Introducción

El concepto de vulnerabilidad ha sido una poderosa herramienta analítica para describir estados de susceptibilidad a daños, la marginalidad de sistemas tanto físicos como sociales y para guiar el análisis normativo de acciones para mejorar el bienestar a través de la reducción del riesgo (^{Adger, 2006}). La vulnerabilidad se centra en la investigación del cambio climático, así como lo relacionado con los desastres naturales y gestión de desastres, ecología, salud pública, pobreza y desarrollo social (^{Füssel, 2007}). La vulnerabilidad regional revela los efectos diferenciales del clima sobre la sociedad, por ello es imperativo el estudio de las causas y la distribución de los impactos del cambio climático en los sistemas agroproductivos a partir de considerar la compleja interacción de los factores ambientales, sociales, económicos y políticos involucrados en cada región o área geográfica (^{Torres et al., 2011}).

La producción de café en México es una de las actividades más rentables, con mayor valor comercial para la industria. El café se cultiva en una superficie total de 760 000 ha distribuida en 12 estados de la República Mexicana (^{López et al., 2007}).

El cambio climático que se espera en el transcurso del siglo XXI puede afectar la productividad de diferentes cultivos agrícolas, incluyendo el café. ^{Camargo (2010)}, menciona que la variación anual de la producción de café está relacionada principalmente con la variación climática, debido a que los factores climáticos afectan el desarrollo de las fases fenológicas del cultivo. Por ejemplo, el proceso de la fotosíntesis se limita cuando se produce el estrés hídrico, debido al cierre de estomas y a la reducción de actividades fisiológicas de la planta. Otro factor climático que puede reducir la productividad son las temperaturas extremas del aire, menores a 4 °C ocasionan el amarillamiento de las hojas y muerte de tejidos y brotes, mientras que temperaturas mayores a 30 °C reducen la fotosíntesis y provocan abortación de flores (^{Pérez y Geissert, 2006}), lo que resulta finalmente en una pérdida de la cosecha. ^{Villers et al. (2009)} evaluaron el impacto del cambio climático sobre la floración y desarrollo del fruto de la planta de café (Coffea arabica L.) en la región de Huatusco, Veracruz, como resultado se obtuvo que el cambio de temperatura del aire puede alterar el inicio de la floración y el cambio de las variaciones en la disponibilidad de agua durante el crecimiento del fruto, afectando significativamente el rendimiento de café. ^{Gay et al. (2004)} aplicaron un modelo empírico econométrico para explorar la relación entre la producción de café en función de las variables climáticas y económicas en el estado de Veracruz y estimar el impacto potencial del cambio climático sobre este cultivo. Como resultado, concluyeron que a mitad del siglo XXI se espera una reducción de entre 22 y 27% de la productividad de café debido al incremento de la temperatura y la reducción de la precipitación. ^{Schroth et al. (2009)} utilizaron el programa Maxent basado en el modelado del hábitat de las especies, el cual toma en cuenta como entrada un conjunto de variables ambientales y ubicaciones georeferenciadas, este programa es considerado muy preciso para la predicción de cambios adecuados en las variedades de especies de crecimiento. Los resultados obtenidos predicen una fuerte disminución en el hábitat para el cultivo de café (Coffea arabica L.) en la Sierra Madre de Chiapas para el año 2050.

De acuerdo con un estudio realizado en Nicaragua, El Salvador, Guatemala y México, el efecto de los cambios en el clima podría ser severo; para el año 2050 las fincas cafetaleras de estos países pueden perder entre el 20 y 81% de su producción actual (^{ASIC, 2012}). Estudios en Brasil muestran que para los años 2020, 2050 y 2070 el cultivo de café (Coffea arabica L.) sufrirá una importante redistribución geográfica, perdiendo hasta un 33% de la superficie actual (^{Haggar y Schepp, 2012}). Los estudios sobre el impacto del cambio climático en la producción de café en Kenia para el año 2050 revelan que las zonas con altitudes alrededor de 1200 m sufrirán disminución en la producción de café, debido a la disminución de la precipitación del mes más seco y el incremento de la temperatura mínima del mes más frío (^{Haggar y Schepp, 2011}).

