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Introducción
En México, 36 % de los suelos se registran sin degradación aparente, lo que permite proporcionar estabilidad a los ecosistemas a través de la buena aireación, retención de humedad con suficientes espacios porosos que facilitan la penetración del sistema radicular y nutrientes para el establecimiento y desarrollo de la vegetación (Bolaños et al., 2016). Por el contrario, el resto de la superficie (64 %) está afectada por erosión hídrica, eólica y degradación química (Semarnat y CP, 2002). Otras actividades de tipo antrópico como el sobrepastoreo, la agricultura tradicional, el cambio de uso de suelo y el crecimiento de la población influyen en la degradación del suelo, ya que disminuyen la tasa de infiltración del agua de lluvia, lo que se traduce en el aumento de la escorrentía superficial (Turnbull et al., 2010; ONUAA, 2016; Béjar-Pulido et al., 2021) y en la alteración de los flujos de agua vinculados con los bosques (Pérez-Campomanes e Iannacone, 2020), lo cual condiciona la disponibilidad del recurso hídrico para abastecer las necesidades de la población (Chamizo-Checa et al., 2018), situación que se ha agudizado en las últimas décadas por el cambio climático.
En los últimos tiempos se ha reconocido que los bosques suministran bienes y servicios ambientales que contribuyen al desarrollo humano (López-Hernández et al., 2017), entre ellos destaca la captación de agua de lluvia, que en ocasiones es afectada por el uso no sustentable del recurso forestal (Dourojeanni, 2020) cuando se realizan malas prácticas de manejo silvícola (Endara y Herrera, 2016).
Durante el aprovechamiento de los bosques templados se generan impactos negativos temporales en el suelo debido a las actividades como el corte y troceo del arbolado, arrastre de trocería, maniobras de carga, construcción de caminos forestales y extracción de la madera (Dueñez-Alanís et al., 2006; Valladares-Samperio y Galicia-Sarmiento, 2021). Esas acciones alteran las propiedades del suelo en los primeros meses ya que se reduce la cobertura vegetal, lo que deja expuesto el terreno a las lluvias (Muñoz et al., 2013), que a su vez causa un aumento en la densidad aparente (Chaudhari et al., 2013), reducción en la tasa de infiltración y pérdida del suelo por erosión hídrica (Matías et al., 2020). Ante esto, se planteó la necesidad de evaluar el efecto de diferentes prácticas de manejo forestal sobre las propiedades físico-hidrológicas del suelo y su relación con la infiltración del agua en los suelos de un bosque de clima templado.
Materiales y Métodos
Ubicación del área de estudio
El área de estudio se localiza en la sierra alta del estado de Hidalgo, entre las coordenadas geográficas 20⁰36’11’’ latitud Norte y 98⁰36’28’’ longitud Oeste, con altitud de 2 048 msnm (Figura 1).
El clima del área es de tipo C(m)a que corresponde a un templado húmedo con lluvias abundantes en verano, la temperatura media anual es de 12.7 °C y la precipitación de 1 278 mm anuales (Cruz-Leyva et al., 2010). La zona de estudio se sitúa en la región hidrológica RH-26 río Pánuco, cuenca D río Moctezuma y subcuenca V río Metztitlán. El suelo predominante corresponde a un Luvisol crómico y el secundario a un Feozem háplico (Figura 2) pertenecientes a suelos volcánicos (INEGI, 1992).
La vegetación predominante corresponde al bosque de pino-encino con presencia de especies como Pinus patula Schltdl. & Cham. (ocote), P. teocote Cham. & Schltdl. (ocote chino), Quercus rugosa Née (encino de hoja ancha), Q. laurina Bonpl. (encino), Q. laeta Liebm. (quebrache), Q. crassifolia Bonpl. (encino blanco), Alnus arguta (Schltdl.) Spach (aile) (sinonimia de Alnus acuminata subsp. arguta (Schltdl.) Furlow), Arbutus xalapensis Kunth (madroño), Prunus serotina Ehrh. subsp. capuli (Cav.) McVaugh (capulín), Clethra mexicana DC. (pahuilla), Crataegus mexicana DC. (tejocote), Vaccinium leucanthum Schltdl. (cocol), Ternstroemia sylvatica Schltdl. & Cham. (trompillo), entre otras (Servicios Forestales de Hidalgo, 2011).
