Durante las últimas tres décadas la superficie destinada a la forestación en la provincia de Misiones se incrementó de 80.000 a 370.000 hectáreas. Sin embargo, los impactos de la intensificación de esta actividad sobre la distribución espacio-temporal de componentes del ciclo hidrológico no han sido evaluados hasta el momento. Investigación presentada en el 4º Congreso Forestal Argentino y Latinoamericano Iguazú 2013.
En este estudio se evalúa la evapotranspiración a diferentes escalas, desde individuo hasta ecosistema nativo y plantaciones forestales. El consumo de agua a nivel de individuo fue determinado aplicando el método de disipación de calor constante, tanto en árboles del bosque nativo dentro del Parque Nacional Iguazú como de plantaciones forestales de diferentes especies en el norte de Misiones (Pinus taeda, Araucaria angustifolia y Eucalyptus grandis).
A escala de ecosistema, caracterizamos la evapotranspiración (ET) mensual y anual utilizando el producto del sensor MODIS-Terra para el período 2000-2011. A nivel de individuo, el consumo de agua estuvo parcialmente determinado por el tamaño de los árboles independientemente de la especie. A nivel de ecosistema y plantaciones forestales, la ETMODIS y la conductancia del dosel (gc) estuvieron determinadas por las variaciones en el déficit de saturación del aire (DSA). En todos los sistemas estudiados, la ETMODIS diaria para cada mes aumentó con el incremento del DSA hasta 0.8 kPa, a partir del cual la ETMODIS disminuyó debido a un posible control estomático y bajos valores de gc. Las plantaciones forestales analizadas, independientemente de su densidad y/o edad no tuvieron una ETMODIS mayor que la del bosque nativo.
Introducción
El impacto que las plantaciones forestales tienen sobre el ciclo hidrológico es un tema de creciente interés tanto para el sector productivo como para la comunidad científica y la sociedad en su conjunto. En particular es relevante determinar si el consumo de agua (o la transpiración anual total) son similares o superiores al de la vegetación nativa. Este tema es importante en la provincia de Misiones, en donde durante las últimas tres décadas la superficie dedicada a la forestación se incrementó de 80.000 a 370.000 has (Izquierdo et al. 2009), ocupando actualmente un 12% de la superficie provincial.
El conocimiento de los mecanismos de regulación del ciclo hidrológico es de suma importancia para poder planificar el uso de la tierra y el manejo sustentable del recurso agua. En regiones subtropicales como Misiones, la principal entrada de agua al ciclo hidrológico es en forma de precipitación. Las precipitaciones anuales son de aproximadamente 2.000 mm distribuidas homogéneamente durante todo el año, lo que determina la ausencia de estacionalidad en las precipitaciones.
Los cambios en el uso del suelo podrían tener importantes consecuencias en procesos y funciones ecológicas como la distribución espacio-temporal del agua en los individuos, ecosistemas y a nivel regional. La caracterización de los mecanismos del balance del agua resulta, por lo tanto, de suma importancia para el manejo sustentable de las actividades forestales. El uso de información provista por sensores remotos ha surgido como una herramienta útil en el estudio de la dinámica espacio-temporal de la vegetación y de procesos ecosistémicos.
Por ejemplo, algunos modelos que utilizan datos satelitales permiten estimar la dinámica de la evapotranspiración (ET), que es uno de los componentes más importantes del ciclo hidrológico. Uno de los modelos de ET más utilizados a nivel global es el producto mod16 del sensor MODIS-Terra, que usamos en este estudio. Actualmente no hay validaciones de este modelo para los bosques Argentinos. El objetivo de este trabajo fue realizar una validación del producto de ET de MODIS con datos de consumo de agua obtenidos en el campo a nivel de individuo con métodos ecofisiológicos y determinar si la ET en plantaciones de Eucalyptus grandis, Pinus taeda y Araucaria angustifolia son comparables a la de los bosques nativos.
