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Introducción
El calentamiento global o aumento en la temperatura mundial, fenómeno físico que se ha presentado en los últimos años, se relaciona con el incremento en las concentraciones de los gases de efecto invernadero entre los cuales el principal es el CO2, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007). En 2005, las concentraciones de CO2 y CH4 en la atmósfera excedieron considerablemente al intervalo de valores naturales de los últimos 650 000 años (IPCC, 2007), situación que seguramente pone en riesgo el equilibrio climático del planeta. Aunque en la actualidad se mantuvieran constantes las concentraciones de todos los gases de efecto invernadero y aerosoles en los niveles que alcanzaron en el año 2000, cabría esperar un calentamiento global adicional de aproximadamente 0.1 °C en la temperatura cada 10 años.
El protocolo de Kioto incluye tres mecanismos (artículos 6, 12 y 17) diseñados para incrementar el costo-efectividad y mitigar el cambio climático, al crear opciones para que los países incluidos en el anexo I de dicho protocolo puedan reducir sus emisiones, o aumentar sus sumideros de carbono de manera más económica en otros países que no sea el propio (Guzmán et al., 2004). Entre estos mecanismos se encuentran: el comercio de emisiones (artículo 17), instrumentación conjunta (artículo 6) y mediante mecanismos de desarrollo limpio (MDL) (artículo 12).
Rosa et al. (2004) mencionan que los servicios ambientales se definen como “los beneficios que las personas obtienen de los ecosistemas”, y de acuerdo con la evaluación ecosistemática del milenio, los clasifica en servicios de aprovisionamiento; de regulación de los procesos ecosistémicos; culturales y de soporte. Dentro de los servicios ambientales que proporcionan los bosques se encuentran la contribución a ciclos básicos (agua, carbono y otros nutrientes); estabilidad climática; captura de carbono, protección y mantenimiento de la biodiversidad; protección de cuencas hidrográficas para captación de agua de buena calidad y belleza escénica (Torres y Guevara, 2002).
Los ecosistemas forestales pueden almacenar cantidades significativas de CO2; sin embargo, bajo ciertas circunstancias éstos pueden llegar a ser una fuente de este gas. En las últimas décadas ha surgido un interés considerable por incrementar el contenido de carbono mediante el aumento de la vegetación terrestre, conservando la cubierta forestal, la reforestación, aplicación adecuada de las prácticas agroforestales y otros métodos de conservación del suelo (De Jong et al., 2004).
Respecto al almacenamiento del carbono, el protocolo de Kioto otorgó reconocimiento oficial al papel de los bosques como “sumideros” en la mitigación del cambio climático global, al reducir las concentraciones atmosféricas de CO2; asimismo, ha tratado de promover un mercado potencial para la captura del carbono en las áreas forestales (Bull et al., 2006). Sin embargo, existe controversia en cuanto a este mecanismo ya que hay quienes argumentan que aún no se han perfeccionado mecanismos confiables para supervisar y verificar la captura y liberación de carbono de las áreas boscosas, lo que dificulta confirmar lo que se está comercializando (Bishop y Landell-Mills, 2003).
Para estimar el contenido de carbono almacenado en la biomasa forestal se han desarrollado métodos directos e indirectos. Los directos consisten en un análisis destructivo para la estimación del peso verde y el peso seco de cada uno de los componentes de los árboles seleccionados (Hitchcock y McDonnell, 1979). Los segundos se basan en la utilización de modelos matemáticos que estiman el peso de las diferentes fracciones del árbol a partir de variables individuales; sin embargo, para poder desarrollar los métodos indirectos es necesario contar con datos obtenidos de métodos directos. En los métodos indirectos también se ha estimado la biomasa mediante el empleo de sensores remotos (fotografía aérea, imágenes de satélite, imágenes de radar, etc.).
Cuando se desea conocer la biomasa aérea de los árboles, una respuesta práctica es la utilización de ecuaciones alométricas; es decir, mediante estimaciones indirectas del material vegetal cuya cantidad se desea conocer previa recolección de datos obtenidos de muestreos directos. Dichas funciones, estiman las relaciones entre la biomasa total con la que cuenta el árbol y algunas de sus dimensiones como suelen ser las más comúnmente utilizadas: altura, diámetro normal o área de albura (Acosta et al., 2002); asimismo, pueden considerarse no sólo variables morfológicas, sino también fisiológicas o bioquímicas (López, 1995). Las ecuaciones alométricas se usan especialmente para proyectos de pequeña escala. Cuando se trata de estimar la biomasa en grandes extensiones (nivel región o país) es preferible recurrir a los métodos basados en la espectrometría, como es el caso de REDD o REDD+.
