Examinando el aspecto biofísico del cambio climático: el impacto de deforestar para cultivar caña de azúcar

Acceso libre | Nota revisada por pares

Ma. Susana Alvarado Barrientos¹*, Irlanda Itzamar Hernández Silva², Jorge Omar López Martínez³, Pedro Antonio Macario Mendoza⁴

¹ Investigadora, Red de Ecología Funcional, Instituto de Ecología AC, Xalapa, Veracruz, México. +52 (228) 8421800 ext. 4309, susana. alvarado@inecol.mx. ² Directora Red Nacional de Investigadores y Técnicos Agropecuarios S.A. de C.V., Chetumal, Quintana Roo, México. irlandaitza@gmail.com. ³ Investigador, Cátedras CONACyT – El Colegio de la Frontera Sur, Chetumal, Quintana Roo, México. +52 (983) 8350440 ext. 4332, jorgelopez@ecosur.mx. ⁴ Investigador, Depto. Agricultura Sociedad y Ambiente, El Colegio de la Frontera Sur, Chetumal, Quintana Roo, México. +52 (983) 8350440 ext. 4406, pmacario@ecosur.mx
correspondencia a: susana.alvarado@inecol.mx

 

Cita: Alvarado Barrientos, M. S., Hernández Silva, I. I., López Martínez, J. O., Macario Mendoza, P. A. (2021). Examinando el aspecto biofísico del cambio climático: el impacto de deforestar para cultivar caña de azúcar. Guatemala Revista Mesoamericana de Biodiversidad y Cambio Climático–Yu’am, 5(1): xx-xx.

Recibido: 06/04/2021 Aceptado: 15/06/2021 Publicado: 30/06/2021

Introducción

     En este artículo se presenta de manera sintética una investigación que recientemente se realizó en el sur de la península de Yucatán, con la intensión de divulgar los resultados y sus implicaciones, a un público amplio de la región mesoamericana. El objetivo principal de la investigación fue determinar y contrastar, a escala local, los componentes del balance de energía de dos tipos de selva y del cultivo de caña de azúcar. Para esto, se usó un modelo que utiliza como entradas imágenes de satélite con banda infrarroja termal y datos meteorológicos. Este es un ejemplo de investigaciones que se hacen con el fin de incrementar nuestro conocimiento sobre el aspecto biofísico del cambio climático.

     En particular, este tipo de estudios ayuda a comprender la magnitud de los cambios en la temperatura y humedad del aire que podemos esperar cuando un tipo de cubierta es eliminada para establecer otra en su lugar o cuando la misma es degradada.  Este tipo de cambio es muy común en la región mesoamericana, donde grandes extensiones de bosques y selvas han sido degradadas o convertidas en cultivos anuales, pastos o monocultivos como la palma africana (FAO y PNUMA 2020). En la Península de Yucatán, actualmente se cuenta con cerca de 73% de selvas secundarias (Islebe et al. 2015), es decir, selvas que ya no tienen la riqueza biológica ni estructura de la selva que no ha sufrido un disturbio, ya sea natural o provocado por el humano. Las selvas secundarias en la región son el resultado de que, históricamente han sido aprovechadas para actividades de extracción forestal, conversión a actividades agropecuarias y establecimientos humanos (Turner et al. 2001; Sánchez – Sánchez et al. 2015). La tasa de deforestación anual para el sureste de México se ha estimado en alrededor del 2% (Cairns et al. 2000), lo cual parecería poco, pero si lo ponemos en términos absolutos, esto significa que alrededor de 300,000 hectáreas de selva al año son convertidas a otro tipo de cobertura (Bonilla-Moheno y Aide 2020).

