Área de estudio

El estudio se realizó en el ejido Adolfo Ruiz Cortines, ubicado en la Gran Meseta de la Sierra Madre Occidental en la subprovincia denominada Cañones Duranguenses dentro del municipio Pueblo Nuevo, en el estado de Durango, México. Geográficamente, se sitúa entre las coordenadas 23°41' y 23°45' latitud norte y entre los 105°14' y los 105°19' de longitud oeste (Figura 1). El tipo de clima corresponde a Semifrío Subhúmedo con lluvias en verano, e intervalos de precipitación entre 5 y 10.2 mm (^{García, 2004}). El régimen de lluvia en la región suele ser escaso, las mayores precipitaciones ocurren de junio a septiembre, con una precipitación media anual de 850 mm (^{Domínguez-Gómez et al., 2022}). Las temperaturas en el sitio fluctúan de -0.9 °C en el mes de enero y 22.5 °C en agosto, con una evaporación media anual de 97.7 mm; datos obtenidos mediante un sensor automatizado tipo HOBO (Familia H8, Forestry Suppliers, Inc. ^® ) ubicado en colindancia al sitio.

Figura 1 Ubicación del área de estudio en el contexto estatal. 

De acuerdo con la cartografía editada por el ^{INEGI (2010)} en la Red Hidrográfica 2.0, el área de estudio se localiza dentro de la Región Hidrológica 11 (Presidio-San Pedro), la cual comprende la cuenca Río Presidio, que contiene la subcuenca de Arroyo El Jaral. Respecto a la vegetación, en la mayor parte del predio predominan los bosques de pino-encino con distintas condiciones de productividad, destaca la presencia de especies de pinos y encinos: Pinus ayacahuite C. Ehrenb. ex Schltdl. var. veitchi (Roezl) Shaw, P. cooperi C. E. Blanco var. ornelasii (Martínez) C. E. Blanco, P. durangensis, P. leiophylla Schiede ex Schltdl. & Cham., P. teocote, Quercus durifolia Seemen, Q. rugosa Née y Q. sideroxyla Bonpl. (^{Domínguez et al., 2018}).

Medición de los componentes de las precipitaciones

A partir de la delimitación de un área experimental de 2 500 m², se ubicaron tres parcelas de 20×20 m, es decir, una parcela por especie, en cada una se colocaron recolectores de la precipitación directa y de escurrimiento fustal, los cuales fueron considerados como repeticiones dentro de cada parcela homogénea, y se asumió una representatividad del dosel. Las características dasométricas más relevantes que se midieron para los individuos de las tres especies por parcela fueron: diámetro normal (Dn, cm) empleando una forcípula Haglöf ^® Mantax Blue 500 mm, altura total (H, m) por medio de un clinómetro Suunto Tandem ^® 360PC/360R DG, y área de copa mediante una cinta Truper ^® TP50ME con orientación norte-sur y este-oeste (^{Silva-González et al., 2021}); con los datos de esta última variable se consideró la representatividad del dosel por especie. Los datos de cobertura se compararon con los de ^{Domínguez-Gómez et al. (2022)}, quienes establecieron parcelas de estudio en la zona y determinaron que la cobertura promedio de los taxa estudiados fue de 8 m², por lo que se estableció que las coberturas obtenidas son representativas de las especies.

Después de cada evento de lluvia, se realizó la medición del volumen de lluvia de agua precipitada y la toma de una muestra para su análisis químico. Dichas mediciones se llevaron a cabo a partir de junio de 2017 a diciembre de 2020.

Precipitación incidente. La colecta de la lluvia que llega directamente al suelo, sin tener contacto con el dosel vegetal, se recolectó utilizando canaletas en forma de U hechas con PVC de 0.1 m² (100 cm de largo×10 cm de ancho), las cuales fueron conectadas con mangueras a recipientes de 20 L para la recolecta del agua de lluvia; las canaletas se recubrieron con una malla, a fin de evitar su obstrucción con residuos (Figura 2A). En total, se instalaron cuatro canaletas a 1.30 m con respecto al suelo en un lugar desprovisto de vegetación (^{Yáñez-Díaz et al., 2014}).