Tratamientos y condiciones de las áreas
El estudio se realizó en áreas con condiciones similares de tipo de suelo, topografía, pendiente y exposición del terreno dentro de un predio forestal, pero con diferente vegetación, las cuales se describen a continuación:
Área de conservación. Corresponde a un rodal con vegetación original de pino-encino que no ha sido intervenida en más de 50 años, de tal manera que presenta alta diversidad y densidad de arbolado que depositan cantidades considerables de materia orgánica en el piso forestal (Cuadro 1).
Cuadro 1 Datos dasométricos de las áreas de estudio.
| Áreas de estudio | Intensidad de corta (%) |
Diámetro promedio (cm) |
Altura promedio (m) |
Densidad (Árboles ha-1) |
Área basal (m2 ha-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| Área de conservación | 0 | 42.50 | 25.70 | 165 | 23.41 |
| Área intervenida hace 18 años | 25 | 12.50 | 10.00 | 1,665 | 20.43 |
| Área de reciente intervención | 90 | 37.50 | 28.50 | 16 | 1.77 |
Área intervenida hace 18 años. Las condiciones de vegetación fueron similares al anterior, pero con los tratamientos silvícolas aplicados hace 18 años se modificó la cobertura vegetal y gradualmente se recuperó hasta que en la actualidad está en etapa de latizal con predominancia de Pinus patula en altas densidades, además, a través del tiempo se han aplicado tratamientos secundarios de limpias, podas, preaclareos y aclareos que han permitido la incorporación de los desperdicios al suelo (Cuadro 1).
Área de reciente intervención. Corresponde a la última área de aprovechamiento (año 2016), donde se eliminó el total de la vegetación a excepción de 16 árboles ha-1 a partir de la aplicación del método de árboles padre. Lo anterior provocó impactos sobre algunas características del suelo como la compactación por el derribo del arbolado, arrastre de trocerías y movimiento de camiones madereros, así como la modificación de materia orgánica por el control de desperdicios del aprovechamiento que, tradicionalmente, se realiza en la zona mediante quemas puntuales con poco riesgo de generar un incendio forestal (Cuadro 1).
Diseño de muestreo
En cada área seleccionada, se establecieron sitios de muestreo con cinco repeticiones mediante un diseño sistemático a distancias de 150 m y un arreglo en zig-zag (Azañero et al., 2020). En cada punto de muestreo se realizaron pruebas de infiltración y se recolectaron muestras de suelo para determinar en el laboratorio de semillas y suelos del Instituto de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, el contenido de materia orgánica, densidad aparente, porosidad y granulometría.
Medición de variables
Contenido de materia orgánica
Para la determinación del contenido de materia orgánica (MO) en las áreas de estudio, se aplicó la metodología que se resume en el Cuadro 2.
Cuadro 2 Metodología para la determinación de materia orgánica.
| Variable | Método | Unidades | Autor |
|---|---|---|---|
| Contenido de materia orgánica | Walkley y Black | % | Walkley y Black (1934) |
El porcentaje de materia orgánica se determinó mediante las siguientes formulas:
Donde:
% MO = Porcentaje de materia orgánica
M = mL de FeSO4 0.5 N gastado en la muestra
B= mL de FeSO4 0.5 N gastado en el blanco
El cálculo del factor correspondiente para el porcentaje de MO se determinó con la expresión:
Donde:
1.0 = Normalidad del K2Cr2O7
1.72 = Factor de transformación de carbono en MO
0.77 = Factor de recuperación de 77 % descubierto por Walkey
PS = Peso de la muestra (g)
Granulometría
Con la finalidad de clasificar las partículas de suelo, se preparó una muestra compuesta (Vargas et al., 2021) por cada área de estudio, posteriormente se aplicó la metodología descrita en el Cuadro 3.