     Considerando lo anterior, es importante examinar las múltiples implicaciones que tienen estas alteraciones a la cobertura del suelo. El cambio en el uso y/o la cobertura del suelo puede tener un efecto bioquímico sobre el clima. Por bioquímico se entiende la interacción entre compuestos químicos y organismos vivos. Los cambios sustanciales de la cobertura vegetal del suelo, debido a cambios en la utilidad que le damos a un territorio (por ejemplo, un cambio de bosque a pasto, a cultivo o a urbanización), tienen como consecuencia la emisión de gases de efecto invernadero, principalmente CO₂ hacia la atmósfera. Se ha estimado que desde 1850 se han emitido por esta causa alrededor de 150 billones de toneladas de carbono a la atmósfera, representando 35%  del  total  de las emisiones de gases de efecto invernadero (Houghton 2003). Las emisiones de carbono por cambio en el uso/cobertura del suelo pueden entonces contribuir al calentamiento a nivel regional y global. Esto está muy bien establecido, aunque aún hay mucho trabajo que hacer para cuantificar con precisión la magnitud del calentamiento atribuible a distintos tipos y extensiones de estos cambios de cobertura (Bindoff et al. 2013). Importantemente, hay otro aspecto de las causas del cambio climático que es menos conocido por el público en general: el biofísico (Zhang et al. 2020). Esto se refiere al calentamiento producido no por los cambios en la composición química de la atmósfera, sino por los cambios físicos en la superficie. Es decir, alteraciones en el balance de energía de la superficie del planeta producto de los cambios en las características físicas de la superficie, que incluyen las relacionadas con la cantidad y tipo de vegetación (de Noblet-Ducoudré et al. 2012; Zhang et al. 2020).

¿Qué es el balance de energía de la superficie?

     Primero, es importante recordar que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. La energía disponible en la superficie de la Tierra es el resultado del balance de radiación: la de onda corta neta (es decir, la que llega del Sol menos la que se refleja de vuelta al espacio -el albedo-) menos la de onda larga neta (es decir, la que sale del planeta menos la que no se escapa al espacio por los gases de efecto invernadero) (Fig. 1). El resultado de este balance es la radiación neta (Rn), que varía según las características de la superficie, como su color y qué tan rugosa es. Una selva es más rugosa que un lago o una calle, por ejemplo. La Rn es entonces transformada en tres flujos de calor: del suelo (G), sensible (H) y latente (LE) (Fig. 1). Además, una proporción mucho menor de la Rn (típicamente < 1%) se utiliza en procesos bioquímicos (como la fotosíntesis) y en almacenarse temporalmente en la superficie y el suelo. El flujo de calor del suelo (G) es la proporción de la Rn que ingresa y sale del suelo; éste es generalmente un flujo pequeño en el balance. Como se puede apreciar en la Figura 1 que ilustra el balance de energía de la superficie simplificado, los dos flujos verticales principales son el sensible (H) y el latente (LE). H es la energía que se usa para calentar la superficie y el aire que la rodea, en otras palabras, es el calor que podemos percibir como tal. Por otro lado, LE es el principal proceso que disipa el calor (es decir, que lo reduce), ya que la energía no se usa para calentar la superficie, sino que es utilizada en el proceso de evaporar el agua disponible (libre, almacenada en el suelo y/o en la vegetación). Este proceso se conoce como evapotranspiración y ocupa una gran cantidad de energía: 2,450 watts por segundo para evaporar un g de agua a 20°C (Monteith y Unsworth, 2013).

 

Figura 1. Balance de energía de la superficie simplificado. Rn: radiación neta, la cual es producto del balance de radiación. Se muestra la ecuación del balance de energía resaltando que la energía disponible (Rn – G) se transforma en dos principales flujos turbulentos de calor (H + LE). Los acrónimos son los utilizados en la literatura científica y los presentamos así para facilitar al lector interesado la comprensión de ésta. Elaboración: I.I. Hernández Silva.

     Como es un balance, a mayor LE menor H, lo cual resulta en menor temperatura de la superficie y el aire circundante. Tomemos por ejemplo una superficie que no almacena agua como un estacionamiento pavimentado. En este caso la energía disponible en la superficie (Rn – G) se transforma totalmente en calor sensible (H), resultando en que la superficie y el aire que le rodea se calientan. En contraste, en una superficie que almacena agua (por ejemplo, suelo cubierto de vegetación) la energía disponible se divide en los dos flujos de calor principales: sensible y latente; una importante proporción de la energía se usa para evaporar el agua directamente del suelo y a través de las plantas. Así, dada la misma cantidad de radiación neta, una superficie vegetada y el aire que la rodea se calientan menos que una superficie sin agua disponible. Este contraste lo hemos experimentado todos: no sentimos el mismo calor al estar parados en un lugar rodeados de pavimento que en un lugar cubierto con pasto, por ejemplo, aunque en ambos casos no se está bajo sombra de ningún tipo.

