Introducción

El cultivo de plantaciones en el sistema de rotación corta (SRC, por sus siglas en inglés para Short Rotation Coppice) se ha estudiado, recientemente, con fines dendroenergéticos (^{Souza et al., 2015}). Varias especies de eucalipto y acacia se consideran adecuadas para la producción de grandes volúmenes de biomasa, cuando se cultivan bajo ese sistema (^{Camps y Marcos, 2002}). Esta biomasa puede desplazar, de manera parcial, los combustibles fósiles utilizados en la actualidad para producir calor y electricidad, lo que a su vez, ayuda a los gobiernos a cumplir con las leyes ambientales y los compromisos vinculantes, encaminados a la reducción de emisiones de CO₂ (^{McKendry, 2002}).

Las especies de rotación corta permiten mayores densidades de plantación y, por lo tanto, un rendimiento alto de biomasa por unidad de superficie (^{Hoogwijk et al., 2005}). El rebrote, normalmente, se estimula en la primavera y vuelve a crecer, con ello se evitan los costos de replantación. Cuando los períodos de rotación son demasiado cortos para un taxón y variedad, el crecimiento de vástagos puede obstaculizarse por el agotamiento de las reservas de carbohidratos almacenados en el sistema radical, lo cual afecta, también, la estructura de la madera (^{Al Afas et al., 2008}).

Numerosos taxa leñosos, cultivados en rotación corta han adquirido importancia en la oferta de biomasa vegetal (^{Hoogwijk et al., 2005}). Entre las especies dendroenergéticas más importantes a nivel mundial están los eucaliptos (Eucalyptus globulus Labill, E. nitens H. Deane & Maiden, E. denticulata I. O. Cook & Ladiges) (^{Camps y Marcos, 2002}), sauce (Salix spp.), álamo (Populus spp.) y acacias (Acacia dealbata Link, A. melanoxylon R Br., A. retinodes Schltdl.) (^{Ríos et al., 2016}). Estas presentan alta productividad y pueden promoverse como plantas forestales de crecimiento rápido (^{Hoogwijk et al., 2005}).

La densidad básica es una de las propiedades físicas más importantes de la madera, debido a que expresa la cantidad de sustancia leñosa seca en un volumen dado de madera, cuando esta tiene un contenido de humedad igual o mayor al punto de saturación de las fibras (psf). Por ello, prácticamente, todas las propiedades mecánicas están relacionadas con dicha variable, razón por la cual es utilizada en la predicción de la resistencia del material vegetal (^{Cisternas, 1994}).

El análisis detallado de las propiedades de la biomasa es indispensable, debido a la necesidad de adaptar la naturaleza de los recursos de leña al requerimiento específico de tecnologías modernas de conversión energética. Este tipo de análisis ayuda a identificar los componentes de las plantas que se correlacionan con las características de la madera usada como combustible (^{Davis et al., 1984}; ^{Butner et al., 1988}). Aunque hay investigaciones en los que se evalua la variabilidad en las propiedades de la biomasa con ese propósito, pocos consideran las diferencias en las propiedades de la madera de los árboles cuando se cultivan bajo el sistema de rotación corta.

Las aplicaciones futuras de la bioenergía serán cada vez más dependientes de la producción de biomasa en plantaciones dendoenergéticas bajo el sistema de rotación corta (SRC). Lo anterior es respuesta a la creciente demanda de calor y electricidad a partir de fuentes renovables, las estrictas regulaciones ambientales y las políticas destinadas a proteger los recursos naturales (^{Senelwa y Sims, 1999}). El objetivo del presente estudio fue determinar la densidad básica de la madera y poder calorífico superior en vástagos de dos años de edad, provenientes de tocones de tres cultivos dendroenergéticos.

Materiales y Métodos

Diseño experimental

Se usó un diseño de bloques completos al azar con arreglo factorial, en el que se incluyeron los factores densidad de plantación (5 000, 10 000 y 15 000 árboles ha^-1) y tres especies vegetales (A. dealbata, E. globulus y E. denticulata); cada bloque fue un cuadrado de 110 m de lado (12 100 m²), conformado por cuatro cuadrantes, cada uno compuesto por nueve unidades experimentales de 18 m por lado (324 m²). Una unidad consistió en una zona de amortiguamiento para evitar el efecto borde, y un núcleo de 30 tocones útiles) (Figura 1). Las especies arbóreas se manejaron bajo cuatro frecuencias de corte. El cuadrante corresponde a una de cuatro frecuencias de corte (1, 2, 3 y 4 años); la primera intervención, al primer año de establecido el cultivo, para evaluar la respuesta del rebrote y las propiedades elementales de los vástagos. Este trabajo se realizó en el cuadrante cosechado en diciembre de 2012, correspondiente a la frecuencia de dos años (Figura 1).