Cuadro 3 Muestra compuesta y método de Bouyoucos.
| Variable | Método | Unidades | Autor |
|---|---|---|---|
| Muestra | Muestra compuesta | g | Vargas et al. (2021) |
| Granulometría | Bouyoucos | % | Silva et al. (2020) |
Para obtener la granulometría en porcentajes de arcilla, limo y arena se emplearon las ecuaciones siguientes (Silva et al., 2020):
Donde:
L1 = Lectura del hidrómetro tomada a los 60 segundos
T1 = Temperatura uno ±1
L2 = Lectura del hidrómetro tomada a las dos horas
T2 = Temperatura dos ±1
Después de realizar los cálculos respectivos, se procedió a la caracterización del porcentaje mediante el triángulo textural para determinar la granulometría correspondiente al suelo de cada área de estudio (USDA, 1999).
Densidad aparente y porosidad del suelo
Como se observa en el Cuadro 4, para la densidad aparente (Da) y la porosidad del suelo (P) se utilizó la metodología conocida como bolsa abierta propuesta por USDA (1999).
Cuadro 4 Metodología de bolsa abierta propuesta por USDA.
| Variable | Método | Unidades | Autor |
|---|---|---|---|
| Densidad aparente | Open-bag | g cm-3 | USDA (1999) |
| Porosidad | % |
Para determinar la densidad aparente (Da) y posteriormente la porosidad (P) se utilizaron las fórmulas siguientes (USDA, 1999):
Donde:
Da = Densidad aparente (g cm-3)
P = Porosidad del suelo en porcentaje
2.65 = Constante de la densidad de todo mineral (g cm-3)
Pruebas de infiltración
Para las tasas de infiltración se usó el método de infiltrómetro de doble anillo (anillo interno: 25 cm de diámetro, anillo externo: 35 cm de diámetro) (Figura 3) propuesto por Chagoya et al. (2015), que se aplicó en la temporada de lluvia cuando el suelo estaba a capacidad de campo. Posteriormente, el anillo interior se enterró al suelo a 15 cm y el externo a 25 cm; se adicionó una lámina de agua a nivel constante y el descenso del agua se midió en función del tiempo durante dos horas hasta que la velocidad de infiltración fue constante durante un lapso de dos horas (Zapata-Sierra y Manzano-Agugliaro, 2008). Para la obtención de la tasa de infiltración se aplicó el modelo de Kostiakow (Guerrero et al., 2016; Weber y Apestegui, 2016) (Ecuación 8).
Donde:
I = Infiltración acumulada
t = Tiempo acumulado
(a) y (b) = Parámetros del suelo
Análisis estadísticos
Los datos de los parámetros físicos del suelo (densidad aparente, porosidad y capacidad de infiltración del suelo) de las tres diferentes áreas de estudio, se analizaron mediante un análisis de varianza (ANOVA) y la prueba del rango múltiple de Duncan (Rodríguez et al., 2020) con la finalidad de identificar diferencias significativas. El proceso de los datos se realizó con el paquete estadístico Statistical Analysis System para Windows ® (SAS Institute, 1985).
Resultados y Discusión
Se determinó el porcentaje del contenido de materia orgánica en el suelo (MOS), la cual varió de 6.9 a 16.2 %. El área intervenida hace 18 años y la de conservación fueron las zonas con mayor y menor contenido de MOS, con un intervalo de concentración de materia orgánica medio y muy alto, respectivamente (Cuadro 5), lo anterior de acuerdo a la NOM-021-SEMARNAT-2000 (Semarnat, 2002).
Cuadro 5 Contenido de materia orgánica y granulometría en el suelo de tres áreas con diferente grado de perturbación en un bosque de clima templado.
| Área de estudio | Área de
conservación |
Área
intervenida hace 18 años |
Área de reciente
intervención |
|
|---|---|---|---|---|
| Variables | ||||
| Materia orgánica (%) | 16.2 | 6.9 | 15.7 | |
| Intervalo de concentración de MOS | Muy alto | Medio | Alto | |
| Granulometría (%) |
Arcilla | 9.4 | 17.4 | 11.4 |
| Limo | 17.2 | 24.5 | 28.5 | |
| Arena | 73.2 | 58 | 60 | |
| Clase textual | Franco-Arenoso | Franco-Arenoso | Franco-Arenoso | |
Algunas de las diferencias pueden deberse a que la velocidad de humificación de la materia orgánica es diferente en las áreas de reciente intervención y de conservación (hojarasca) en comparación con el área intervenida hace 18 años (mantillo de pino). Una situación similar se presentó en el estudio realizado por Romero-Barrios et al. (2015) en un bosque de oyamel, pino y encino.
