Meteorología Colombiana

N°9

pp. 23 - 29

Marzo 2005

Bogotá D.C.

ISSN-0124-6984

FLUJO DE NUTRIENTES EN LA ESCORRENTíA SUPERFICIAL DE BOSQUES MONTANOS

EN PIEDRAS BLANCAS, ANTIOQUIA (COLOMBIA)

SURFACE RUNOFF FLUXES OF NUTRIENTS IN MONTANE FORESTS

IN PIEDRAS BLANCAS REGION, ANTIOQUIA (COLOMBIA)

OSCAR ANDRÉS RUIZ SUESCÚN Ingeniero Forestal. e-mail: [email protected]

JUAN JOSÉ ACOSTA JARAMILLO Ingeniero Forestal. e-mail: [email protected]

JUAN DIEGO LEÓN PELÁEZ Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia e-mail: [email protected]

~ O., J. Acosta & J. León. 2005: Flujo de nutdemtes erila escorreritía sUperficial debosques mOntanos en Piedras Blancas, ~uia (Colombia). Meteorol. Colomb. 9:23-29. ISSN 0124-6984. Bogotá, D.C. Colombia.

~

RESUMEN

lr1 bosques montanos naturales de roble (Quercus humboldtii Bonpl.) y plantados de pino pátula (Pinus patula Schltdl. & Cham.) II'Clprés (Cupressus lusitanica MilI.) de la región de Piedras Blancas, Antioquia. fueron medidos los flujos de escorrentía superficial ..... un periodo de tiempo de 16 meses. Se implementaron parcelas cerradas de escorrentía superficial de 2 m x 10 m, tanques jlXJlectores y sistemas de registro volumétrico. Los flujos de nutrientes para el grupo de elementos en las coberturas de roble, pá­ lula Y ciprés, respectivamente, fueron: P total (0,51,0.08 Y 0,42 kg ha·1 año·1 ), Ca (0,13,0,21 Y 1,27 kg ha 1 año· 1 ); Mg (0,07, 0,07 11 0.34 kg ha 1 año· 1); K (0,89, 0,71 Y 2,60 kg ha· 1 año' 1); Fe (0,04, 0,04 Y 0,47 kg ha- 1 año- 1) y Mn (0,01, 0,01 Y 0,08 kg ha·1 año· 1). Palabras clave: Escorrentía superficial; parcelas de escorrentía; flujo de nutrientes, Quercus humboldtii, Pinus patula, Cupres­ !SUS lusitanica.

ABSTRACT In natural montane oak forests (Quercus humboldtii Bonpl.), pine (Pinus patula Schltdl. & Cham.) and cypress (Cupressus lusi­ 'mica Mili.) plantations in the regíon of Piedras Blancas, Antioquia, surface runoff flows (SRF) were measured over 16 months.

°

Runoff was measured uSing 2 m wide x 1 m long runoff bounded plots, collector tanks and a volumetric counter system. Nutrient for the oak forest, pine and cypress plantations were, respectively : P-total (0,51,0,08 and 0,42 kg ha· 1 y-l), Ca (0,13,0,21 and 1,27 kg ha-1 y-1); Mg (0,07,0,07 and 0,34 kg ha- 1 y.1); K (0,89,0,71 and 2,60 kg ha- 1 y-l); Fe (0,04,0,04 and 0,47 kg ha·1 y'1) and Mn (0,01, 0,01 and 0,08 kg ha·1 y.1).

.~

Keywords: Surface runoff, runoff plots, nutrients flow, Quercus humboldtíi, Pinus patula, Cupressus lusitanica.

METEOROLOGIA COLOMBIANA N° 9 - MARZO 2005.