Materiales y métodos
Se compararon poblaciones forestales de Pinus taeda, Eucalyptus grandis, Araucaria angustifolia y stands de bosques nativos dentro del Parque Nacional Iguazú (Misiones, Argentina). Se utilizaron sensores de flujo que utilizan la técnica de calor de disipación constante (Granier 1987) para determinar el consumo diario promedio de agua de cada una de las especies de las plantaciones forestales y de 10 especies dominantes del bosque nativo. Se midió el consumo de agua de 6 individuos por plantación en forma simultánea, mientras que en el bosque nativo se midieron entre 2 y 3 individuos por especie durante los años 2012 y 2013. En el bosque nativo se utilizaron datos de flujo de 142 días, en la plantación de P. taeda del 2006 fueron 44 días, en la plantación de 1984 de A. angustifolia fueron 46 días, y en la plantación de 2001 de E. grandis 56 días. Para poder realizar los cálculos de flujo de agua se obtuvieron las áreas de xilema activo por individuo empleando la metodología descripta en Meinzer et al. (2001). La velocidad del flujo de agua, μ (m s-1) se calculó usando la relación empírica obtenida por Granier (1987) y revalidada por Clearwater et al. (1999). El flujo de agua, F (l h-1) se obtuvo multiplicando μ por el área de xilema activo.
Mediante el flujo de agua por individuo se estimó la transpiración a nivel de stand (T, mm día-1) multiplicando el promedio diario de flujo de agua por árbol (l día-1) obtenido a partir de las mediciones tomadas a campo por la densidad de individuos por unidad de superficie (m2). La densidad de individuos en las plantaciones forestales fue estimada en una parcela de 1000 m2 mientras que en el bosque nativo se realizaron 4 transectas de 100×10 m cuyos valores fueron promediados. En cada transecta, se identificaron y midieron todos los individuos mayores a 10 cm de diámetro a la altura del pecho (DAP). La evapotranspiración total de cada sistema (ET, mm día-1) fue calculada con los valores de T más los valores de agua interceptada por el dosel obtenidos en la bibliografía para ecosistemas similares (Miralles et al. 2010).
Para el bosque nativo y la plantación de E. grandis se consideró un valor promedio de interceptación del 18% de las precipitaciones anuales correspondiente a un bosque siempreverde latifoliado. Para las plantaciones de pino y araucaria se utilizó un valor promedio de 29% correspondiente a bosques de coníferas (Miralles et al. 2010).
Además, se utilizaron imágenes satelitales del sensor MODIS-Terra (producto mod16A2) para analizar la evapotranspiración real (ET) diaria de un período de 12 años (Mu et al. 2011). El producto mod16A2 posee una resolución espacial de 1 km y temporal de 8 días. Los valores de la ET se promediaron mensualmente para obtener un valor de ET diaria promedio para cada mes. Utilizando el Google Earth, se seleccionaron stands tanto de bosques nativos como de las plantaciones forestales con una extensión superior a las 10 hectáreas. Estas se caracterizaron por presentar el mismo tipo de suelo (tipo 9, Atlas de Suelo 1995) y topografía (200-500 msnm). Los datos de las imágenes satelitales se extrajeron de los mismos sitios donde se realizaron las mediciones de campo con excepción de A. angustifolia. Los sitios fueron cotejados a campo y se seleccionaron aquellos en los cuales los píxeles tuvieron más del 85% de la cobertura estudiada.
El procesamiento de las imágenes satelitales se realizó con el software ERDAS Imagine 9.1 y ArcGis 9.10. Se utilizó información de precipitaciones acumuladas, temperatura media y humedad relativa mensuales de la estación meteorológica de Puerto Iguazú (Aero) para calcular el Déficit de Saturación del Aire (DSA). Se estimó la conductancia del dosel a partir de los valores satelitales de ET (mm día-1) y el DSA (Pa) según Morris et al. (1998). Conjuntamente con los datos meteorológicos, se analizaron los determinantes de las variaciones estacionales de la ET mediante análisis de series temporales. Se realizaron correlaciones cruzadas entre la serie temporal del DSA y las series de ET del bosque nativo y de las plantaciones de P. taeda, E. grandis y A. angustifolia. Se empleó el programa STATISTICA 6.0.