Cada color representa un cuadrante y una frecuencia de corte (1, 2, 3 y 4 años). Las letras (A, B, C) simbolizan a las especies; y los números (5,10 y 15) la densidad de plantación.

Figura 1 Distribución y diseño de las unidades experimentales en el sitio de estudio.  

Resultados

En los componentes de la biomasa se detectaron diferencias altamente significativas (p ≤ 0.01) entre especies para la mayoría de las variables evaluadas y entre densidades para el número de vástagos (Cuadro 1). La densidad de plantación tuvo influencia reducida sobre la mayoría de las variables incluidas en el estudio, y solo en el número de vástagos se observó efecto significativo. La interacción especie × densidad evidenció significancia en el PCS y altura de planta, lo que se relacionó con la modificación de la respuesta de al menos una especie, al pasar de una densidad a otra.

Eucalyptus denticulata registró mayor densidad básica de la madera en las tres densidades de plantación, con valores entre 0.46 y 0.49 g cm^-3 (Cuadro 2). El resto de las especies mostraron similitud para la densidad básica, con valores entre 0.44 y 0.45 g cm^-3 para E. globulus y A. dealbata. Solo en los vástagos adventicios de A. dealbata se obtuvieron valores bajos de DB, con 0.38 g cm^-3, especialmente en la densidad de plantación más alta (15 000 árboles ha^-1).

Acacia dealbata registró la cantidad más grande de vástagos proventicios en todas las densidades de plantación, con fluctuaciones de 7.00 vástagos por tocón en 5 000 árboles ha^-1 y 4.00 vástagos por tocón en 15 000 árboles ha^-1. Se observó que A. dealbata presenta una tendencia a desarrollar vástagos proventicios y, únicamente, cuando disminuye su número, entonces emergen los de tipo adventicio. Las dos especies de eucalipto mostraron tendencia a generar ambos tipos de vástagos, con alguna predominancia de los adventicios, especialmente en E. denticulata. Además, se determinaron efectos negativos en ambos tipos de vástagos, sobre todo en E. globulus, en el que se redujo el número a medida que se incrementó la densidad de plantación.

El valor más alto para el diámetro a la altura del cuello de la raíz (Dac) fue para E. globulus con 60.09 mm, seguido por E. denticulata con 49.70 mm y el más bajo lo obtuvo A. dealbata, con 32.45 mm. Dichos valores correspondieron a los vástagos proventicios y la densidad de plantación más baja (5 000 árboles ha^-1). El Dac disminuyó a medida que la densidad de plantación fue mayor (Cuadro 2), lo cual resultó estadísticamente significativo en E. globulus. En esta especie se tuvo un incremento significativo del Dac en los vástagos adventicios, a medida que se aumentó la densidad de plantación, por lo que con 15 000 árboles ha^-1 alcanzó 25.85 mm. Lo anterior, coincidió con la reducción en el número de vástagos registrado en esa densidad de plantación.

Se presentaron valores superiores de altura en los vástagos proventicios de E. globulus y esta se incrementó a medida que aumentó la densidad de la plantación, de 7.06 m en 5 000 árboles ha^-1, hasta 7.96 m con 15 000 árboles ha^-1. En los vástagos adventicios se observó un aumento en altura entre las densidades de 5 000 árboles ha^-1 (2.5 m) y 15 000 árboles ha^-1 (3.53 m). E. denticulata mostró valores intermedios, mientras que A. dealbata los valores más bajos en los vástagos proventicios (3.19 m a 4.24 m) y adventicios (1.66 m). En todas las especies se observó dominancia de los proventicios, los cuales tuvieron valores más altos en número, diámetro y altura del vástago.

Las hojas de los vástagos dominantes (Prov 1 y Prov 2) registraron, por lo general, el poder calorífico más alto en las tres especies estudiadas (Figura 2). Los valores más altos alcanzaron 5 280 kcal kg^-1 para E. globulus, 5 150 kcal kg^-1 en E. denticulata y 4 927 kcal kg^-1 en A. dealbata. El PCS del tallo y ramas presentó similitud en A. dealbata con valores entre 4 573 kcal kg^-1 - 4 691 kcal kg^-1; y E. denticulata 4 508 kcal kg^-1 - 4 558 kcal kg^-1. E. globulus tuvo el más bajo, con 4 399 kcal kg^-1 para tallos y 4 434 kcal kg^-1 en ramas. Los vástagos adventicios evidenciaron una disminución calorífica hasta de 400 kcal kg^-1 en E. globulus (Figura 2).