INTRODUCCiÓN Para los ecosistemas forestales ha sido ampliamente repor­ tada la ocurrencia de valores bajos de escorrentía superficial (ES) a diferencia de lo encontrado bajo condiciones de te­ rreno en suelo desnudo o cultivo limpio (Temple 1972, Suá­ rez 1980, McGregor 1980, Maene & Sulaiman 1980, Margan 1986, Alegre et al., 1990, Moreno 1994, Schwab et al., 1996, León 2001). Sin embargo, aún bajo cubierta forestal, los valo­ res de ES pueden ser inusual mente altos, caso del desarrollo de suelos repelentes al agua promovido por la descomposi­ ción del material orgánico de algunas especies de coníferas, La aparición de compuestos hidrofóbicos durante el proceso de descomposición del material orgánico proveniente de la vegetación, podría afectar sígnificativamente la distribución y movimiento del agua lluvia en los diferentes compartimientos del ciclo hidrológico, con una clara disminución de los vo­ lúmenes de infiltración y percolación, y un aumento en los correspondientes a la ES, Mundialmente, los estudios realizados acerca de los flujos de ES se han enfocado en analizar los efectos que pueden sufrir los ecosistemas forestales con los cambios en el uso del suelo (cultivos, ganadería, sistemas agroforestales, que­ mas, extracción maderera, etc). Una manera de identificar con claridad dichos efectos es mediante la determinación de la cantidad y calidad del flujo de ES (Rubio et al., 1997, Lal 1997, Mander et al., 1998, Rowse & Center 1998, Inbar et a1.1998, Fierer & Gabet 2002, Udawatta et al., 2002, Jordan et al., 2003, Pardini et al., 2003), El estudio de estos flujos a nivel del bosque ha sido poco atendido en el mundo tropical si se le compara con lo realizado en regiones templadas, aún mediando la importancia que tienen las coberturas forestales tropicales en el ciclo hidrológico mundial y de producción de agua para consumo humano. El objetivo principal de esta investigación fue determinar las cantidades de nutrientes solubles circulando en los flujos de ES en tres ecosistemas forestales de la región de Pie­ dras Blancas, Antioquia, monitoreados a través de parcelas cerradas de escorrentía.

Fígura 1. Localización del área de Estudio. Métodos de campo El estudio se desarrolló en el periodo 18/11/2002 y 13/03/2004, para una duración total de 16 meses. En bosques de roble (Quercus humboldtii Bonpl.), pino pátula (Pinus patula Schl· tdl. & Cham.) y ciprés (Cupressus lusitanica MilI.) se imple­ mentaron parcelas convencionales cerradas de escorrentía, a razón de tres parcelas para los bosques de pátula y ciprés y dos parcelas para el bosque de roble. Las características de los bosques se muestran en la Tabla 1.

Caracterización de los rodales para las tres parcelas experimentales Parcela

Edad* (años)

Roble

Árbo­ les** (ha-1 )

Diáme­ tro pro­ medio (cm)

Área basal (m2 ha-1 )

Biomasa (ton ha-1)

358

15,9

17,257

166,401

Pátula

39

439

23,107

41,728

328,179

Ciprés

39

615

18,159

36,578

194,801

MÉTODOS Área de Estudio La zona de estudio se localiza al oriente del departamento de Antioquia, cuenca hidrográfica de la quebrada Piedras Blan­ cas, a una altitud aproximada de 2.400 m (Fig, 1), La tempera­ tura media anual es de 14,9°C, la humedad relativa promedio anual 82%, y la precipitación media anual, período 1942-1997, de 1.698 mm . Las condiciones climáticas señaladas se co­ rresponden con la zona de vida bosque húmedo Montano Bajo (bh-MB) (Holdridge, 1987). Los suelos se derivan de ceniza volcánica, correspondiendo al orden Andisoles del USDA.