En muchas partes del mundo se han realizado estudios para determinar los parámetros de ecuaciones alométricas que ayuden a calcular la biomasa aérea contenida en especies forestales (Gaillard et al., 2002). En México, dichos estudios existen para el cálculo de biomasa de coníferas, y se han hecho comparaciones en cuanto a los modelos utilizados (Domínguez et al., 2009, Montes de Oca et al. 2009, Pimienta et al., 2007). De las variables tomadas en cuenta, las principales son diámetro normal y altura (Vidal et al., 2004; Díaz et al., 2007; Avendaño et al., 2009; Carrillo et al., 2014). En estos casos el tamaño de muestra o número de árboles medidos ha variado.
Por lo anterior, en el presente trabajo se plantearon como objetivos determinar los parámetros de dos ecuaciones alométricas que permitan calcular la biomasa y el contenido de carbono de la porción aérea de Pinus hartwegii Lindl., con base en el diámetro normal, mediante un muestreo de tipo destructivo de árboles seleccionados en el Parque Nacional Izta-Popo que abarca parte del Estado de México y de los estados de Puebla y Morelos.
Materiales y métodos
Área de estudio
El muestreo se realizó dentro del Parque Nacional Izta-Popo, en el paraje denominado “Paso de Cortés”, a 24 km al sureste de la ciudad de Amecameca, Estado de México (19° 16’ 25” latitud norte, 98° 34’54” longitud oeste). El parque se encuentra en la parte central del eje volcánico transversal de México. Los volcanes Popocatépetl e Iztaccíhuatl, constituyen las montañas más altas de la Sierra Nevada. El clima que predomina es frío subhúmedo de alta montaña, con temperatura media anual de 5a12°C, la del mes más frío de 3 a 8°C y una precipitación media anual de 928 mm. Los suelos son Andosoles derivados de cenizas volcánicas (García, 1988).
Determinación de la biomasa
La metodología empleada fue similar a la aplicada por Avendaño et al. (2009), Carrillo et al. (2014), Díaz et al. (2007), y para estimar la biomasa y el carbono en diferentes especies de árboles. Una muestra representativa de 29 árboles sanos de Pinus hartwegii fue seleccionada, los árboles tenían diferente diámetro normal (a 1.3 m. de altura) (DN) en un rango de 3.3 a 57.2 cm. El número de árboles muestreados por categoría diamétrica no fue uniforme debido a las restricciones del Parque Nacional, ya que sólo se permitió el derribo de pocos árboles de mayor tamaño y la mayor parte de ellos eran de diámetro pequeño. La edad promedio del rodal es de 86 años, con una densidad de 200 árboles/hectárea y una altura promedio del arbolado de 21.7 m.
Antes del derribo, a cada árbol se le midió el diámetro normal (DN) con cinta diamétrica y una vez derribado se le midió la altura total con un flexómetro y la altura del corte de derribo (altura del tocón). Los árboles se separaron en ramas, follaje y tronco, este último fue fraccionado en trozas, las primeras trozas de 3m de longitud y las últimas de 1.25m. Antes de cortar las trozas, de la base de cada una de ellas se obtuvo una rodaja de aproximadamente 5 cm de grosor. El peso fresco de cada troza se obtuvo en el mismo lugar donde fue derribado cada árbol con una báscula de 200 kg de capacidad y 1 kg de precisión. Para aquellas trozas que excedían los 200 kg así como para el tocón, su peso húmedo se obtuvo de la ecuación lineal generada por la relación volumen-peso de las trozas cuyo peso sí se pudo obtener directamente en campo. Para la cubicación de las trozas se utilizó la fórmula de Huber modificada (Romahn et al., 1987) y para el tocón la fórmula de neiloide truncado. Las rodajas obtenidas de las trozas, las muestras de ramas y las muestras de follaje se pesaron húmedas en campo, con una báscula de 15 kg de capacidad y 10 g de precisión. Las rodajas, las ramas y el follaje, fueron cuidadosamente etiquetadas para su posterior identificación en el laboratorio.
Las ramas fueron colocadas en costales y pesadas de forma seccionada con la báscula de 200 kg de capacidad, el peso húmedo de las ramas correspondió a la suma del peso de las secciones. El mismo procedimiento se llevó a cabo para el follaje. Del total de ramas y follaje se obtuvieron de dos a tres muestras por árbol de aproximadamente de 1 a 3 kg para árboles grandes y una para árboles pequeños.
