Área de estudio y selección de sitios

El área de estudio comprendió la parte central del corredor ecológico de la Sierra Madre Oriental, dentro del estado de San Luis Potosí, correspondiente a los municipios Alaquines y Lagunillas (Figura 1), que se ubican en una zona de alto riesgo de incendios, de acuerdo con la Ley para la Prevención y Manejo Integral e Institucional de los Incendios Forestales para el Estado de San Luis Potosí.

Figura 1 Localización de los sitios de estudio (rectángulos negros) dentro del Corredor Ecológico de la Sierra Madre Oriental del estado de San Luis Potosí, México (área sombreada). 

La fisiografía está representada en su mayoría por sierras, y en menor proporción por cañones, valles y planicies cuya altitud varía entre 250 y 1 800 m. La conformación geológica de los principales sustratos se constituye por rocas calizas que han dado lugar a geoformas kársticas como consecuencia de la disolución de dichas rocas.

Los climas prevalecientes en el área de estudio, según la clasificación de Köppen modificada por ^{García (1973)}, son el cálido subhúmedo (A)C(W_o), con precipitación media anual entre los 800 y 1 200 mm y temperatura media anual de 22 a 24 °C; y el clima semicálido subhúmedo (A)C(W₂), con precipitación media anual entre 1 200 y 1 500 mm y temperatura media anual de 18 a 22 °C.

Los principales tipos de vegetación son el bosque de encino, el matorral submontano y las selvas bajas y medianas caducifolias y subcaducifolias. La agricultura y la ganadería se practican de manera extensiva y la caña de azúcar es el primer cultivo en la región (^{Rzedowski, 2006}).

La respuesta hidrológica y la producción de sedimentos se caracterizaron en dos sitios incendiados, con un tiempo desde el incendio menor a tres años hasta el momento de las mediciones. Ambos se localizaron en suelos de tipo Leptosol y con características similares en términos de topografía y vegetación (Cuadro 1).

En cada sitio, se identificaron visualmente áreas con tres condiciones posincendio de acuerdo a lo propuesto por ^{Odion y Hanson (2006)}: (1) severidad alta, en donde la vegetación leñosa fue quemada en más de 80 %, (2) severidad moderada, donde el fuego afectó entre 40 % y 80 % de la vegetación leñosa, y (3) áreas con evidencia mínima de fuego o sin quemar, donde la vegetación leñosa fue afectada en menos de 10 %.

Estado de la superficie del suelo y simulaciones de lluvia

Se seleccionaron cinco áreas de cada condición posincendio dentro de los sitios para establecer parcelas de simulación de lluvia y evaluar la escorrentía y la producción de sedimentos. Previo a las pruebas de simulación de lluvia, se estimó visualmente la proporción (%) de la cobertura de plantas, mantillo y fragmentos de rocas que cubrían las parcelas, y la suma de todos estos componentes representó la cobertura total. Se les tomó una fotografía y se verificó la cobertura por componente en gabinete, mediante una clasificación digital. La rugosidad de la superficie se midió con una cadena metálica de 3 mm, dispuesta a lo largo de la parcela de simulación (^{Saleh, 1993}) y la pendiente con un nivel portátil marca Petrul. Se recolectaron dos muestras de suelo superficial (0-5 cm) adyacentes a cada parcela de simulación de lluvia para determinar contenido de humedad, densidad aparente (g cm^-3) con el método de la probeta y las fracciones (%) de arena, limo y arcilla por el análisis granulométrico con el método de la pipeta. Todas las simulaciones de lluvia se realizaron en la primavera de 2014, cuando la humedad antecedente del suelo en su capa superior fue <8 % (w/w).