Métodos de campo El estudio se desarrolló en el periodo 18/11/2002 y 13/03/2004. para una duración total de 16 meses. En bosques de roble

Fuente: Ramírez & Zapata (2004); * Plantaciones estableci­ das en julio 1 de 1965; ** Árboles de diámetro :::: 10 cm. Las dimensiones de las parcelas fueron de dos metros de an­ cho por 10 metros de largo, y se dispusieron en dirección de la pendiente, Se delimitaron con láminas de polietileno, colo­ cadas de canto en la superficie del terreno, hasta una profun­ didad de 5 10 cm con respecto al suelo mineral, quedando 10-15 cm sobre la superficie del terreno, En la parte inferior de cada parcela se colectó el flujo mediante una canaleta de 3 pulgadas de diámetro que transportaba el agua hasta un tanque plástico de 250 I de capacidad, En las parcelas de ES ubicadas en la cobertura de ciprés, se implementó un siste­ ma alternativo de registro volumétrico, de conformidad con las especificaciones de Acosta et al., 2003, pues fue allí en

IRUIZ, ACOSTA & LEON: FLUJO NUTRIENTES ESCORRENTlAL SUPERFICIAL DE BOSQUES MONTANOS

IIor1de se presentaron los mayores volúmenes de ES.

Se registró la precipitación semanal mediante pluviómetros ~

al agua como agente diluido y un conjunto de iones intercam­ biables presentes en los espacios intercelulares libres de las hojas y de otros tejidos (Parker, 1983).

6 pulgadas de diámetro construidos en PVC, y dispuestos

1rn sobre la superficie del terreno. Estos pluviómetros se 10­ ::alZaron tanto a condición de campo abierto para monitoreo !le la precipitación como dentro de los bosques en estudio, ¡rara monitoreo de la precipitación interna (neta). Los volú­ .-enes recogidos por las parcelas de escorrentía y por los /*-viómetros fueron medidos semanalmente. Mensualmente ~ sometieron a análisis químico muestras combinadas del flIfO de ES, por cobertura forestal, las cuales se colectaron ., frascos debidamente lavados y desmineralizados, siendo ~más las probetas empleadas en campo, enjuagadas con QJa desmineralizada conforme se cambiaba de cobertura ~tal.

llétodos de laboratorio

J..os

procedimientos seguidos para los análisis de P, K, Ca,

1Ig. Fe y Mn fueron los de American Society of Agronomy

ln:1

Soil Science SoCiety of America (Klute, 1986; Page,

119B2), los cuales se practicaron en el Laboratorio de Ecolo­ ¡pa y Conservación Ambiental, adscrito al Departamento de ~cias Forestales de la Universidad Nacional de Colombia,

Sede Medellín.

RESULTADOS Y DISCUSiÓN

la; flujos de agua de ES en las parcelas de estudio, han sido ~os con profundidad por Acosta et al., 2004. En dicho illabajo se reportan para los flujos de ES valores de 23,19 .." año-1 (1,07 % de la precipitación) en la parcela de roble, 115.13 mm año-1 (1,61 % de la precipitación) en la parcela de pino pátula y de 230,64 mm año-1 (11,05 % de la precipita­ bór11 en la parcela de ciprés.

los flujos de nutrientes fueron calculados a partir de las tDr'Icentraciones promedio ponderadas por los volúmenes lieCOgidos de Precipitación (PT), Precipitación Interna (PI) y ES. en las coberturas estudiadas. En la Tabla 2 y Fig. 2 Y 3 l5e presentan los concentraciones promedio ponderadas por lIOiúmenes de los macro y micronutrientes, respectivamente, para los flujos de PT, PI Y ES.

las concentraciones de elementos presentes en la precipita­ tIOn (PT) que constituyen los valores referenciales, van cam­ bando entre coberturas a medida que dicho flujo atraviesa el dosel del bosque (PI) y cae al piso forestal (ES). En términos generales para el grupo de macroelementos estudiados, los !Valores de concentración de la PT siguieron el patrón con­ lliencional de enriquecimiento ampliamente reportado para este flujo tras su contacto con los órganos vegetales y con­ lliersión en flujo de PI. Éste constituye uno de los mecanismos típicos de circulación de algunos elementos, a través del cual, se transfieren sus­ ltancias de las plantas y se reducen las concentraciones folia­ res de los elementos removidos. Tales materiales removidos se derivan de reacciones de reemplazo iónico que involucran