Resultados y Discusión
– Consumo de agua diario por individuo y relación con el diámetro del fuste
Los patrones diarios de flujo de agua por individuo mostraron un aumento del flujo a la mañana con el aumento de la radiación solar y de la demanda evaporativa y una disminución durante la tarde alcanzando valores cercanos a cero durante la noche para todas las especies estudiadas (Figura 1). Se observaron variaciones en el consumo diario dependiendo de la especie y del tamaño de los individuos medidos. El consumo de agua diario (que corresponde a la integración de los valores debajo de la curva de flujo durante todo el día) aumentó linealmente con el diámetro del fuste (DAP) cuando se consideraron todas las especies estudiadas, tanto nativas como forestales (y = -2.74 * 0.95x , R2 = 0.32, p < 0.005).
– Comparación de la ET estimada del consumo de agua por individuo y por la información de las imágenes de satélite
Los valores de ETflujo diario y ETMODIS (mm año-1) se incluyen en la Tabla 1. Tanto el bosque nativo como las plantaciones de P. taeda tuvieron valores de ET dentro del mismo orden de magnitud usando ambas metodologías. Sin embargo, para A. angustifolia y E. grandis, los valores estimados a nivel de individuo fueron menores que los estimados mediante las imágenes de satélite. Esto podría deberse al substancial desarrollo del sotobosque, que incluye tanto especies arbóreas como arbustivas (Piper spp., Cecropia pachystachya y Trema micrantha, entre otras) que alcanzan alturas intermedias del dosel y que se desarrollan naturalmente. Además, se observó una abundante cantidad de helechos y gramíneas.
El flujo de agua de las especies del sotobosque no fue medido. Actualmente, se están realizando más mediciones de flujo de agua por individuo para poder tener una mejor descripción de las variaciones del consumo de agua intra anuales para todas las especies estudiadas. Este es el primer trabajo en Argentina que intenta validar la ET del sensor MODIS con datos de flujo de agua, y uno de los pocos a nivel mundial.
– Variaciones estacionales e interanuales de ET estimados con sensores remotos
La precipitación media mensual fue relativamente constante durante todo el año con un promedio mensual de 171 mm para el período 2000 a 2011. El rango de variación fue de 75 a 273 mm mensuales pero en la mayoría de los meses las precipitaciones oscilaron entre 100 y 220 mm mensuales. Se pueden observar disminuciones de corto plazo en las precipitaciones durante 4 meses consecutivos en los años 2002, 2007, 2009 y el 2010 que generaron sequías de cierta magnitud. El déficit de saturación del aire (DSA), que es una medida de demanda evaporativa de la atmósfera, presentó variaciones estacionales marcadas con una disminución durante los meses de invierno, en particular durante Junio y Julio llegando a valores de 0.2 kPa. Mientras que los valores alcanzados durante el verano fueron de aproximadamente 0.8 a 1.0 kPa.
La ETMODIS disminuyó durante el invierno y aumentó durante el verano consistente con las variaciones de DSA. Aunque la serie temporal de ETMODIS en plantaciones de P. taeda fue más corta, también se observaron marcadas variaciones estacionales.
En los cuatro sistemas estudiados, el promedio de ETMODIS diario para cada mes aumentó con el DSA, alcanzando su máximo valor alrededor de 0.8 kPa. A partir de ese umbral se observó una leve disminución en la ETMODIS con el aumento de los valores de DSA en cada uno de los sistemas estudiados (Figura 3). Esto podría ser consecuencia de un cierre estomático parcial a altos niveles de demanda evaporativa en las especies estudiadas. Es necesario resaltar que los valores de DSA son promedios diarios para cada mes. Los valores máximos instantáneos fueron mucho más altos, alcanzando valores de hasta 4.5 kPa al mediodía durante los meses de primavera y verano.
Tanto las especies del bosque nativo como la de las plantaciones exhibieron este mismo comportamiento independientemente de las diferencias en la composición específica y en la arquitectura de los sistemas. Las funciones de correlaciones cruzadas mostraron los mayores valores de correlación cuando se realizó el análisis con un mes de retardo en las series de ETMODIS con respecto al DSA, en el bosque nativo (0.9), seguido por E. grandis. (0.76) y por último A. angustifolia (0.75).