Una vez pesadas las muestras, fueron transportadas al Campo Experimental Valle de México del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), y colocadas en un invernadero para reducir su humedad. Debido a que el invernadero no da lugar a un secado total, se tomaron submuestras de algunas muestras para llevarlas a peso seco; las submuestras de rodajas y ramas fueron secadas en estufa a 103°C por 72 h y las del follaje a 60°C por 48 h o hasta obtener un peso constante con esta información se calculó el peso seco para el material que se pesó en campo, trozas, ramas y follaje, o sea de esa forma se obtuvo la biomasa de cada componente. La relación peso seco/peso húmedo de la primera rodaja también se utilizó para calcular la biomasa del tocón y mediante la suma de la biomasa de cada troza y del tocón, se obtuvo la biomasa total del fuste de cada árbol. Lo mismo se hizo para las ramas y el follaje y determinar la biomasa de la copa de cada árbol.
Para estimar la biomasa en función del diámetro normal, se utilizó un modelo potencial (Ter-Mikaelian y Korzukhin, 1997), los parámetros se obtuvieron utilizando mínimos cuadrados. La representación general del modelo se presenta en la ecuación 1.
1)
Donde= Y= biomasa aérea o carbono (kg); X= diámetro normal, DN (cm); b y k= parámetros del modelo.
El modelo [1] se puede linealizar para facilitar el análisis de regresión: Little y Jackson (1976) recomiendan hacerlo mediante transformaciones logarítmicas adoptando la forma:
2)Donde= Y, X, b y k tienen el mismo significado que en la ecuación 1, ln (Y), ln (b) y ln (X) son logaritmos naturales de Y, b y X, respectivamente. De hecho, para identificar la efectividad del modelo utilizado, primero se linealizó y después se graficaron los residuales y su dispersión.
Determinación de carbono
De los 29 árboles seleccionados para la estimación de la biomasa se eligieron 13 para determinar el porcentaje de carbono de cada uno de sus componentes (fuste, ramas y follaje). Esta selección se hizo equitativamente dentro del rango de diámetros del que se dispuso. Para determinar el contenido de carbono de las muestras de rodajas, ramas y follaje se obtuvo una submuestra de aproximadamente 50 g, respectivamente, con las características mencionadas por Acosta et al. (2002). Las submuestras se molieron y secaron por dos horas a 60°C y posteriormente se determinó su contenido de carbono por el método de combustión seca por medio del analizador de carbono Total Organic Carbon Analyzer (TOC-5050A). Para obtener el contenido de carbono del fuste, ramas y follaje de todo el árbol se multiplicó la biomasa total de cada componente por el promedio de la fracción del contenido de carbono obtenido de las submuestras de cada componente. El contenido de carbono del árbol completo fue el resultado de la suma del carbono del tocón, fuste, ramas y follaje.
Una vez obtenidos los datos de contenido de carbono de cada árbol en kilogramos, se empleó el modelo alométrico desarrollado para estimar la biomasa y se correlacionó el contenido de carbono en función del diámetro normal, usando los datos de ambas variables para cada árbol (DN y biomasa). Al igual que en el caso del modelo para determinar la biomasa, éste se linealizó y después se graficaron los residuales y su dispersión para identificar la efectividad del modelo utilizado. Además de probar el modelo incluyendo al DN como única variable independiente, se probaron también otros modelos en donde se incluyó la altura total (m), para determinar si era significativa incluirla o no en el mismo modelo.
Resultados y discusión
Biomasa
El peso fresco de los 29 árboles empleados para generar la ecuación se ubicó en el rango de 1.7 a 2 917.9 kg. La biomasa por árbol fue de 1.37 a 1142 kg, correspondiendo a los árboles con el menor DN (3.3 cm) y al de mayor DN (57.2 cm), respectivamente.
La mayor cantidad de biomasa en Pinus hartwegii correspondió a la acumulada en el fuste, con 45.5 a 84.6% según el individuo, y 65.3% promedio. La biomasa de las ramas representó 11.4 a 37.4% del total del árbol, con un promedio de 23.8% y la del follaje de 2.0 a 29.2%, con 10.9% de promedio.
Ecuaciones de biomasa
La ecuación para determinar la biomasa aérea en función del diámetro normal presentó un coeficiente de determinación R2= 0.986 (Figura 1) considerado muy aceptable, además el modelo original se linealizó (ecuación 2) y después de ajustarlo, se graficaron los residuales (Figura 2), en donde no se evidencia una tendencia clara que invalide que el modelo utilizado es el adecuado para los datos usados en el análisis de regresión (Montgomery, 2006) por lo tanto el modelo utilizado puede considerarse adecuado para los datos analizados de esta especie.