El lavado de nutrientes referido es probablemente una de las principales fuentes de PI para muchos elementos como K, elemento de reconocido carácter móvil y fácilmente removido de los tejidos foliares, para el cual efectivamente, se observan los mayores niveles de enriquecimiento entre coberturas. Otro patrón observado para la interacción PT-PI es de carác­ ter inverso al recién descrito, caso particular registrado para P en las coberturas de roble y ciprés. En éstas, el P presente en el flujo de PT disminuyó al convertirse en flujo de PI. Este proceso -conocido como captura foliar- constituye un proceso análogo, en dirección contraria al de lavado. Asi, aún cuan­ do para la mayoría de elementos se detecta un efecto neto de lavado, algunos doseles en sistemas oligotróficos pueden retirar elementos de la precipitación. De conformidad con planteamientos de Jordan et aL, 1980, en sistemas con baja disponibilidad de nutrientes, elementos limitantes para el cre­ cimiento como es el caso de N, son con frecuencia removidos de la precipitación incidente. En el caso de Ca para la cobertura de ciprés se detectó un comportamiento análogo, disminuyendo muy ligeramente la concentración del elemento en el flujo de PI con respecto a PT. También, para este elemento ha sido señalada su ocasio­ nal remoción del agua lluvia. Las concentraciones de ES se encuentran claramente in­ fluenciadas por las correspondientes a los flujos de PT y PI, ya que estos constituyen los vectores fundamentales de nutrientes al sistema hasta sullegada al piso forestal. A este nivel, se presenta una interacción de gran relevancia entre dichas aguas y el horizonte holorgánico o mantillo forestal. De ella se derivará nuevamente, o bien una ganancia o una pérdida de nutrientes. Para la totalidad de macroelementos estudiados en las tres coberturas, se encontró un efecto neto de enriquecimiento, a excepción de K en la cobertura de ciprés. Asimismo se evi­ dencia este patrón en el caso de los microelementos. Este enriquecimiento se debe muy probablemente a que en desarrollo de los procesos de descomposición y mineraliza­ ción de la materia orgánica en dicho horizonte, se encuen­ tra disponible una mayor cantidad de formas solubles de los elementos que pueden ser lavadas por el flujo de ES. Así, Jordan, 1982, para bosques tropicales de la Amazonía Vene­ zolana, reportó la ocurrencia de concentraciones de elemen­ tos considerablemente superiores en los flujos de agua que atravesaban la hojarasca y humus en el suelo superficial, con respecto a las concentraciones presentes en el agua lluvia y el agua de lavado (PI).

METEOROLOGIA COLOMBIANA N° 9 - MARZO 2005

Tabla 2. Concentraciones promedio ponderadas por volumen de ES en macro y micronutrientes en las coberturas estudiadas. Elemento (mg 1-1)

Roble

Pino pátula

Ciprés

PT

PI

ES

PT

PI

ES

PT

PI

ES

P

0,22

0,13

0,26

0,22

0,25

0,26

0,22

0,16

0,26

Ca

~28

0,35

0,50

0,28

0,35

0,54

0,28

0,27

0,40

Mg

0,07

0,13

0,20

0,07

0,10

0,22

0,07

0,08

0,10

K

0,20

1,74

2,59

0,20

1,03

1,46

0,20

0,98

0,67

Fe

0,05

0,03

0,16

0,06

0,05

0,05

0,05

0,05

0,08

Mn

0,03

0,04

0,04

0,03

0,04

CO,05

0,03

0,01

0,05

Zn

0,03

0,03

0,50

0,03

0,06

0,56

0,03

0,03

0,12

Concentrllción P

Concentrllción CII 0,60

0,30

0,50

0,25

0,40

0,20

~

0,15

IllPT ¡;¡PI

0,10

cES

~

0,30 0,20

0,10

0,05

0,00

0,00

Roble

PMula

Roble

Ciprés

Pátula

Ciprés

Calle rturll.