A = Precipitación incidente y directa; B = Escurrimiento fustal.

Figura 2 Diseño de las canaletas utilizadas para la recolecta de las precipitaciones. 

Precipitación directa. Se utilizó el mismo diseño de la canaleta descrita anteriormente. Se instalaron por parcela de cada especie cuatro canaletas (una por individuo) situadas en la parte baja del dosel de los árboles seleccionados; quedaron fijas en el mismo lugar durante todo el periodo experimental. El total de canaletas fue de 12, ubicadas dentro del sitio de estudio.

Escurrimiento fustal. Para llevar a cabo las mediciones del escurrimiento fustal, se usaron mangueras aceradas de plástico, con perforaciones de 1.5×2.5 cm, colocadas a cada 4 cm. Las mangueras se pusieron sobre los troncos desprovistos de corteza, en forma de espiral, en dos vueltas y media hasta alcanzar una altura máxima de 2 m. Con el fin de evitar la pérdida de lluvia, las mangueras fueron selladas con silicón en la parte superior e inferior (Figura 2B), y se colocaron en los mismos individuos seleccionados para la medición de la precipitación directa (^{Béjar et al., 2018}).

Pluviolavado. Con el fin de conocer los valores de conductividad eléctrica (CE) y pH de las muestras que se recolectaron en cada uno de los componentes (precipitación directa, incidente y escurrimiento fustal), se realizó una medición de manera directa mediante un electrodo de potenciómetro-conductivímetro Consort Multiparameter Analyser ^® modelo C3010.

Pérdidas por intercepción. La intercepción se estimó como la diferencia entre la precipitación incidente y la suma de la precipitación directa y el escurrimiento fustal (^{Cantú y González, 2005}) a través de la Ecuación 1:

Donde:

I = Pérdidas por intercepción (mm)

PI = Precipitación incidente (mm)

PD = Precipitación directa (mm)

SF = Escurrimiento fustal (mm)

Mediante análisis estadístico y regresión lineal, se obtuvieron las estimaciones de los valores de intercepción para cada especie bajo estudio. Todo ello permitió conocer los valores específicos acerca de los volúmenes de agua interceptada para cada especie.

Análisis estadístico

Para demostrar si las variables dependientes pH y conductividad eléctrica provienen de una distribución normal y cumplir con los supuestos básicos relacionados a normalidad de residuos, homogeneidad de varianza de residuos e independencia de residuos para ajustar un modelo de regresión y análisis de varianza, se aplicó la prueba de Kolmogorov y Shapiro-Wilk (^{Brown y Forsythe, 1974}). Al no cumplir con los supuestos antes señalados, se llevó a cabo la prueba no paramétrica de Kruskal-Wallis (^{Ott y Longnecker, 2001}) en el programa estadístico Statistical Package for Social Sciences (SPSS por sus siglas en inglés) versión 22.0 para Windows (^{IBM, 2016}), con un nivel de significancia de 5 %.

La predicción de la precipitación interceptada, precipitación directa y escurrimiento fustal en función de la precipitación incidente se realizó a través del análisis de regresión lineal simple cuya expresión del modelo es la Ecuación 2. La estimación de los parámetros fue aplicando la técnica de mínimos cuadrados.

Donde:

yi = Variable dependiente

xi =Variable independiente

β0 = Ordenada al origen

β1 = Parámetro de la pendiente

ei = Error aleatorio o perturbación; (i=1,2,…,n) de la observación i-ésima, siendo n el número de observaciones utilizadas en el ajuste del modelo.