Para estimar el impacto potencial del cambio climático sobre la producción de café se utilizan diferentes modelos matemáticos basados en:

1) La relación de ecuaciones de regresión entre algunos factores climáticos y desarrollo del cultivo o su rendimiento. Estos modelos se conocen como modelos de regresión (^{Lin et al., 2008}; ^{Paavola, 2008}; ^{FONTAGRO, 2010}; ^{ASIC, 2012}; ^{Haggar and Schepp, 2011} y ²⁰¹²; ^{Laderach et al., 2011}).

2) Las relaciones empíricas sobre la dependencia de la productividad de café en función de los factores climáticos, económicos y aún los factores colaterales como tipo de plagas y enfermedades dependientes del cambio de las condiciones climáticas (^{Gay et al., 2004}; ^{Jaramillo et al., 2011}). Estos modelos también se basan en el tratamiento estadístico previo de los datos empíricos acumulados en el pasado. Tales modelos se llaman empíricos.

3) Simulación teórica de desarrollo del cultivo en función de sus características biológicas y las características climáticas de la región de estudio. Estos tipos de modelos se llaman modelos teóricos y tienen preferencia en comparación con los modelos de regresión o modelos empíricos, debido a que consideran detalladamente las particularidades fisiológicas del cultivo y su respuesta al cambio climático. Los modelos teóricos se están aplicando actualmente en varios países del mundo (^{FAO, 2008}; ^{Davis et al., 2012}; ^{Bunn et al., 2013}).

El modelo teórico propuesto por la ^{FAO-IIASA (2000)} es uno de los más usados actualmente en el mundo. Con este modelo estimaron la vulnerabilidad de café al cambio climático, incluyendo la especie Coffea arabica L., en los países de África y Asia principalmente (^{FAO, 2008}; ^{Davis et al., 2012}; ^{Bunn et al., 2013}). En México este modelo fue aplicado para otros cultivos: maíz, trigo y frijol y no ha sido aplicado para el cultivo de café. La estimación del impacto del cambio climático sobre la productividad de café en México se ha hecho solamente con los modelos de regresión (^{Lin et al., 2008}; ^{ASIC, 2012}; ^{Laderach et al., 2011};) o empíricos (^{Gay et al., 2004}; ^{Jaramillo et al., 2011}).

Por eso el objetivo del presente trabajo fue evaluar la vulnerabilidad de la producción del cultivo de café (Coffea arabica L.) en la zona centro del estado de Veracruz a mediados del siglo XXI, utilizando el modelo teórico de la ^{FAO-IIASA (2000)} sobre el desarrollo del cultivo de café en función de sus características biológicas y las condiciones climáticas esperadas a mitad del siglo XXI.

Materiales y métodos

El presente estudio se llevó a cabo en la zona centro del estado de Veracruz conformada por las regiones cafetaleras de Atzalan, Misantla, Coatepec, Huatusco, Córdoba y Tezonapa. En esta zona se concentra el 90% de los productores y el 93% del total de la superficie cafetalera de la entidad; conformando así, la principal zona compacta productora de café en el país (^{López et al., 2007}). Las regiones cafetaleras estuvieron conformadas por 47 sitios de referencia, ubicados entre las latitudes de 18° 36’ a 20° 4’ y altitudes que van desde los 600 a 1500 m. Para cada sitio de referencia existen datos meteorológicos registrados en las estaciones ubicadas dentro de cada uno de los sitios. En esta región existen condiciones climáticas diferentes: lluvioso tropical, seco y templado seco. Precipitación promedio anual de 1717.3 mm, temperatura media anual de 20.2 °C. La radiación global promedio anual fue estimada con el modelo de Hargreaves propuesto por ^{Allen et al. (2006)} con un valor promedio de 5285.6 MJ m^-2 año^-1.