Calle rtur••

Concentrllción CII

ConcentnlclOn Mg 0,60 0,25

0,50 0,20

0,40 -1...

0,15

~

010

DPT ¡;¡¡PI SES

i

0,30 0,20 0,10

0,05

O,O O Roble

PMula Cober1u~"s

Ciprés

+-..JJ..IJI.l.Il.::...:::.-'l=::l..-.--....LllUJ.ll:...::...:::=::::L-,--W.l.l.I.O'-'...::~=--.

Roble

Pátula

Ciprés

Calle rtur••

Figura 2. Concentraciones ponderadas por volúmenes de los macronutrientes para los flujos de PT, PI Y ES, en las coberturas estudiadas

-~

UIZ. ACOSTA & LEÓN: FLUJO NUTRIENTES ESCORRENTIAL SUPERFICIAL DE BOSQUES MONTANOS

Concen1f111dón 1111

Concen1f111dón Fe 0.18 0,16 0,14 0.12 ::... 0.10

0.00

0,05

ID PT [l PI

~0.08

9ES

0.00 0.04 0.02 0.00

'"

~

OD4l

om 0,02

miil

a

nm

I

ID PT [lPI

9ES

0.01 0.00 Roble

Párula

Ciprés

Cobertu-as

Roble

Pátula

Ciprés

Coberturas

Figura 3. Concentraciones promedio ponderadas por volúmenes de los micronutrientes para los flujos de PT, PI Y ES, _ las coberturas estudiadas &1 la Tabla 3 y Fig. 4 se muestra el flujo anual de nutrientes asociado a la ES, el cual se relaciona a su vez con los vo­ llimenes de ES en cada cobertura. Para su cálculo fueron lllmadas las concentraciones medias ponderadas de cada IIIIl!!rnento, y multiplicadas por el volumen total anual de ES 8ICOIltrado en cada cobertura. Las mayores pérdidas se pre­ ...-aron en ciprés, la cual generó los valores mayores de ES, ~ida por pino pátula, en donde los valores de ES fueron illlermedios; y finalmente por roble, en la cual los valores de ES fueron los más bajos. Este patrón se presentó para todos 1115 nutrientes excepto para K bajo la cobertura de roble, cuyo ..... superó levemente el valor encontrado en pino pátula. Tabla 3. Flujo de nutrientes en la ES (kg ha-1año-1) de cada cobertura

•

Las pérdidas de nutrientes encontradas para Mg (Tabla 3), se corresponden con los menores valores reportados para bosques tropicales (Tabla 4), lo cual podría señalar un uso eficiente del nutriente por las coberturas estudiadas. Los va­ lores encontrados para este elemento fueron muy similares a los obtenidos para P, sin embargo los valores de este último comprenden además las formas insolubles.

Elemento P~

Ca Mg K Fe

El nutriente para el que se presentaron las mayores pérdidas fue K, situación debida a su carácter eminentemente móvil, siendo aportado en grandes cantidades por los flujos de pre­ cipitación interna y escurrimiento cortical, hasta alcanzar el piso forestal.

Mn

Flujo de n.rIril!!l'lla.

-" :'" ¡

Los flujos de P fueron relativamente bajos si se comparan con los reportados en otros estudios realizados en la región tropical, cuyos rangos oscilan entre 0,03 y 0,3 kg ha-1 año-1 (Tabla 4). Esto se puede relacionar con la poca disponibilidad de este elemento en suelos del oriente antioqueño (Tschinkel, 1972), ocasionada por procesos de inmovilización en suelos derivados de cenizas volcánicas, los cuales tienen una gran capacidad de fijación de fosfatos solubles, que harian del P un elemento limitante. El flujo de Ca, fue inferior a los valores reportados para este elemento en otros bosques tropicales montanos (Tablas 3 y 4), los cuales oscilan entre 0,35 y 4,0 kg ha-1 año-1 (Na­ prakob et al., 1976, Watnaprateep, 1984, McDonald et al., 2002).