Precipitación incidente y directa, escurrimiento fustal y pérdidas por intercepción

Durante los cuatro años de estudio (junio 2017-diciembre de 2020) se registraron 2 236.1 mm, distribuidos en 77 eventos de lluvia. Las precipitaciones acumuladas a lo largo del periodo de experimentación indicaron que el año 2018 presentó más número de eventos (23 eventos); sin embargo, la mayor lámina de lluvia se registró en 2020 (649.0 mm) (Figura 3), y representó 29 % del total acumulado.

Figura 3 Precipitación acumulada durante el periodo experimental. 

El porcentaje de la precipitación directa registrada fue de 72.4, 71.9 y 70.4 % para P. durangensis, P. engelmannii y P. teocote, respectivamente, lo cual fue en promedio 73.91 % del total de la precipitación incidente. El análisis de regresión lineal demostró que existe una aceptable relación entre la precipitación directa e incidente en cada una de las especies estudiadas. En los tres taxa, los valores de R ² fueron superiores a 0.70.

^{Besteiro y Rodríguez (2012)}, al estudiar la distribución temporal de las precipitaciones y su redistribución bajo una plantación de Pinus radiata D. Don, registraron 69.2 % de precipitación directa en relación con la precipitación incidente. Los análisis de regresión lineal mostraron un valor de Coeficiente de correlación (R ² )>0.80; es decir que la cantidad de agua que pasa a través del dosel tiene una estrecha relación con el agua sobre el mismo, aun cuando son diferentes especies de pinos, ello indica que la cubierta vegetal dada por los pinos influye de manera inmediata en la redistribución de la lluvia. Además, se ha señalado que el dosel de estos taxones forma un sistema de amortiguamiento y redirección de las gotas, por lo que estas llegan al suelo de una manera más suave y menos impactante, lo cual impide que se presente un proceso de desprendimiento de partículas del suelo y se evita un proceso de erosión (^{Tonello et al., 2014}).

El porcentaje de los escurrimientos fustales, en relación con la precipitación incidente, fue menor a uno por ciento en cada una de las especies. Además, se apreció muy poca variación en los porcentajes, por lo que se puede considerar como no significativo; principalmente se asocia a que las características dasométricas y fenológicas de las especies bajo estudio son muy similares. Los porcentajes de escurrimiento fustal para P. durangensis, P. engelmannii y P. teocote fueron de 0.41, 0.40 y 0.46 %, respectivamente; las similitudes en los porcentajes se relacionan, principalmente, con su tipo de corteza, diámetro y altura. Las tres especies presentan fustes con estrías, así como diámetros y alturas similares (Cuadro 1).

A pesar de que el escurrimiento fustal se considera de poca relevancia debido a que suele representar una minúscula fracción de la precipitación total (incidente), tiene importantes implicaciones biogeoquímicas en los ecosistemas forestales, las cuales van más allá de la abundancia o escasez de agua para el suelo cercano a los fustes (^{Levia y Germer, 2015}; ^{Van Stan y Gordon, 2018}). Por ejemplo, es una fuente significativa del abastecimiento de agua para las especies vegetales suprimidas o que se desarrollan en los estratos inferiores de los bosques (^{Tamez et al., 2018}), y brinda un mayor arrastre tanto de solutos, como de partículas que incorporan nutrientes al suelo (^{Wang et al., 2011}).

El análisis individual de la lluvia total, precipitación directa, escurrimiento fustal e intercepción en cada evento evidenció escaza variabilidad (Figura 4). La mayor acumulación de lluvia ocurrió durante el último periodo, comprendido a partir del evento 60; destacó el evento 64 que presentó la mayor cantidad de agua acumulada para las tres especies. En contraste, el de menor acumulación correspondió al evento 31. Los eventos con mayor precipitación demuestran que al aumentar la cantidad de lluvia incidente, los valores en las otras vías de redistribución se incrementan como producto del escurrimiento de agua en los diversos componentes del dosel forestal. ^{Yáñez-Díaz et al. (2014)} señalan que la lluvia que se deposita sobre el suelo, no es una fracción constante de la precipitación total.