     Lo anterior tiene implicaciones sobre el impacto climático local de la deforestación o cualquier cambio en el uso/cobertura del suelo. Al modificarse la cobertura o uso del suelo, se altera el balance de energía de la superficie y a su vez, el contenido de humedad y calor de la atmósfera. En un estudio realizado en la zona montañosa del centro de Veracruz, se encontró que, durante días soleados de la época lluviosa (verano), el efecto de la conversión de un bosque de niebla a cafetal bajo sombra o a una plantación de caña de azúcar, es comparable con el causado por el incremento en las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera: condiciones más secas y calientes debido a la reducción en la evapotranspiración (Holwerda et al. 2016).

¿Cómo se pueden examinar los cambios en el balance de energía de la superficie?

    Actualmente existe la tecnología para medir directamente los componentes del balance de energía (Fig. 1), así como para guardar y analizar una gran cantidad de datos, de todos los componentes del balance de energía a nivel local (es decir, a escala espacial típica de parcelas cultivadas: cientos de metros). Esta tecnología incluye radiómetros con los que se puede medir los cuatro componentes del balance de radiación, placas que se entierran en el suelo para medir el flujo de calor en el suelo, así como la instrumentación especializada para determinar cambios en alta frecuencia (por ejemplo, 20 veces por segundo) de la temperatura y humedad del aire (Alvarado 2017). A pesar de esto, la instrumentación requerida para mediciones directas es muy cara, lo que limita su uso generalizado. Así que una alternativa es realizar estos estudios utilizando modelación matemática, basada en la física de los procesos involucrados, para estimar los componentes del balance de energía. Como entrada al modelo, se pueden utilizar observaciones indirectas como las que provienen de sensores instalados en satélites, aviones o drones, en combinación con datos más típicamente disponibles como los que provienen de estaciones meteorológicas. Algunos sensores instalados en los vehículos de observación remota pueden medir la emisividad de la superficie, la proporción de la radiación solar incidente que es reflejada por la superficie, o albedo, y la temperatura de la superficie. Con éstas, y ecuaciones que describen el transporte de calor y humedad en la atmósfera, se puede determinar todos los componentes del balance de energía de la superficie (Petropoulos, 2017).

Metodología

     El área de estudio fue uno de los territorios con mayor producción de caña de azúcar (Saccharum officinarum) de la península de Yucatán: el ejido Sergio Butrón Casas (Othón P. Blanco, Quintana Roo, México (SIAP 2018); Fig. 2). Este territorio fue uno de los pioneros en la actividad agrícola de la era moderna de la región, que causó la deforestación de la selva denominada “baja espinosa subperennifolia” (según el Catálogo de Vegetación Natural e Inducida de México; INEGI 2016). Esta actividad comenzó con cultivos de arroz debido a la prevalencia de suelos tipo Vertisol que se caracterizan por su alto contenido de arcillas. Sin embargo, la producción de arroz se abandonó debido a los bajos rendimientos y por la incidencia de plagas y enfermedades. Además, la substitución del cultivo de arroz por el de caña de azúcar, y la extensión de este cultivo, fue promovido por la apertura de un ingenio azucarero. Debido a las condiciones del terreno y suelo, se construyeron drenes artificiales que permiten la salida del agua para evitar las inundaciones en la época de lluvia. Esta área presenta un clima cálido subhúmedo con lluvias en verano (tipo AW1; García 1988), con una precipitación media anual de 1,225 mm, una temperatura del aire media anual de 25.5°C, con diferencias de media mensual de 5 y 7°C entre el mes más caliente y el mes más frío (Herrera 2011)_figura 2.

     Los componentes del balance de energía se determinaron para tres usos de suelo predominantes en el área de estudio: caña de azúcar, selva baja espinosa subperennifolia, y selva mediana subperennifolia; y para tres fechas abarcando las fases del desarrollo del cultivo. Se ubicaron dentro del área de estudio, parcelas de referencia del cultivo de caña de azúcar y selva (Fig. 2) para verificar en campo el uso de suelo, la etapa del cultivo y el índice de área foliar (éste es un indicador de qué tan frondosa es la cubierta vegetal).