El comportamiento de los flujos de los micronutrientes (Fe y Mn), siguió el comportamiento de los flujos de siendo nuevamente ciprés la cobertura que mayores pérdidas re­ gistró (Tabla 3). No se encontraron valores reportados para bosques tropicales que permitieran comparar las pérdidas observadas en este estudio.

-_ ·s j

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, rID+= Ca

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K

,

Fe

,

M1

Zn

Elementos:

Figura 4. Comportamiento anual de los flujos de nutrien­ 1115 en la ES de las coberturas estudiadas.

METEOROLOGIA COLOMBIANA N° 9 - MARZO 2005

Tabla 4. Valores reportados para flujos de nutrientes (kg ha-1año-1) en diferentes regiones. Sitio

Tipo de medición

Precipita­ ción (mm)

Escorrentía (mm)

Flujos de nutrientes P

Ca

I

Mgl

K

Fe

Mn

-

-

Referencia

Bosques tropicales de tierras bajas Cuenca aforada

3850,00

2425,00

0,24

15,50

6,00

Reserva Ducke, Brasil

Cuenca aforada

2475,00

150,00

0,30

0,90

0,50

Himalaya, India

Parcelas de escorrentía

14,00

0,10

2,30

0,40

0,40

Narain et al. 1998

Himalaya, India

Parcelas de escorrentia

0,10

1,40

0,30

0,30

Narain et al. 1998

2,60

Naprakob et al. 1976 Watnapra­ teep 1984.

-

-

14,60

Lewis 1986; Lewis et al. 1987

Rio Caura, Venezuela

Brinkman 1983; Brinkman 1985

Bosques tropicales montanos Chiengmai, Tailandia

Mediciones en varios puntos de la quebrada

2035,00

930,00

Blue Mountains, Jamaica.

Parcelas de escorrentía

2180,00

0,4 4

CONCLUSIONES Las concentraciones de los flujos de ES se encuentran deter­ minadas básicamente por aquellas de los flujos de PT y PI, los cuales representan la entrada fundamental de nutrientes al bosque hasta su llegada al piso forestal. Asimismo, es de crucial importancia la interacción que a este nivel tales flujos presentan con el mantillo forestal, de donde resultarán altera­ dos -usualmente incrementados- ya como flujos de ES. Las pérdidas de nutrientes vía ES estuvieron claramente relacionadas con los volúmenes del flujo. Así, los mayores valores se tuvieron en la cobertura de ciprés, seguidos de pá­ tula y finalmente de roble. Los valores encontrados para los distintos elementos se corresponden en términos generales con los rangos reportados por la literatura para bosques tropi­ cales, localizándose usualmente en los límites inferiores. Las parcelas aquí empleadas fue~on un método relativamen­ te simple y de bajo costo para monitorear los flujos de ES.

RECONOCIMIENTOS A la Dirección de Investigaciones de la Universidad Nacional de Colombia. A los profesores Álvaro Lema Tapias, Guiller­ mo Correa Londoño, Daniel Francisco Jaramillo y Conrado Tobón Marin, por sus asesorías y correcciones. Al Departa­ mento de Ciencias Forestales de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, en particular a su Laboratorio de Ecología y Conservación Ambiental y a la Estación Forestal

-

0,03

4,00

0,35

2,50

0,84

-

McDonald et al. 2002

Piedras Blancas. A NICRO Ltda. "Resistencias Industriales", por su colaboración en la elaboración del sistema de registro volumétrico, A Empresas Públicas de Medellín por su autori­ zación para realizar la investigación en predios de su propie­ dad y por el suministro de la información pluviométrica,

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