Figura 1 Dispersión de los valores de biomasa para Pinus hartwegii su línea de regresión generada y su ecuación.
El porcentaje de biomasa del fuste, las ramas y el follaje de Pinus hartwegii, se ubicó dentro de los rangos encontrados para otras especies en México, tanto de coníferas como en latifoliadas (Castellanos, 1993; Monroy y Návar, 2004; Díaz et al., 2007; Avendaño et al., 2009; Montes de Oca et al., 2009; Carrillo et al. 2014); aunque es evidente que la proporción de biomasa entre las partes del árbol pueden variar considerablemente con respecto a otras especies en función de su morfología.
Concentración de carbono
El porcentaje promedio de carbono encontrado en las muestras para el fuste fue de 48.2%, para ramas 49.4% y para follaje 48.5%. Por lo tanto, el porcentaje promedio aritmético de carbono respecto a la biomasa del total de cada árbol en los 29 individuos muestreados de Pinus hartwegii fue de 48.5%.
La distribución del carbono entre los componentes presentó las siguientes características: en el fuste se ubicó en el rango 52.6 a 84.3% con una media de 64.9%, en las ramas de 11.6 a 38% con una media de 24.2% y por último en el follaje varió de 2 a 29.1% con una media de 10.9%.
Ecuaciones de carbono
El ajuste del modelo Y= bXk, para los datos del contenido de carbono presentó los valores que aparecen junto con la dispersión de los datos y la línea de ajuste en la Figura 3.
Figura 3 Dispersión de los valores de contenido de carbono para Pinus hartwegii, su línea de regresión generada y su ecuación.
Cuando se probaron otros incluyendo a la altura (m), el modelo no cambió sustancialmente en el valor del coeficiente de determinación (r2), al contrario en algunos modelos este valor disminuyó ligeramente, por ejemplo en el modelo: B= β0DN2H (B= biomasa en kg, DN= diámetro normal en cm y H la altura total de los árboles en m), con este modelo el valor de r2= 0.9819, ligeramente menor al valor obtenido cuando sólo se usa el DN como variable independiente. También se probó el modelo: B= β0+β1D N2H; sin embargo, con éste el valor de r2 disminuyó a 0.9684. Otro de los modelos probados fue: B= β0DNβ1Hβ2 en el cual la r2= 0.9868 si fue ligeramente superior a la obtenida con el modelo en donde sólo se utilizó al DN como variable independiente.
El porcentaje de carbono considerando todo el árbol, está dentro del rango de valores que se han encontrado para otras especies (Díaz et al., 2007; Avendaño et al., 2009; Carrillo et al., 2014) a las que se les ha determinado una ecuación alométrica similar.
Sin embargo, se debe tener en cuenta que el presente estudio no contempla la medición de biomasa y carbono en raíces, por lo que se puede estar sub-estimando la cantidad de CO2 retenida por estos árboles, ya que en algunas especies la proporción subterránea puede representar en coníferas hasta 18% y en hojas del 17.1% al 36.2% de la biomasa total (Kurz et al., 1996; Gargaglione et al., 2010).
Se decidió no incluir a la altura en el modelo para determinar la biomasa y el carbono, debido a que la variable altura es un parámetro más complicado de medir en el campo, de una u otra manera se pueden cometer más errores en su medición y se invierte más tiempo para su medición, además de que no mejoró substancialmente al valor de r2 en el modelo donde se utilizó.
Conclusiones
Fue posible ajustar la ecuación alométrica para estimar la biomasa de Pinus hartwegii con un alto coeficiente de determinación. Asimismo, fue posible ajustar la ecuación para estimar el contenido de carbono por árbol con el mismo coeficiente de determinación. Con la ecuación obtenida fue posible determinar que los árboles de esta especie concentran la mayor parte del carbono aéreo en el fuste seguido por las ramas y por último el follaje.
Para hacer más completos este tipo de estudios es necesario determinar el carbono de la parte subterránea en los ecosistemas estudiados, ya que se debe de tomar en cuenta que muchas especies forestales, de acuerdo a varios autores mucho del carbono lo concentran también en las raíces.
Debido a que el diámetro normal es una de las variables que por lo general se miden en campo al momento de realizar inventarios forestales o mediciones de sitios temporales o permanentes, con las ecuaciones obtenidas en este trabajo se pueden realizar estimaciones prácticas y precisas de la cantidad de carbono capturada por bosques de Pinus hartwegii, y estar en posibilidades de solicitar un pago por servicios ambientales mediante los mecanismos de desarrollo limpio que se especifican en el protocolo de Kyoto.