Se utilizaron infiltrómetros de tipo Cornell, los cuales son simuladores de lluvia portátiles (Cornell Sprinkle Infiltrometer) (^{Ogden et al., 1997}), que se colocan en parcelas circulares de 457.3 cm² para aplicar agua de lluvia (Figura 2). Estos son robustos, prácticos y se transportan con facilidad en terrenos de difícil acceso. Tienen un depósito para agua (20 L) con una pipeta que permite el paso de aire durante las pruebas de simulación, que además sirve para definir la intensidad de la lluvia, si se modifica su altura dentro del depósito. El agua de lluvia sale del simulador por gravedad, y, al pasar por un sistema capilar formado por pequeños tubos en espiral, forma gotas que caen a la parcela delimitada por un anillo metálico insertado dentro del suelo a una profundidad de 7 cm, que tiene una salida para la recolección de la escorrentía. Para los fines del estudio, los simuladores de lluvia se calibraron para aplicar, en promedio, 287.5 mm h^-1 (D. E. = 57.8 mm h^-1) de agua durante 30 min, que representa eventos de lluvia de intensidad alta que producen escorrentía y erosión en la región. Tasas de aplicación de lluvia similares se han usado para producir escorrentía con ese tipo de simuladores (^{Mohammadshirazi et al., 2016}; ^{Santi et al., 2016}).

a) Infiltrómetro instalado en el sitio de estudio; b) Detalle del interior de una parcela de medición de escorrentía.

Figura 2 Infiltrómetro Cornell con simulador de lluvia. 

Una vez que se produjo escorrentía, se midió su volumen cada minuto hasta el término de la simulación de lluvia. La tasa de escorrentía se graficó con el tiempo de duración del experimento, para generar hidrogramas por cada una de las condiciones posincendio. Se calcularon las tasas de escorrentía promedio y escorrentía máxima (el valor de escorrentía más alto alcanzado durante la simulación de lluvia en mm h^-1) para cada parcela de simulación de lluvia. Se recolectaron submuestras de 150 mL de la escorrentía producida en cada parcela y fueron secadas en el laboratorio de suelos del Instituto de Investigación de Zonas Desérticas de la UASLP a 105 °C por 24 h, para determinar la producción total de sedimentos (g m^-2).

Análisis de datos

Para detectar diferencias entre curvas de escorrentía, los hidrogramas se agruparon por condición posincendio, y se compararon usando 1 000 pruebas de permutación con la opción Growthcurve de la librería Statmode disponible en el programa R (^{R Development Core Team, 2015}).

La tasa de escorrentía promedio, la tasa de escorrentía máxima y la producción total de sedimentos en las parcelas de simulación de lluvia se cuantificaron con base en un análisis de varianza no-paramétrico Kruskal-Wallis en virtud de que los datos no seguían una distribución normal. Se utilizaron contrastes en pares para identificar diferencias entre condiciones posincendio y los valores de significancia estadística para ambos análisis fueron especificados como P < 0.05.

Para identificar las principales características de la superficie del suelo que influyen en la escorrentía promedio y la producción de sedimentos, se integraron todos los datos de las tres condiciones posincendio y se construyeron árboles de regresión con la librería Rpart en el programa R.

Este método no-paramétrico fragmentó, de manera recursiva, un espacio multidimensional definido por variables explicativas en subgrupos lo más homogéneos posible para minimizar la varianza. Los datos de la escorrentía promedio y la producción de sedimentos se dividieron en nodos internos con las variables explicativas ordenadas de manera jerarquizada y descendente hacia la izquierda y derecha del nodo principal, y generaron nodos terminales a partir de los umbrales definidos por las variables explicativas.

Estado de la superficie del suelo

La cobertura de herbáceas, mantillo y cobertura total fueron mayores en las parcelas sin quemar, en comparación con las de severidad moderada y alta (P < 0.005; Cuadro 2). Estas coberturas de herbáceas, mantillo y cobertura total fueron similares en las parcelas de severidades moderada y alta (P > 0.05), y la cobertura de rocas lo fue entre las tres condiciones posincendio; al igual que la pendiente en las parcelas de simulación de lluvia (P > 0.05); sin embargo, la rugosidad fue mayor en las parcelas sin quemar, seguida en orden descendente de las severidades moderada y alta (P < 0.001).

Escorrentía y producción de sedimentos en las condiciones posincendio

En las tres condiciones posincendio, la escorrentía inició en los dos primeros minutos después del inicio de las simulaciones de lluvia. No obstante, las curvas de los hidrogramas en la severidad alta tuvieron valores de escorrentía superiores en comparación con los de la severidad moderada y las parcelas sin quemar (pruebas de permutación; P < 0.002) (Figura 3). Las curvas de la severidad moderada y áreas sin quemar fueron similares entre sí (P > 0.05). En estas dos últimas condiciones, la escorrentía fue menor y se incrementó de forma lenta durante los 30 min de la duración de las simulaciones de lluvia; mientras que, en la severidad alta la escorrentía aumentó rápidamente en la fase de transición (lapso entre el encharcamiento y la escorrentía constante en el hidrograma) y obtuvo los valores más altos durante los primeros siete minutos.