Para la realización de este trabajo se utilizaron los escenarios climáticos A2, A1B, B1 que describen las relaciones entre las principales fuerzas demográficas, económicas y tecnológicas que determinan las emisiones futuras de los gases de efecto invernadero y el escenario COMMITED (COM), el cual corresponde al escenario idealizado en que todos los países cumplen con las cuotas de gases de efecto invernadero bajo el protocolo de Kyoto; todos estos escenarios desarrollados para las regiones cafetaleras del estado de Veracruz en diferentes concentraciones de CO₂ en la atmósfera esperadas para el año 2050 (de 473 a 536 ppm en comparación con la concentración actual de 390 ppm) (^{INE, 2010}). Los escenarios climáticos utilizados fueron datos anuales de promedios mensuales de temperatura y precipitación a mitad del siglo XXI (2050).

Los rendimientos del cultivo de café se calcularon para principios y mediados del siglo XXI, utilizando la ecuación propuesta por la ^{FAO-IIASA (2000)}:

(1)

donde: Ycalj es la productividad agrícola del cultivo de café (Coffea arabica L.) (en kg ha^-1 año^-1 de café cereza) en los sitios de referencia para las condiciones climáticas promedio anuales típicas, los períodos marcados con el superíndice j; j = 2000 corresponden a inicios del siglo XXI y j = 2050 a los escenarios climáticos estimados a mediados del siglo XXI; Ymaxj es el rendimiento potencial máximo del mismo cultivo (en kg ha^-1 año^-1) que depende de los valores mensuales de temperatura del aire y de radiación fotosintéticamente activa, así como las características fisiológicas del cultivo; ISNH^j es el índice de satisfacción de las necesidades hídricas (adimensional, varía de 0 a 1). Este índice caracteriza la disponibilidad de agua en el suelo para el cultivo durante su crecimiento, y depende de la relación entre los valores mensuales de precipitación y la evapotranspiración potencial.

Los cálculos de la productividad de café promedio anual a inicios del siglo XXI (j = 2000) se realizaron para verificar la correlación entre los rendimientos calculados con los rendimientos observados. Para calcular los rendimientos Y²⁰⁰⁰ se utilizaron valores promedios de temperatura y precipitación del periodo 1980-2010 (^{SMN, 2012}). Para pronosticar los rendimientos Y²⁰⁵⁰ del año 2050 se utilizaron los escenarios de cambio climático mencionados anteriormente.

Los cálculos del rendimiento máximo potencial se basan en principios ecofisiológicos en particular y consideran la cantidad total de biomasa neta (Bn) producida por un cultivo y un índice de cosecha (IC), que es la fracción de Bn correspondiente al producto agrícola:

(2)

donde: Ymaxj Bn se expresan en (en kg ha^-1 año^-1 de café cereza); j = 2000 o 2050; IC es adimensional y varía de 0 a 1.

El valor de Bn (en kg ha^-1 año^-1) se calcula con la siguiente Ecuación:

(3)

dónde: b_gm es la tasa máxima de producción de biomasa bruta de un cultivo de referencia con el índice de área foliar (IAF) igual a 5 (en kg ha^-1 día^-1); b_gm depende principalmente de la concentración de CO₂ en la atmósfera y de la radiación fotosintéticamente activa; n es la duración del ciclo normal del cultivo de café (Coffea arabica L.). Según los datos de ^{FAO-IIASA (2000)} n = 270 días. La metodología de la FAO-IIASA asume que la radiación fotosintéticamente activa es aproximadamente la mitad de la radiación global; C_t es la fracción de la tasa de producción de biomasa bruta que se pierde en el proceso de respiración de mantenimiento (energía utilizada para renovación de los componentes celulares), la cual depende de tipo de cultivo y de la temperatura media del aire (kg ha^-1día^-1); L es la fracción de la tasa máxima de crecimiento del cultivo, por cobertura incompleta del terreno cuando el IAF es menos de 5 (adimensional).

