecuaciones alométricas, los mejores ajustes del modelo de Schumacher a la Bfs se registraron en P. devoniana, 95-7 y 81.2 % y sólo 82.4 y 65-7 % en Ppseudostrobus, para AD y ACD (Cuadro 3). En relación a los incrementos anuales (ICA e IMA) en la Bfs, se observaron diferencias importantes entre especies (Figura 2). Pinus pseudostrobus mostró los mayores rendimientos en B, C y CO₂e (1.6 veces más que P. devoniana) al momento de alcanzar el turno absoluto (~20 años).

El análisis de los resultados indica que a los 12 años la Bfs fue de 31-6 a 71-2 kg en P. devoniana, y de 29-4 a 122.1 kg en Ppseudostrobus, con una diferencia de 50.8 kg entre los máximos de ambas especies.

Según Díaz et al. (2007), en árboles de P. patula de 20 cm de diámetro la biomasa fue 113 kg, y Návar et al. (2001) reportan 80.1 a 110.5 kg en especies del genero Pinus. En el presente estudio la Bfs fue 59-9 kg en P. devoniana y 81.2 kg en Ppseudostrobus a un diámetro base de 20 cm, valores que son dependientes de la especie, calidad del sitio, competencia y densidad de árboles.

El crecimiento en B, C y CO₂e en hojas y ramas, fuste y total, se obtuvo así:

 

donde, [1] es el modelo para estimar la Bfs de ambas especies (kg), exp= base de los logaritmos neperianos, E= edad (años); [2] es la Bhr= biomasa promedio de hojas y ramas, ~40 % del total (kg); [3] es el número de árboles ha^-1/1000, N; [4] es FC= factor de conversión a carbono, 0.5 (t); [5] es FCO₂e= factor de conversión a carbono equivalente, 3-7 (t), (Figura 3A). Con la derivación de las ecuaciones 2 y 3, se obtuvo el incremento anual de B, C y CO₂e (ICA e IMA) (Figura 3B).

Con esta base se calculó que el incremento corriente anual máximo (ICA) se alcanzó a los 9-8 años, lo que representó 5-83, 2.91 y 10.70 t ha^-1 año^-1 en B, C y CO₂e. El modelo de crecimiento predice que el turno absoluto se alcanzaría aproximadamente a los 20 años de edad, y se obtendría 3-96, 1.98 y 7-27 de B, C y CO₂e (t ha^-1 año^-1) cuando ICA=IMA (Figura 3B). En términos acumulativos (a los 20 años) estos valores ascenderían a 79-23, 39-61 y 145-40 t ha^-1 (Figura 3A). Algunos autores (Mohren y Gol-dewijk, 1990; Mákelá, 1997; Návar et al, 2001) incluyen la cuantificación del incremento en biomasa, en modelos de flujo de carbono entre la vegetación, suelo y atmósfera, y se considera parte importante de los modelos de crecimiento, pero no así de los modelos alométricos.

Acumulación de biomasa, carbono y carbono equivalente a nivel plantación

Con los datos del inventario y los modelos alométricos que cuantifican la Bt en P. devoniana y P. pseudostrobus con m7 y m9, se obtuvo una biomasa aérea total de 39-36 t ha^-1, que corresponde a 19-68 t C ha^-1 y 72.02 t CO₂e ha^-1 (Bt, Cuadro 4). Se debe enfatizar que la Bhr y Bf se calculó con m4+m5 y con ml+m9, mientras que Bt se obtuvo con m7 y m9 en P. devoniana y P pseudostrobus. La biomasa acumulada total resultó diferente con ambos procedimientos debido a que los modelos alométricos para evaluar Bhr y Bf no son los mismos; es decir, no poseen propiedades de aditividad. Según Cunia y Briggs (1985), Parresol (1999) y Návar et al. (2001), la aditividad de los componentes de biomasa se asegura cuando se usa la misma variable independiente o el mismo modelo, por lo que sugieren utilizar este principio para cuantificar adecuadamente la biomasa.

 

CONCLUSIONES

Con las ecuaciones alométricas se calculó cada componente de biomasa, principalmente Bt, pero no ocurrió lo mismo con Bhr, por tanto, es preferible cuantificar Bt mediante la integración de Bhr y Bf o con modelos aditivos. El diámetro normal predice eficientemente la biomasa de hojas y ramas, fuste y total en ambas especies. Los análisis troncales permitieron cuantificar la biomasa aérea en términos de incrementos anuales. Se encontraron diferentes tasas de crecimiento e incremento de biomasa, carbono y carbono equivalente entre Pinus devoniana y P. pseudostrobus.

 

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por la UAAAN mediante el proyecto No. 02-03 0207-2422. Agradecimientos especiales a la Facultad de Tecnología de La Madera, Universidad Michoacana, así como a los investigadores anónimos que revisaron el presente manuscrito.

 

LITERATURA CITADA

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