La granulometría es relativa a la proporción de partículas presentes en el suelo. En el área de conservación se presentó 9.4 % de arcillas y un máximo de partículas de arena de 73.2 %, mientras que en el área intervenida hace 18 años se tuvo 17.4 % de arcillas y 58.0 % de arenas (Cuadro 5). Con base en el triángulo de texturas (USDA, 1999), las tres áreas que se evaluaron en esta investigación mostraron la clase textural franco-arenosa (Cuadro 5). Estos resultados se asemejan a los publicados por Cruz-Ruiz et al. (2012), quienes evaluaron el efecto en las características edáficas de un bosque templado por el cambio de uso de suelo en la ladera Norte del Parque Nacional Nevado de Toluca, y cuyos resultados indicaron que el uso de suelo de bosque tuvo una proporción de partículas de 6.8 % de arcilla, 38.6 % de limo y 54.7 % de arena. De manera similar, Bayuelo et al. (2019) para un bosque de pino-encino de la Meseta Purépecha, Michoacán registraron 11.8 % de partículas de arcilla, limo 16.0 % y arena 72.2 %, valores muy semejantes a los resultados encontrados en este estudio.
Por otro lado, la densidad aparente como característica física del suelo presentó diferencias significativas (F=3.17, P≤0.0782) entre las áreas evaluadas. En el área de reciente intervención se registró 0.62 g cm-3 en comparación con el área de conservación que presentó 0.32 g cm-3 (Cuadro 6). Estos resultados mostraron que en las áreas de reciente intervención, el suelo se compactó hasta 48.4 % más que en las otras áreas.
Cuadro 6 Densidad aparente, porosidad y capacidad de infiltración del suelo en tres áreas con diferente grado de perturbación en un bosque de clima templado.
| Áreas de estudio | Área de
conservación |
Área intervenida
hace 18 años |
Área de reciente
intervención |
|
|---|---|---|---|---|
| Variables | ||||
| Densidad aparente (g cm-3) | Media | 0.32 a† | 0.54 ab | 0.62 b |
| Mínima | 0.23 | 0.31 | 0.33 | |
| Máxima | 0.39 | 0.68 | 1.06 | |
| Desviación estándar +/- | 0.07 | 0.16 | 0.29 | |
| Porosidad del suelo (%) | Media | 88a† | 80ab | 77b |
| Mínima | 85 | 74 | 60 | |
| Máxima | 91 | 88 | 87 | |
| Desviación estándar +/- | 0.02 | 0.06 | 0.11 | |
| Capacidad de infiltración (cm min-1) | Media | 2.67 | 0.65 | 0.89 |
| Mínima | 1.13 | 0.18 | 0.04 | |
| Máxima | 6.27 | 0.98 | 1.54 | |
| Desviación estándar +/- | 1.84 | 0.27 | 0.49 | |
†Letras iguales en la misma columna indica que no existe diferencia significativa de acuerdo con la prueba de Duncan (P≤0.05).
Los resultados son inferiores a los documentados por Romero-Barrios et al. (2015) en un estudio realizado para materia orgánica y densidad aparente en suelos del Suroeste de la Malinche, Tlaxcala, México, en el cual se consignan 1.5 g cm-3 de densidad aparente, pero coincide con lo establecido en la NOM-021-SEMARNAT-2000 (Semarnat, 2002) para suelos orgánicos y volcánicos, cuya densidad aparente debe ser menor a 1 g cm-3. Se infiere que en las áreas de estudio existe un adecuado flujo de agua e intercambio gaseoso en el suelo que favorece la recarga del acuífero de la región.