Para calcular los valores de b_gm se estimó la tasa máxima de producción de biomasa P_m (en kg CH₂O ha^-1 h^-1). Los valores de b_gm se calcularon de la siguiente manera:

(4)

(5)

donde: b_o o b_c: tasas brutas de producción de materia seca para un cultivo de referencia hipotético (kg CH₂O por ha^-1 h^-1) en días completamente nublados y días completamente despejados, respectivamente, con dosel cubriendo completamente el terreno y una tasa máxima de producción de biomasa de 20 kg ha^-1 h^-1; y N: parámetro adimensional dependiente de la radiación fotosintéticamente activa teórica o potencial diaria con el cielo totalmente despejado Ac (MJ m^-2 día^-1) y de la radiación global de onda corta Rg (MJ m^-2 día^-1), calculado con la Ecuación (6):

(6)

La estimación se realizó utilizando la información bibliográfica sobre IC, IAF, ruta fotosintética de ^{FAO-IIASA (2000)}. P_m, b_o, b_c fueron obtenidos de la publicación ^{De Wit (1966)}, así como datos regionales sobre inicio y duración del ciclo del cultivo de café en México. Para calcular se consideró que según las publicaciones de ^{Cure y Acock (1986)} y ^{Anthony y Ziska (2000)} el IC prácticamente no depende del cambio climático. Además fue supuesto que ni el IAF, ni la duración del ciclo del cultivo (n) cambian significativamente durante el período de 2000 a 2050, es decir que la fenología del cultivo de café no debería afectarse notablemente en función de los escenarios del cambio climático.

Los valores del índice hídrico ISNH se han calculado con la ecuación basada en el balance de agua en la zona radical propuesta por ^{Frére y Popov (1986)}:

(7)

dónde: ISNHij es el índice de satisfacción de las necesidades hídricas del mes i en el año j; ISNHi-1j es el valor del índice en el mes anterior en el mismo año; DEFij es el valor absoluto de la deficiencia de humedad en el mes i del año j; Σi-1mNHj es la suma de las necesidades hídricas de todo el ciclo del cultivo en el año j con la duración igual a la suma de meses i igual a m, en el periodo del 15 de febrero al 15 de noviembre, en el cual la planta tiene su producción de biomasa (^{FAO- IIASA, 2000}).

Cabe mencionar que los valores de ISNH y DEF consideran la evapotranspiración potencial. Cuando el cafetal se encuentra bajo sombra es necesario considerar el efecto de reducción de la evapotranspiración. Para verificar el efecto de la sombra se realizaron los cálculos preliminares de la evapotranspiración utilizando los datos bibliográficos sobre distribución de la radiación neta dentro o debajo de la copa de los árboles (^{Chang, 2001}), así como las observaciones experimentales sobre el cambio del microclima y de la productividad de café en el caso de la sombra (^{Siles, Harmand y Vaast, 2010}). Considerando que el objetivo principal de los cálculos es estimar el cambio relativo del rendimiento a mitad del siglo XXI (Y²⁰⁵⁰) como una fracción del rendimiento al inicio de este siglo (Y²⁰⁰⁰), fue necesario estimar los valores relativos de ISNH y DEF: ISNH²⁰⁵⁰/ISNH²⁰⁰⁰ y DEF²⁰⁵⁰/DEF²⁰⁰⁰. Por esta razón se concluyó que se puede ignorar el efecto de la sombra si asumimos que la arquitectura de la vegetación no va cambiar significativamente en el tiempo.

Finalmente se estimaron los cambios relativos de los rendimientos del cultivo de café a mediados del siglo XXI (Y↓(cal)↑2050) en comparación con la productividad actual (Y↓(cal)↑2000):

(8)

Los rendimientos calculados con la fórmula (1) corresponden al caso de altos insumos, ignorando riesgo de pérdida de cosecha por plagas y enfermedades o por los casos extremos del clima de tipo de heladas o huracanes. Sin embargo, considerando que el objetivo del trabajo es evaluar el cambio relativo de los rendimientos con la fórmula (8), se supone que se puede aceptar el enfoque aplicado en el presente trabajo en el caso donde el nivel de los insumos no va a cambiar significativamente a mitad del siglo XXI en comparación con su inicio.