     Para determinar los componentes del balance de superficie (Fig. 1), se aplicó el modelo METRIC (Allen et al., 2007) ejecutado en el software libre R usando el paquete “Water” versión 0.8.3 (Olmedo et al. 2016). Como datos de entrada principales se usaron imágenes satelitales Landsat8, nivel 1 (escenas con corrección geométrica y radiométrica; https://earthexplorer.usgs.gov/) y nivel 2 (escenas con datos de reflectancia de superficie; https://espa.cr.usgs.gov/). El modelo se puede aplicar con estas imágenes ya que el satélite Landsat8 consta de un sensor termal infrarrojo (necesario para determinar la temperatura de la superficie, el flujo de calor sensible y los demás componentes del balance de energía). Además, la resolución espacial de esta información es suficiente para captar información de parcelas del cultivo: 100 metros. También se utilizaron datos de temperatura del aire [°C], radiación solar incidente [W m-2], velocidad del viento [m s^-1], humedad relativa [%] y precipitación [mm] colectados en una Estación Meteorológica Automática de la red del Sistema Meteorológico Nacional de México, denominada Nicolás Bravo y localizada a 30 km de las parcelas de referencia de caña de azúcar y a 34 km de las parcelas de selva (Fig. 2).

Figura 2. Ubicación del área de estudio en la península de Yucatán. V S: vegetación secundaria. Elaboración: I.I. Hernández Silva con base al conjunto de datos vectoriales de uso del suelo y vegetación escala 1:250 000, serie VI (INEGI, 2016)

    El modelo METRIC utiliza los datos de entrada para estimar el balance de radiación, el flujo de calor hacia el suelo y el flujo de calor sensible, para finalmente determinar el flujo de calor latente como residuo de la ecuación del balance de energía de la superficie (Fig. 1; más detalles en Hernández Silva 2020). Cada uno de estos componentes se calcula para cada píxel de la imagen, de tal manera que los resultados presentados son el promedio de los valores resultantes para los píxeles dentro de las parcelas representativas de cada uso de suelo analizado. Así, las diferencias de firma espectral entre vegetación y suelo desnudo, o entre distintos rodales en los dos tipos de selvas, están incorporadas en los resultados.

Resultados y Discusión

     En el Cuadro 1 se presentan características biofísicas de las tres coberturas analizadas en tres distintas fechas que corresponden a tres etapas del desarrollo del cultivo de caña. Se puede apreciar que el cultivo de caña de azúcar presentó siempre temperaturas de la superficie mayores que los dos tipos de selva. Además, esta diferencia fue mayor durante la etapa del cultivo (establecimiento, germinación y emergencia), que corresponde al período de tiempo cuando la cantidad de follaje del cultivo es menor (indicado por el menor índice de área foliar) y hay una considerable área de suelo desnudo. A medida que las plantas de caña de azúcar van creciendo, la diferencia en temperatura de la superficie se va haciendo menor. También se puede apreciar que el índice de área foliar de los dos tipos de selva no cambia de manera importante durante las tres fechas analizadas. En cuanto a la fracción de la radiación solar incidente que es reflejada por la superficie -el albedo-, resultó la misma tendencia: el albedo varió temporalmente más en el cultivo de caña de azúcar (0.09-0.16) que en los dos tipos de selva (0.13 y 0.11, para la SMS y SBES, respectivamente, sin variación estacional); lo cual está relacionado con el crecimiento de las plantas de caña de azúcar a lo largo del ciclo del cultivo.

Tabla 1.

Características biofísicas de los tres usos/coberturas del suelo analizados en tres fechas correspondientes a distintas etapas del cultivo de caña de azúcar. SMS: selva mediana subperennifolia; SBES: selva baja espinosa subperennifolia; etapa 1: establecimiento, germinación y emergencia; etapa 2: rápido crecimiento e incremento del rendimiento; etapa 3: maduración y sazonado.

    En la Figura 3 se muestra una ilustración resumiendo los resultados de la estimación de los componentes del balance de energía para las tres coberturas/usos del suelo y tres temporadas analizadas. Se resalta en primer lugar, que la energía disponible (Rn – G) en la superficie fue siempre mayor para los dos tipos de selva que para el cultivo. Sin embargo, hacia la tercera etapa del cultivo, esta diferencia fue mucho menor.