▲ = Severidad alta; ○ = Severidad moderada; □ = Sin quemar. Letras distintas indican diferencias significativas entre curvas (P < 0.05). n = 10 para cada condición.

Figura 3 Hidrogramas por condición posincendio. 

La escorrentía promedio, la máxima y la producción total de sedimentos fueron mayores en parcelas de severidad alta, en comparación con la severidad moderada y áreas sin quemar (P < 0.0001; Cuadro 3). Sin embargo, las diferencias en escorrentía máxima y la producción de sedimentos no fueron significativas entre las parcelas de severidad moderada y en parcelas sin quemar (P > 0.05).

Influencia del estado de la superficie del suelo en la escorrentía y la erosión

Las características de la superficie del suelo de las parcelas de simulación de lluvia que más influyeron tanto en la escorrentía promedio, como en la producción de sedimentos fueron el índice de rugosidad, la pendiente, la cobertura de fragmentos de rocas y la cobertura de mantillo. En términos generales, a menor rugosidad, la pendiente y la cobertura de fragmentos de rocas aumentan; en cambio la cobertura de mantillo disminuye; la escorrentía promedio y la producción de sedimentos se incrementaron (Figuras 4a y 4b). El valor más alto de escorrentía promedio se alcanzó cuando el índice de rugosidad fue menor o igual a 0.344 y la pendiente superior a 6.88 %, lo que produce más de 150 mm h-1.

Si el umbral indicado por cada variable explicativa se cumple, se procede a seguir con la partición de la izquierda, de lo contrario, se sigue con la partición del lado derecho.

Figura 4 Árboles de regresión para explicar: (a) La tasa de escorrentía promedio (negritas; mm h-1), y (b) La producción de sedimentos (negritas; g m-2). 

Por otra parte, en las parcelas donde la escorrentía fue mínima (0 mm h-1), la pendiente fue mayor o igual a 7.50 %, con cobertura de mantillo superior a 65 % y el índice de rugosidad mayor a 0.542. Las condiciones bajo las cuales se produjo más cantidad de sedimento ocurrieron cuando el índice de rugosidad fue menor o igual a 0.344, con una cobertura de fragmentos de rocas mayor a 5 %. Cuando la producción de sedimentos fue mínima, se presentó un índice de rugosidad superior a 0.344 y cobertura de mantillo mayor a 15 %.

Variaciones en la superficie del suelo ocasionadas por incendios

Se analizó el efecto de la severidad de los incendios en la escorrentía y en la producción de sedimentos con simulación de lluvia. Se aporta evidencia de que los impactos del fuego en las características de la superficie del suelo y en la escorrentía y producción de sedimentos persisten aun 3 años después de eventos con severidad alta ocurridos en los encinares estudiados. En general, se advierte que la cobertura de mantillo y la rugosidad de la superficie del suelo cambian en función de la severidad del incendio y ambas son las características de la superficie del suelo que más influyen en la producción de escorrentía y sedimentos. Sin embargo, no todos los parámetros considerados fueron diferentes entre las tres condiciones posincendio, lo que destaca la complejidad de la interacción entre el suelo, la intensidad del fuego, la vegetación y el tiempo desde que ocurrió el incendio; lo que da lugar a diferentes severidades que modifican en distinta magnitud los procesos hidrológicos superficiales (^{Robichaud et al., 2016}).

Los bosques sin disturbio tienen tasas de escorrentía y erosión bajas (^{DeBano, 2000}), pero una vez que sucede un incendio, la superficie del suelo cambia. La cobertura vegetal y de mantillo se reduce, hay una menor intercepción de gotas de lluvia y la rugosidad brindada por la cobertura decrece, lo cual impide el encharcamiento del agua, baja la capacidad de infiltración y aumenta la pérdida del suelo (^{Miller et al., 2013}; ^{Pierson et al., 2013}). De esta manera, la cobertura del suelo cumple la doble función de mitigar el impacto de las gotas de lluvia y de mantener la rugosidad de la superficie, aspectos de gran importancia para favorecer la infiltración y aminorar la erosión.