Resultados y discusión

Para verificar la confiabilidad de los cálculos de rendimiento, se consideraron los rendimientos medios reales de café Yreal2000 (en kg ha^-1 año^-1 de granos crudos de café) producidos en un periodo de siete años (2003- 2010) en los municipios que conforman la zona centro del estado de Veracruz (SIAP, 2011), comparados con los rendimientos Ycal2000 calculados considerando información meteorológica actual sobre temperatura y precipitación (Figura 1).

Figura 1 Comparación de los rendimientos del cultivo de café calculados (Y_calc/Y_calc^máx_2000) y reales (Y_real/Y_real^máx_2000) en municipios de la zona centro del estado de Veracruz. La recta se describió con la Ecuación (9). 

Los valores de los rendimientos en la Figura 1 son adimensionales, presentados como fracción de los rendimientos máximos observados (Y_real^máx_2000) o real calculados (Y_calc^máx_2000). El valor Y_real^máx_2000= 2146.5 kg ha^-1 año^-1 de café cereza, fue obtenido como el rendimiento promedio anual observado en el período del 2003 al 2010 entre los sitios de referencia analizados en el estado de Veracruz. El valor Y_calc^máx_2000 = 2135.6 kg ha^-1 año^-1, es el rendimiento máximo entre los rendimientos calculados para cada uno de los sitios de referencia con los datos meteorológicos disponibles promedio anuales a principios del siglo XXI.

El tratamiento estadístico de la relación entre y en la Figura 1 se realizó con el programa Curv Expert (^{Hyams, 1997}) lo que permitió obtener la siguiente ecuación lineal:

(9)

Se obtuvo un coeficiente de correlación 0.819 (P = 0.000) y error estándar de estimación Sxy = 0.0361; al realizar el análisis de regresión se obtuvo que el porcentaje de la variabilidad total del rendimiento máximo calculado y el rendimiento real máximo es explicada por el modelo en un 67% (r² = 0.67). Empleando un nivel de significancia del 5% (α = 0.05) al compararlo con el valor P = 3.6 × 10^-12 de la regresión nos permite concluir que el modelo tiene una relación lineal simple entre los valores de rendimiento máximo calculado y los valores de rendimiento real máximo y que el 33% de las variaciones no puede ser explicada a través del modelo de regresión.

De acuerdo con los escenarios climáticos mencionados anteriormente a mitad del siglo XXI en los sitios de referencia de producción de café del estado de Veracruz tales como Atzalan, Coatepec, Córdoba, Huatusco, Misantla y Tezonapa se espera incremento de la radiación global de 0.3 a 1.1% y de la temperatura del aíre de 3 a 8.8% con relación a las condiciones climáticas promedio anuales a inicios de este siglo (^{INE, 2010}). El cambio de la precipitación varía con una disminución de 7.2% y un incremento hasta 1.4% en función del escenario y el sitio de referencia.

La mayor similitud en el cambio de la temperatura se presenta entre los escenarios A2, A1B y B1. El escenario COM da menor cambio de temperatura y mayor cambio de precipitación. Según los escenarios climáticos existe incertidumbre en el cambio de la precipitación, lo que no permite comprender con claridad que va a pasar finalmente con el estrés hídrico.

Los resultados de estimación de los cambios esperados en la productividad del cultivo de café ΔY_cal, productividad máxima potencial ΔY_máx y el índice hídrico ΔISNH a mediados del siglo XXI se presentan en el Cuadro 1.

ΔY_máx = (Y_máx²⁰⁵⁰- Y_máx²⁰⁰⁰)100/Y_máx²⁰⁰⁰; ΔISNH = (ISNH²⁰⁵⁰- ISNH²⁰⁰⁰)100/ISNH²⁰⁰⁰; ΔYcalc = (Y_calc²⁰⁵⁰ - Y_calc²⁰⁰⁰)100/Y_calc²⁰⁰⁰. Los símbolos 2000 y 2050 corresponden al inicio y mediados del siglo XXI.