 

     En segundo lugar, se resalta que el cultivo de caña de azúcar resultó con flujo de calor latente (denotado en la Figura 3 como ETa, evapotranspiración actual) siempre menor comparado con ambos tipos de selva examinados. Además, el flujo de calor sensible (H) para la caña de azúcar fue 36-46% más que la selva al considerar las tres temporadas. En términos de consumo de agua, la media diaria para el cultivo de caña de azúcar varió entre y 3.3 mm (o litros por metro cuadrado), mientras que para ambas selvas este rango fue de 2.6-5.4 mm por día. Estos resultados apuntan a que la deforestación de la selva nativa del sur de la Península de Yucatán, para establecer el cultivo anual de caña de azúcar, resulta en una disminución importante de flujo de calor latente. En otras palabras, resulta en menor emisión de vapor de agua hacia la atmósfera. Esto conlleva a una atmósfera más caliente y seca (Figura 3).

 

     Examinando más a detalle las diferencias entre los dos tipos de selva, se destaca que la SBES presentó un mayor consumo de agua que la SMS durante las tres temporadas analizadas. Esto, a pesar de que la SMS siempre presentó mayor follaje, indicado por mayor índice de área foliar. Es posible que la mayor evapotranspiración actual de la SBES sea por mayor disponibilidad de agua, ya que este tipo de selva se localiza en terrenos bajos y planos con drenaje deficiente y propenso a inundarse. No se descarta, sin embargo, que diferencias fisiológicas y estructurales de la vegetación de ambas selvas expliquen diferencias en la cantidad de agua consumida por la vegetación (es decir, que las especies de la SBES transpiren más que las de la SMS dada la misma cantidad de agua y energía disponible).

Figura 3. Componentes del balance de energía y dos atributos biofísicos de las coberturas/usos del suelo estudiadas durante tres temporadas correspondientes a las etapas fenológicas del cultivo de caña de azúcar. Los componentes del balance de energía son la radiación neta (Rn), evapotranspiración actual o flujo de calor latente en términos hídricos (ETa), flujo de calor sensible (H), y flujo de calor del suelo (G). Los atributos biofísicos resaltados son el índice de área foliar (LAI, por sus siglas en inglés) y la temperatura de la superficie (Ts). ES: baja espinosa subperennifolia, MS: mediana subperennifolia. La selva MS típicamente ocurre en terrenos con mayor altitud en comparación con los terrenos destinados al cultivo de caña de azúcar que reemplazaron a la selva BES. Elaboración: I.I. Hernández Silva y M.S. Alvarado Barrientos.

     La etapa 2  del  cultivo,  que  corresponde al rápido crecimiento e incremento del rendimiento de la caña de azúcar, presentó un caso interesante. Solamente en esta etapa, el flujo de calor latente fue mayor que el flujo de calor sensible para el uso del suelo agrícola. Quizá este resultado es esperable, ya que esta etapa fenológica del cultivo requiere mayor consumo de agua comparado con las otras etapas. Sin embargo, es interesante que el flujo de calor latente fue mucho mayor para los dos tipos de selva comparado con las otras dos fechas analizadas. Dado que no hay cambios importantes en la cantidad de follaje de las dos selvas entre las tres fechas analizadas, es posible que este incremento de consumo de agua se deba a que durante la etapa 2 (invierno 2019) se presentó una sequía meteorológica que se tornó atípica para las condiciones de la zona (es decir, lluvia muy por debajo de lo normal), y la temperatura se tornó más cálida en comparación con las condiciones experimentadas durante la etapa 1 y etapa 3. Estos resultados sugieren que, a pesar de la sequía atípica durante el inicio de la época seca, aún había disponibilidad de agua en el suelo. También subrayan una importante implicación del calentamiento global sobre la fisiología de la vegetación tanto nativa como cultivada. Esto es, que durante temporadas más cálidas (y con atmósfera más seca) de lo normal, la vegetación demanda más agua, así como nosotros los humanos. Esto implica reducciones importantes en los reservorios de agua para todos los usos (Ferguson y Maxwell 2012). De intensificarse esta alta  demanda, y/o prolongarse mucho, se estaría frente a una importante crisis agrícola y de escasez de agua.