Otra variable evaluada fue la porosidad, la cual está directamente relacionada con la densidad aparente. Los resultados indicaron diferencias significativas (F=3.17, P≤0.0783) entre las áreas de estudio. El área de conservación presentó en promedio 88 % de porosidad en el suelo, mientras que en el área de reciente intervención fue de 77 % (Cuadro 6). Los datos de porosidad del suelo en las tres áreas evaluadas evidenciaron que el impacto generado fue mayor en el área de reciente intervención, con un intervalo de 60 a 87 %.
Los valores obtenidos de porosidad en este estudio son similares a los registrados por González-Barrios et al. (2011) quienes señalan que los espacios porosos en suelo de bosque son superiores a 62 % del volumen total. Por otro lado, Jourgholami et al. (2019) en el distrito de Tangar, en la región de Tyrumrud de los bosques de Hyrcanian (Irán), estimaron indicadores físicos, químicos y biológicos del suelo para evaluar la restauración de un suelo compactado después de la reforestación, y obtuvieron en cuatro tratamientos una máxima porosidad de 57.31 %.
El análisis de la prueba de infiltración vertical del recurso hídrico en el suelo forestal indicó diferencias significativas (F=3.95, P≤0.0481) entre las áreas. La capacidad de infiltración del suelo en el área de conservación tuvo en promedio una tasa de 2.67 cm min-1. El área de reciente intervención registró el valor mínimo de movimiento vertical del agua con 0.04 cm min-1 (Cuadro 6). Cabe añadir que la capacidad de infiltración del suelo en el área de conservación tuvo valores entre 1.22 y 6.80 cm min-1 durante los primeros 12 minutos, en ese mismo tiempo las variaciones en las otras dos áreas fueron de 0.06 hasta 2.78 cm min-1. A partir del minuto 14, la capacidad de infiltración fue mayor en el área de conservación con tendencia a estabilizarse (1.84 a 3.03 cm min-1) a los 120 minutos. Sin embargo, para el área de reciente intervención, los valores de la capacidad de infiltración fueron menores en el mismo periodo (0.55 a 1.13 cm min-1). Por último, hay que resaltar que el área intervenida hace 18 años presentó menor capacidad de infiltración del minuto 14 al 58 (Figura 4B), pero experimentó un incremento notorio a partir del minuto 60, con valores similares (1.97 a 2.57 cm min-1) al área de conservación (Figura 4A).
Figura 4 Comportamiento de la capacidad de infiltración (cm/min-1) del suelo en tres áreas con diferente grado de perturbación en un bosque de clima templado.
Los resultados obtenidos en este trabajo son semejantes a los documentados por Lozano-Trejo et al. (2020) en un estudio realizado en la cuenca del Sur de México sobre infiltración y escurrimiento de agua en el suelo, donde obtuvieron una infiltración básica del suelo de 2.29 cm min-1 para un bosque similar al área de conservación a diferencia de Matías et al. (2020), quienes en una investigación referente a los factores que influyen en la erosión hídrica del suelo en un bosque templado, observaron que en la vegetación de pino se puede llegar a tener una infiltración de 0.19 cm min-1 (11.76 cm h-1), datos que difieren a lo registrado en el presente estudio. Por otro lado, Monárrez-González et al. (2018) señalan que los bosques bajo aprovechamiento forestal tienden a recuperar su flujo de infiltración con el tiempo, después de las actividades de abastecimiento que causan un impacto temporal sobre las variables hidrológicas, como se refleja en los resultados que aquí se documentan.
Conclusiones
Las características físico-hidrológicas en el suelo forestal se modifican de manera temporal por las actividades propias del aprovechamiento forestal maderable de los bosques templados de pino-encino, lo que aumenta la densidad aparente, reduce la porosidad y disminuye la tasa de infiltración del recurso hídrico durante un evento de precipitación.
Durante el establecimiento y desarrollo de las nuevas masas forestales resultantes del aprovechamiento, el suelo forestal tiende a recuperar sus condiciones físicas y químicas a través del tiempo, lo que incrementa la porosidad y la capacidad de infiltración del agua de lluvia. Este impacto positivo se atribuye al crecimiento y desarrollo del sistema radicular de la nueva vegetación, a la incorporación constante de materia orgánica y a poblaciones de microorganismos presentes en suelo.