P. = Precipitación; P. D. = Precipitación Directa; E. F. = Escurrimiento Fustal; P. I. = Pérdidas por intercepción.

Figura 4 Dinámica de la precipitación total para las tres especies bajo estudio en las diferentes vías de redistribución de los eventos de lluvia durante el periodo experimental. 

Las pérdidas por intercepción del dosel correspondieron, en promedio, a 28.13 % para las tres especies estudiadas; P. durangensis 27.16 %, P. engelmannii 28.07 % y P. teocote 29.17 %. Los intervalos de intercepción en el presente estudio están dentro de los valores de intercepción citados en la literatura especializada para bosques similares (^{Flores et al., 2016}; ^{Magliano et al., 2019}); lo anterior comprueba que los patrones en los valores de las pérdidas por efecto de la intercepción del dosel siguen una tendencia.

Entender los procesos de intercepción por parte del dosel vegetal brinda la oportunidad de tener herramientas de predicción hidrológica (^{Deng et al., 2022}), ya que es un componente importante del equilibrio hídrico y energético en los ecosistemas forestales. No obstante, los múltiples agentes que intervienen en este proceso y sus interacciones son bastantes complejos (^{Su et al., 2022}). El dosel es la primera parte de la vegetación en entrar en contacto con la lluvia y en afectar su redistribución, lo que hace que su arquitectura y la variación de su estructura aumente la heterogeneidad espacial a través de las diversas vías de redistribución de la lluvia (^{Schumacher y Christiansen, 2015}). En consecuencia, la relación entre el dosel y la intercepción se ha convertido en un tema central en la investigación hidrológica (^{Su et al., 2016}).

En varios estudios (^{Rotenberg y Yakir, 2010}; ^{Wang y Guo, 2023}) se ha demostrado que la intercepción es un componente importante, el cual influye en los microclimas y en el balance hídrico, ya que afecta la cantidad de lluvia que llega al suelo y desempeña un papel en la regulación de la tasa de transpiración de los árboles (^{Zore et al., 2022}). En la Figura 5 se ilustra la dispersión de los datos de la precipitación incidente e intercepción en relación con las tres especies de coníferas durante el periodo experimental.

Cada valor representa la media de las cuatro repeticiones por especie durante los 77 eventos registrados.

Figura 5 Relación entre la precipitación incidente (mm) y la intercepción (mm) para las diferentes especies. 

Los resultados del análisis de regresión lineal entre la precipitación incidente y las pérdidas por efecto de la intercepción se muestran en el Cuadro 2, donde los coeficientes de determinación (R²) estimados fueron de 0.35, 0.44 y 0.36 para P. durangensis, P. engelmannii y P. teocote, respectivamente. Estos valores sugieren una correlación moderada e indican que, aunque la precipitación incidente influye en las pérdidas por intercepción, existen múltiples factores que inciden tanto pasiva como activamente en este proceso. El Coeficiente de determinación para las ecuaciones fue significativo en los tres casos, por lo que se confirma que cuando la cantidad de precipitación incidente (mm) aumenta, se incrementan los valores absolutos de intercepción del dosel.

Pluviolavado

Conductividad eléctrica

El agua que atraviesa el dosel de las especies estudiadas presentó cambios constantes en los valores de la conductividad eléctrica (μS cm^-1), tanto en la precipitación directa como en el escurrimiento fustal en relación con la precipitación incidente. Con base en los resultados, es razonable suponer que a medida que el agua pasa por la cubierta vegetal, arrastra diversas sales minerales que originan cambios en esta propiedad. En la Figura 6 se aprecia el comportamiento de la CE.

P. = Precipitación; P. D. = Precipitación Directa; E. F. = Escurrimiento Fustal. Cada valor graficado representa la media (n=4).

Figura 6 Variación temporal de la conductividad eléctrica en los diversos compontes de la redistribución de lluvia. 