La cobertura del suelo es una de las características de la superficie que más se modifica con el fuego, y en este estudio varió de manera consistente entre las condiciones posincendio. Fue menor en áreas incendiadas en comparación con las no quemadas, debido a que la mayoría de las especies herbáceas desaparecen incluso con incendios de baja severidad (^{Lavoie et al., 2010}). Las densidades de plantas son menores en áreas quemadas, incluso dos años después del incendio en bosques de encino (^{Elliott y Vose, 2010}). Por otra parte, el mantillo también fue menor en las áreas quemadas, y existe evidencia de que se reduce de forma inmediata luego de un incendio, y pueden pasar entre dos y tres años para recuperar sus niveles preincendio (^{Davies et al., 2009}; ^{Bates et al., 2011}), lo cual concuerda con la información presentada.

Con base en los resultados, la disminución de cobertura en las parcelas de áreas incendiadas deja al suelo desprotegido ante la energía cinética de las gotas de lluvia hasta en 72.5 %, lo que impacta a la escorrentía y producción de sedimentos, incluso después de 31 meses posteriores al incendio.

Uno de los principales hallazgos en este estudio fue la menor rugosidad de la superficie del suelo en áreas incendiadas, con respecto a las no quemadas; la disminución de dicha variable explicó gran parte de la escorrentía promedio y la producción de sedimentos en las parcelas de simulación de lluvia. Los resultados sugieren que el fuego disminuye la rugosidad y deja una superficie más lisa y homogénea debido a la combustión de materiales orgánicos, lo que concuerda con los trabajos de ^{Sankey et al. (2010)} y ^{Stoof et al. (2015)}; esta disminución de la rugosidad reduce la resistencia de la superficie e incrementa el flujo de agua y en consecuencia la erosión. Ello destaca la importancia de conocer la dinámica de la rugosidad en áreas incendiadas, con el fin de mejorar la predicción de procesos hidrológicos y fundamentar medidas de conservación de los suelos, que pueden enfocarse a incrementar la rugosidad de la superficie; por ejemplo, a través de la revegetación.

La densidad aparente y las fracciones de las partículas del suelo no fueron diferentes entre las tres condiciones posincendio. Estas dos propiedades físicas del suelo son quizás en las que menos cambios se registran como consecuencia directa del fuego. En general, las fracciones de las partículas de suelo no son afectadas (^{Oswald et al., 1999}), lo que si puede suceder, es que después de un incendio, la remoción de las partículas más finas en pendientes muy pronunciadas deriva en el aumento de partículas más gruesas (^{Mermut et al., 1997}; ^{Capulín et al., 2009}). Por otra parte, se tiene referencia de que la densidad aparente del suelo se mantiene con valores similares a las condiciones preincendio cuando ocurren conflagraciones de severidad baja y moderada (^{Stoof et al., 2015}), que coincide con los resultados del presente estudio, aunque es posible que luego de incendios frecuentes de baja intensidad, la densidad aparente pueda aumentar debido a que se reduce el porcentaje de macroporos (^{Boyer y Miller, 1994}).

Severidad de los incendios, escorrentía y producción de sedimentos

La escorrentía y la producción de sedimentos fueron mayores por más de un orden de magnitud en las áreas con severidad alta que en las zonas con severidad moderada o sin quemar. En gran medida, los cambios en el suelo por efectos del fuego están asociados al grado de severidad con que el eventoo se presenta (^{Gimeno, 2000}); es decir, aquellas zonas con un grado de severidad mayor tienen cambios más drásticos en las propiedades hidrodinámicas del suelo, en comparación con aquéllas donde es menor.

La escorrentía y la producción de sedimentos fueron diferentes solo en la severidad alta comparada con la moderada y la condición sin quemar, lo que concuerda con lo citado por ^{Ferreira et al. (2005)} y ^{Vega et al. (2005)} para matorrales mediterráneos; y por ^{Robichaud (2000)}, ^{Johansen et al. (2001)} y ^{Benavides y MacDonald (2005)} en bosques de clima templado. Esto debido a que los incendios de severidad baja o moderada no producen cambios notables en la estabilidad de los agregados del suelo; no obstante, los incendios de severidad alta pueden modificar dichaa propiedad en función del tipo de suelo y la desagregación puede ser una consecuencia de la destrucción de la materia orgánica del suelo (^{Mataix et al., 2011}).