Figura 2 Poder calorífico superior (PCS) por componente (tallo, rama y hoja) de vástagos proventicios (Prov) y adventicios (Adv) en tocones de primera rotación. 

El poder calorífico en tocones rebrotados presentó diferencias en sus vástagos dominantes (proventicios) y codominantes (adventicios). Los dos vástagos proventicios dominantes (Prov 1 y Prov 2, con valores altos de Dac y altura) registraron el poder calorífico más alto en tallos, ramas y hojas, con una tendencia a disminuir según su vigorosidad dentro del tocón (Figura 2). La especie con mayor variación fue E. globulus, con una disminución hasta de 641.9 kcal kg^-1 PCS en hojas, y 214 kcal kg^-1 en tallos y ramas (Figura 2). La densidad de plantación careció de influencia significativa directa sobre el poder calorífico, bajo el sistema de rotación corta.

Discusión

Los resultados para la densidad básica de la madera en vástagos de primera rotación concuerdan con los estudios realizados en plantaciones de especies monofustales de edad más avanzada. En algunos de esos trabajos se evaluó la densidad básica de Acacia dealbata y la influencia de las localidades de plantación, con valores entre 0.32 g cm^-3 y 0.54 g cm^-3 (^{Pinilla y Hernández, 2010}). En el caso específico de localidades, con características edafoclimáticas similares a las registradas en el presente estudio, se obtuvo una densidad de 0.47 g cm^-3 en plantas de eucalipto con cinco años de edad (^{Pinilla y Hernández, 2010}).

En una investigación en la que se incluyeron dos clones de eucalipto, con 57 y 69 meses de edad, se documentaron valores promedio similares a los registrados en la presente investigación (0.46 g cm^-3) (^{Protásio et al., 2014}). Evaluaciones de la densidad básica en 37 procedencias de E. globulus, con siete años de edad, se observaron variaciones de 0.43 a 0.49 g cm^-3 (^{Miranda et al., 2001}). En el estudio que aquí se documenta, E. denticulada tuvo la densidad básica más alta de la madera bajo el sistema de rotación corta. Los resultados son similares a lo citado para plantaciones de nueve años de edad, en los cuales se evaluaron las características de la madera de algunas especies de Eucalyptus en Brasil, se indica para E. denticulata una densidad básica promedio de 0.48 g cm^-3, a la edad de 4.5 años (^{Duarte et al., 2000}).

El sistema de rotación corta mostró DB similar a lo observado en plantaciones tradicionales unifustales, y los vástagos mantienen las propiedades de la madera, principalmente los de tipo dominante (proventicio). Con base en los resultados, se corroboró que la densidad básica es una característica importante de la madera y se debe considerar como criterio para la selección de fuentes de biomasa, ya que está directamente relacionada con la producción de energía por unidad de volumen (^{Protásio et al. 2014}).

Existen varias referencias para la densidad básica de la madera y el poder calorífico superior en la literatura, los cuales han sido evaluados en la primera rotación y en plantaciones tradicionales monofustales (^{Vargas et al., 2005}; Espina, 2006; ^{Peredo et al., 2007}; ^{Igartúa y Monteoliva, 2009}; ^{Igartúa et al., 2015}; ^{Batista et al., 2016}). Sin embargo, los estudios de la relación que tiene la densidad básica con el poder calorífico de la biomasa en cultivos de rotación corta son relativamente recientes en Chile, por lo que se requiere mayor número de evaluaciones. Los resultados del estudio conjunto de ambas variables podrán utilizarse para definir los criterios para la selección de especies con mayor rendimiento, calidad y estabilidad productiva de la biomasa para una localidad y densidad de plantación determinada.

A. dealbata evidenció la tendencia a desarrollar vástagos proventicios en densidades bajas de plantación (5 000 árboles ha^-1) y, únicamente, cuando la dominancia de estos disminuye, entonces emergen los adventicios. Dicha respuesta se atribuye a la competencia por espacio y nutrientes inter e intratocones, así como al número de vástagos, crecimiento inicial y características del taxon (^{Ríos et al., 2017}). Las dos especies de eucalipto registraron tendencia a generar ambos tipos de vástagos, con alguna predominancia de los adventicios, especialmente en E. denticulata. Además, se determinaron efectos negativos en los dos tipos de vástagos, en particular en E. globulus, en el que se redujo el número a medida que se incrementó la densidad de plantación. Dicha reacción se relacionó con la tendencia a la eliminación natural de los vástagos débiles, los cuales reducen su crecimiento, debido a la competencia por espacio y radiación solar (^{Ríos et al., 2017}).