Cuadro 1 Estimación de cambios en la productividad del cultivo de café ΔY_calc, de su productividad máxima potencial ΔYmáx y del índice hídrico ΔISNH a mediados del siglo XXI según los escenarios de cambio climático A2, A1B, B1 y COM. 

Como se puede observar, considerando cierta variabilidad en los resultados de predicción del cambio climático, en el año 2050 en la mayoría de los sitios geográficos de referencia se espera la disminución de la producción calculada Δ(Y_calc) de 5 a 10% debido al incremento de las temperaturas y reducción de la precipitación. En algunos sitios de referencia ubicados dentro de las regiones cafetaleras de Atzalan, Misantla, Coatepec y Huatusco se espera reducción de la productividad hasta de un 20%. Considerando cierta incertidumbre en las predicciones climáticas y en la productividad dependiente de los factores climáticos, estos resultados son un poco distintos en comparación con los datos publicados en otras investigaciones en las que utilizan modelos de regresión. Según las estimaciones realizadas con los modelos de regresión, ^{ASIC (2012)} y ^{Laderach et al. (2011)} predicen disminución de la productividad de café (Coffea arabica L.) en Veracruz de 20 a 45% a nivel del año 2050 en comparación con el inicio del siglo XXI, mientras que ^{Lin et al. (2008)} estiman la disminución de 10 a 20%. ^{Gay et al. (2004)} con base en la aplicación de un modelo empírico predicen la disminución de la misma especie de café en Veracruz de 22 a 27% para el año 2050.

Los escenarios A1B y COM causan mayor incremento en la temperatura del aire y disminución de la precipitación, resultando con mayor porcentaje en la disminución del rendimiento calculado (ΔY_calc). En estos escenarios se espera mayor disminución del índice de satisfacción de las necesidades hídricas (ΔISNH) debido al crecimiento de la tasa de evapotranspiración y decremento de la precipitación. Existe cierta congruencia entre el cambio esperado en los rendimientos máximos (ΔY_máx) y los rendimientos finales (ΔY_calc) lo que se explica principalmente por el impacto del incremento en la temperatura del aire sobre el proceso de fotosíntesis.

El análisis de los resultados señala que el factor principal climático que puede afectar la productividad del cultivo de café (Coffea arabica L.) es la disminución esperada de la precipitación. El café se cultiva en lugares con una precipitación que varía desde los 750 mm anuales (7.500 m³ha^-1) hasta 3000 mm (30.000 m³ ha^-1). La aportación del cambio del índice de satisfacción de las necesidades hídricas (ΔISNH) al cambio de la productividad calculada (ΔY_calc) se estima a nivel de 65% en promedio, mientras que el papel del incremento de la temperatura se estima del orden de 35%. Esta observación coincide con los resultados del trabajo de ^{Laderach et al. (2011)} donde el papel de la disminución de la precipitación (principalmente durante invierno y primavera) en relación a la reducción de la productividad de café se estima del orden de 75-90% y contradice a la opinión de ^{Gay et al. (2004)} quienes aplicaron un modelo empírico y concluyeron que la aportación principal a la reducción de la productividad de esta variedad de café, estimada a nivel de 75-90%, es el crecimiento esperado de la temperatura; mientras que el papel de disminución de la precipitación fluctúa de 10 a 25%, es decir que a nivel promedio anual en algunos sitios de referencia del estado Veracruz a mitad del siglo XXI se espera una reducción de la precipitación de 100 a 400 mm por año.

La aplicación del modelo teórico de desarrollo del cultivo de café en función de sus características biológicas, permitió precisar la estimación de vulnerabilidad de este cultivo a los escenarios existentes del cambio climático en el estado Veracruz y aclarar que el factor climático responsable por la alteración de los rendimientos es la precipitación.

Conclusiones