El resumen de los valores de la CE se muestra en el Cuadro 3. La precipitación incidente presentó 32.4 μS cm^-1, que muestra un aumento en comparación con los valores para la precipitación directa en las tres especies estudiadas. Del análisis de los datos de la conductividad eléctrica (μS cm^-1) del agua recolectada, el escurrimiento fustal tuvo un comportamiento más variado respecto a la precipitación directa, con valores por encima de la precipitación incidente debido principalmente a que se presenta una mayor incorporación de partículas y sedimentos durante el movimiento del agua a través del fuste y las hojas. Estos razonamientos permiten suponer diferencias en las composiciones químicas entre los diversos componentes, que se asocian a la presencia de diversas sales minerales e incorporación de partículas (^{Luna-Robles et al., 2019}). Otro factor que altera el comportamiento de la conductividad eléctrica es la cantidad y arrastre de aniones corticales, ya que cuando la ocurrencia y la cantidad de eventos de lluvia disminuyen, se registra más acumulación de iones en la atmósfera, los cuales serán arrastrados por las lluvias posteriores (^{Pérez-Suárez et al., 2006}).

Cuadro 3 Valores promedio de conductividad eléctrica y pH de la precipitación directa (PD), incidente (PI) y escurrimiento fustal (SF). 

Especies	n	pH		CE (µS cm-1)		PI
		PD	SF	PD	SF	pH	CE
Pinus teocote Schltdl. & Cham.	77	4.9±0.06	4.0±0.05	42.2±3.60	84.1±4.80	5.9±0.07	32.4±2.45
Pinus durangensis Martínez	77	5.0±0.06	4.2±0.05	34.5±2.90	56.4±4.45
Pinus engelmannii Carrière	77	5.0±0.05	3.9±0.05	40.2±2.83	84.6±5.30

Los valores representan la media±error estándar de la media (n=77).

pH

Al analizar el comportamiento del pH tanto en la precipitación directa como en el escurrimiento fustal de las tres especies bajo estudio, se observó que sus valores correspondieron, en su mayoría, a moderadamente ácidos, en tanto que para la precipitación incidente fueron ligeramente ácidos (Figura 7).

P. = Precipitación; P. D. = Precipitación Directa; E. F. = Escurrimiento Fustal. Cada valor graficado representa la media (n=4).

Figura 7 Conducta del pH en los diversos componentes de la redistribución de la lluvia. 

En el Cuadro 3 se observa que el pH promedio para la precipitación incidente fue de 5.9, para la precipitación directa en las tres especies bajó a 5.0, mientras que en el escurrimiento fustal el valor alcanzó 4.1. Estudios como el realizado por ^{Béjar et al. (2018)}, quienes estudiaron la redistribución de la precipitación y aporte de nutrimentos en Pinus cooperi C. E. Blanco, documentaron resultados con la misma tendencia; sus registros de pH para la precipitación incidente fueron entre 4.42 y 6.12, pero una vez que el agua fluyó por el dosel disminuyó ligeramente a 4.21, y una vez que el agua entró en contacto y fluyó por el fuste tendió a acidificarse y alcanzar cifras de 3.85.

Los análisis de varianza de la prueba de Kruskal-Wallis para detectar diferencias significativas para las variables de CE y pH de las tres vías de redistribución de la lluvia de los 77 eventos analizados para las tres especies, presentaron diferencias significativas (P<0.05) en la mayoría de los casos para el pH (56 de los 77 eventos), mientras que la CE en 18 de los 77 eventos presentó diferencias. Los resultados del análisis estadístico mostraron que las diferencias entre los eventos están influenciadas por la particularidad de cada evento de lluvia, en la cual incide la intensidad de la tormenta y la dirección del viento, lo que provoca que diversas partículas sean depositadas modificando los valores del pluviolavado en las diversas vías de redistribución (^{Yáñez-Díaz et al., 2014}).