En áreas con severidad alta, la pérdida de cubierta superficial deja al suelo con menor protección ante agentes erosivos y con mayor erosionabilidad (^{Robichaud et al., 2016}). En el caso del presente estudio, se confirmó una proporción más alta de suelo desnudo en las parcelas de simulación de lluvia, que resultó en una mayor escorrentía y erosión, como lo documentado por ^{Vieira et al. (2015)}.

Los valores similares de escorrentía y producción de sedimentos en las condiciones de severidad moderada y sin quemar sugieren que la escorrentía puede ser baja aun en áreas quemadas. Esto se explica por la existencia de un umbral en términos de cobertura, y en ese sentido, en áreas incendiadas se ha observado que mientras la proporción de suelo desnudo no sobrepase 70 %, la escorrentía y la erosión son mínimas (^{Johansen et al., 2001}). Lo que concuerda con los resultados aquí documentados, en los que las parcelas con una proporción de suelo desnudo menor a 63.5 % (condiciones de severidad moderada y sin quemar) produjeron las cantidades más bajas de escorrentía y producción de sedimentos, en comparación con las parcelas de severidad alta, con alrededor de 73 % de suelo desnudo (27 % de cobertura total).

Los árboles de regresión mostraron que la rugosidad, la pendiente y la cobertura de mantillo y fragmentos de rocas desempeñan un papel importante en la escorrentía y la producción de sedimentos. En parcelas con un índice de rugosidad alto, mayor cobertura de mantillo y menor pendiente, que corresponden a severidad moderada o sin quemar, se produce la menor escorrentía y arrastre de sedimentos. Este resultado confirma que la rugosidad se relaciona con la cantidad y tipo de cobertura superficial del suelo, ambas variables disminuyen al ocurrir un incendio y ocasionan el aumento del flujo de agua y el transporte de sedimento (^{Miller et al., 2013}).

Los efectos del fuego en las propiedades físicas, químicas e hidrodinámicas del suelo persisten en periodos cortos o largos, en función de la severidad del incendio, las condiciones de la superficie del suelo y la capacidad de recuperación después del incendio (^{Pardini et al., 2004}). Al respecto, el conocimiento detallado del nivel de daño y su temporalidad (severidad, tiempo desde el incendio) es un factor esencial para cuantificar el impacto de los incendios forestales y proceder con acciones de rehabilitación o restauración (^{De Santis et al., 2009}). En el presente estudio se determinó que solo las áreas con severidad alta producen más escorrentía y erosión, lo que puede usarse como un criterio para priorizar acciones de conservación de suelo y agua.

Es necesario señalar que tanto la escorrentía, como la erosión de suelo dependen del nivel de la escala de análisis (^{López et al., 2013}), y los estudios que existen sobre el tema usan diferentes escalas, aparatos e intensidades de lluvia variables (en caso de usar simuladores de lluvia), no siempre incluyen el nivel de severidad del incendio como una covariable, y las mediciones se realizan en diversas temporalidades posincendio, lo cual dificulta la comparación directa de los resultados (^{Malvar et al., 2011}; ^{Vieira et al., 2015}). Esto, aunado a la escasez de investigaciones similares en México, dificulta la posibilidad de contrastar los resultados obtenidos.

A pesar de que la simulación de lluvia tiene limitaciones como herramienta de investigación, en términos de escala, permite comparar las repuestas hidrológicas y de erosión de manera relativa entre diversos tratamientos (severidad de incendios), lo que da un panorama de la dinámica de los procesos hidrológicos superficiales a escala local, y puede servir como base para trabajos a escala de ladera o microcuencas. Para lograrlo, sería recomendable realizar más pruebas de simulación de lluvia y estudiar la interacción de las respuestas hidrológicas con variables que influyen en la escorrentía y la erosión, como la longitud de la pendiente, la variabilidad espacial de las características del suelo y la conectividad hidrológica.