     De todo lo anterior, se concluye que el cambio de uso de suelo en el sur de Quintana Roo, genera cambios importantes en la partición de la energía de la superficie con efectos similares al incremento de gases de efecto invernadero. Los resultados obtenidos aportan evidencia de que la deforestación conlleva a un ambiente local más caluroso y a la disminución de la producción de vapor de agua, es decir, una atmósfera más cálida y seca. Una atmósfera más cálida y seca implica la reducción de la probabilidad de que se genere convección (Machado et al. 2004), es decir, menor oportunidad de que se formen nubes y que llueva. A pesar de esto, es aún necesario realizar mayores investigaciones para determinar qué tan extensa debe ser la deforestación y qué arreglo espacial de las parcelas de cultivo anual, tendrían un efecto significativo en los patrones climáticos a nivel regional, como por ejemplo, una reducción significativa de la precipitación en la zona o áreas cercanas a la zona deforestada (Avissar 2002; Lawrence y Vandecar 2015; Oliveira et al. 2018).

Implicaciones de Manejo

     Por décadas se ha sostenido que la deforestación y degradación de la selva tiene efectos negativos, entre ellos, la pérdida de biodiversidad y otros servicios ambientales que brindan a la sociedad local, regional y mundial (Brandon 2014). En este estudio se resalta uno de los efectos negativos de la deforestación de la selva para el establecimiento de un cultivo anual: el calentamiento y desecamiento de la atmósfera a nivel local por causas biofísicas. Este efecto tiene implicaciones importantes sobre los patrones ambientales de las condiciones del tiempo y de formación del nubes y precipitación, como se ha encontrado en otras regiones tropicales donde la deforestación ha sido extensiva (por ejemplo, en la Amazonía).

     Es importante reconocer que el impacto climático local que genera el cambio de uso del suelo será mayor cuanto más drástico, o “fuerte” (intensidad), y más extenso es el disturbio, es decir, mientras más profundos sean los cambios a las características biofísicas de la superficie. Por ejemplo, en orden descendente de intensidad y de impacto climático local tendríamos: una carretera, un asentamiento urbano, mecanización en la producción agrícola industrial (arroz, caña de azúcar, etc.), pastizales para ganadería, milpa tradicional, huracanes, incendios, aprovechamiento forestal selectivo.

     También es importante recordar que las selvas de la región mesoamericana actualmente están inmersas en paisajes formados por un mosaico de distintos tipos de coberturas y usos del suelo. Las selvas remanentes son el resultado de los procesos de sucesión a partir de disturbios naturales y provocados por los humanos durante muchos, incluso cientos, de años. Estos ecosistemas tropicales cuentan con una gran resiliencia o capacidad de retornar a estados previos al disturbio (Poorter et al. 2016) y son consecuencia de la dinámica sucesional de recuperación que es impuesta principalmente por el ser humano, afectando la diversidad de especies (Aide et al.  2013), la captura de carbono atmosférico (de Jong 2013) y la contribución a la mitigación del calentamiento global (Chazdon et al. 2016).

     Finalmente, puesto que los procesos ecológicos varían su magnitud respecto a la escala espacial y temporal de observación, es necesario realizar más estudios que contribuyan en la comprensión de los efectos de distintos tipos de disturbios humanos sobre los patrones y procesos ecológicos. En particular, aún es necesario ampliar los estudios biofísicos para determinar qué extensión y arreglo espacial de la deforestación/degradación de la selva tendrá efectos significativos sobre el clima a escala regional. Sin embargo, dado el estado del conocimiento y la crisis climática actual (Ripple et al. 2020), es apremiante que se continúe con la lucha contra la deforestación, se eviten cambios drásticos y extensos de cobertura vegetal, y que se intensifique la protección de los remanentes de selva y la restauración ecológica de cuanta extensión territorial sea socialmente viable en la región mesoamericana.

Agradecimientos

     Este artículo está basado en la tesis de maestría de la segunda autora, quien agradece el apoyo del Programa de Posgrado en Recursos Naturales y Desarrollo Rural de El Colegio de la Frontera Sur, y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACyT) por la beca recibida durante sus estudios de maestría.

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