E. globulus creció más en Dac y altura, en contraste con las otras especies. Los resultados concuerdan con lo señalado en estudios que evaluaron el vigor de retoños de E. globulus, E. viminalis y E. regnans, cuyos valores más altos corresponden al diámetro y altura en los vástagos de E. globulus (^{Geldres et al. 2004}). Aunque varios autores han enfatizado la adaptabilidad de las especies del género Acacia en condiciones ambientales desfavorables (^{McKinnell, 1990}; ^{Hussain y Gul, 1991}; ^{Sandoval et al., 2012}), A. dealbata presentó bajo nivel de crecimiento, debido al momento del corte y extracción de la biomasa de la primera rotación. Asimismo, evidenció un número alto de vástagos, por lo que es recomendable ajustar el manejo de aclareos y podas para que sea más eficiente el uso de la radiación solar y facilitar la obtención de madera de calidad alta (^{Pinilla y Navarrete, 2010}).

Las variaciones del PCS registrado entre especies y componentes (tallo, rama y hojas) se relacionaron con las diferencias en la composición química de la biomasa ( ^{Senelwa y Sims, 1999}). Los dos taxa de Eucalyptus tuvieron propiedades elementales similares para el potencial energético de su biomasa (Figura 2). En evaluaciones de las características de los combustibles provenientes de E. globulus y A. dealbata, manejadas con el sistema de rotación corta, se obtuvo un poder calorífico superior a 4 705 kcal g^-1 en árboles con tres años de edad (^{Senelwa y Sims 1999}), lo que concuerda con los resultados que se documentan con vástagos de dos años de edad.

En plantaciones unifustales de A. dealbata con edades de cuatro a seis años, los tallos registraron valores bajos de PCS en diferentes localidades de Chile, con valores de 3 909 kcal kg^-1 a 4 288 kcal kg^-1 (^{Pinilla y Navarrete, 2010}). Los componentes tallo, ramas y hojas mostraron diferencias en su poder calorífico, lo que coincide con lo documentado en la literatura, en la que se citan valores altos de poder calorífico en las hojas de E. globulus, con valores de 5 730 kcal kg^-1 (^{Senelwa y Sims, 1999}). Lo anterior, supera a los resultados del presente estudio para las tres especies, en los que las hojas en los vástagos proventicios tuvieron un poder calorífico entre 5 100 y 5 300 kcal kg^-1.

El número de vástagos y su nivel de dominancia influyeron en el PCS de la madera, en todos los taxa analizados. Se observó una tendencia a su disminución en tocones con alto número de vástagos y cuando fueron menos dominantes, por lo que el crecimiento y lignificación fue menor, con respecto a los dominantes. Esto fue más evidente en A. dealbata que registró el mayor número de vástagos, y ello influyó negativamente en su crecimiento, lignificación y PCS.

La variación en el PCS fue más notoria en ramas y hojas, mientras que los tallos presentaron más estabilidad, en relación con el resto de los órganos. Los vástagos proventicios dominados de E. denticulata pierden hasta 28 % de su poder calorífico en el componente hojas, ramas y tallos (Figura 2), especialmente, con una densidad de plantación de 10 000 árboles ha^-1, en la que se observó, también, que los vástagos adventicios redujeron su PCS por efecto del nivel de dominancia.

A. dealbata presentó más proporción de vástagos proventicios que mantuvieron su PCS (Figura 2), lo cual se consideró como una propiedad típica de la mayoría de las acacias, por su tipo de crecimiento cespitoso. Solo en la densidad de 10 000 árboles ha^-1 se observó reducción paulatina del PCS a medida que disminuyó el nivel de dominancia del vástago, lo cual fue más notorio en las hojas y ramas. Los resultados evidencian que se debe dar prioridad al manejo de vástagos proventicios, dejando dos o tres por tocón, con lo que se obtendrán valores altos de poder calorífico, sustentado por la composición química de la biomasa (^{Susott et al., 1975}; ^{Murphey y Masters, 1978}).

Conclusiones

En los tres taxa estudiados bajo el sistema de rotación corta (SRC) hay variación considerable en la densidad básica de la madera y poder calorífico superior. La variación entre especies se relaciona con la densidad de plantación, que influye en la respuesta de cada taxón en cuanto al número de vástagos y al crecimiento de estos, medido en Dac y altura. Los valores altos para el número de vástagos afectan negativamente la densidad básica y el poder calorífico, por lo que es recomendable hacer aclareos y podas. El sistema de rotación corta favorece la reducción de turnos de cosecha, con lo cual aumenta la biomasa por unidad de superficie, sin perder sus propiedades elementales, especialmente, cuando se usan dos vástagos de tipo proventicio por tocón. Las dos especies de eucalipto evaluadas, y en menor medida A. dealbata, cuentan con características que favorecen su uso en la producción de biomasa, a partir de vástagos, con fines dendroenergéticos.