En tanto que en P. taeda, ambas series estuvieron fuertemente acopladas (sin retardo). Esta similitud en las relaciones funcionales entre DSA y ETMODIS para todos los sistemas de estudio también se observó cuando se graficó la conductancia del dosel (gc) en función del DSA. En cada caso, el gc disminuyó exponencialmente con el aumento del DSA.
Conclusiones y recomendaciones específicas
A nivel de individuo, el consumo de agua fue parcialmente dependiente del tamaño del árbol independientemente de la especie. A nivel del ecosistema, la ETMODIS y la gc estuvieron fuertemente determinadas por las variaciones en el DSA en todos los sistemas. Las plantaciones forestales, independientemente de su densidad y/o edad no tuvieron una ETMODIS mayor que el bosque nativo estudiado (que tiene una alta densidad de individuos por hectárea y una alta diversidad de especies).
La ETMODIS aumentó hasta un valor de demanda evaporativa media diaria de 0.8 kPa de DSA, umbral a partir del cual disminuyó en todos los sistemas. Este comportamiento reflejaría el control estomático de las pérdidas de agua por transpiración a nivel de individuo cuando la demanda evaporativa excede un determinado umbral, sumado a la disminución de la gc a nivel de ecosistema con el aumento del DSA. A pesar de que se analizaron sistemas muy diferentes como bosques nativos y distintas plantaciones forestales, la disminución de la gc con el aumento del DSA fue similar en todos los casos.
La ET es uno de los componentes más importantes del ciclo hidrológico. Si bien los resultados muestran que la ETMODIS es similar en bosque nativo y plantaciones, hay otros componentes del ciclo hidrológico que deben determinarse antes de estimar el impacto de las forestaciones. Por ejemplo, las pérdidas por interceptación (agua de lluvia que es retenida temporariamente en el dosel y vuelve a la atmósfera al evaporarse), las tasas de infiltración y escorrentía (que pueden variar con el manejo en las plantaciones al realizar tareas que implican la compactación del suelo y la remoción de capas superficiales del mismo) y el agua que retiene transitoriamente el sotobosque (incluyendo la vegetación y la hojarasca).
Además, el impacto que las plantaciones forestales pueden tener depende del contexto en el cual se desarrollan ya que no sería similar en ecosistemas de sabanas o pastizales en donde el reemplazo es de especies nativas herbáceas por especies leñosas, a veces bajo condiciones ambientales con períodos largos de sequía. Además, sería interesante evaluar el impacto que diferentes manejos pueden tener en el balance hídrico. En particular, hay una tendencia en las plantaciones destinadas a pulpa a acortar los turnos de corte y plantar a altas densidades, mientras que en las plantaciones destinadas a obtener madera se va disminuyendo la densidad de la plantación a través de los raleos.
En el análisis de estos mecanismos, es importante distinguir la respuesta a distintos niveles de organización. Por ejemplo, a nivel de individuo un árbol más grande consumiría más agua mientras que a nivel de ecosistema o rodal, la menor densidad de individuos no necesariamente resultaría en un mayor consumo de agua total. Los mecanismos de regulación del balance hídrico a nivel de individuo y de ecosistema son muy diferentes y comprenderlos es muy importante para predecir el efecto del cambio en el uso de la tierra y del manejo de los rodales.
Autores. PM Cristiano, SA Rodríguez, N Madanes y L Oliva Carrasco (los cuatro del Laboratorio de Ecología Funcional- EGE, FCEyN UBA); PI Campanello, D di Francescantonio, M Kostlin, C Trentini, O Lezcano (los cinco del Laboratorio de Ecología Forestal y Ecofisiología, Instituto de Biología Subtropical – CONICET, Facultad de Cs Forestales, UNaM); FG Scholz y SJ Bucci (Grupo de Estudios Biofísicos y Ecofisiológicos – FCN, Universidad Nacional de la Patagonia SJB); y G Goldstein (Laboratorio de Ecología Funcional- EGE, FCEyN UBA y Department of Biology, University of Miami, Estados Unidos).
Foto: Archivos Desarrollo Forestal.
