Smithsonian Tropical Research Institute Diseño Experimental Proyecto Agua Salud Plantación de Especies Nativas Maderables (NTSP) Borrador 5 de mayo de 2008 Michiel van Breugel y Jefferson S. Hall 1 El marco mayor del proyecto de investigación Agua Salud El proyecto Agua Salud se propone enteder la diversidad de los servicios ambientales ofrecidos por los bosques dentro de la Cuenca del Canal de Panamá. Dada la importancia del Canal de Panamá para el comercio mundial y el hecho de que la cuenca del Canal sea la responsable de proveer agua potable a los residentes de las ciudades de Panamá y colón, los servicios hidrológicos son el foco prinicpal de este proyecto. El proyecto también espera entender y cuantificar el papel de los bosques en términos de captación de carbono y, en menor medida, servicios de biodiversidad. Para poder cuantificar los servicios mabientales, se empleará un estrategia en dos fases. Se llevarán a cabo estudios detallados en un sitio focal de investigación centrado en la subcuencas de Agua Salud y adyacentes (Area Focal de Investigación Agua Salud). Los resultados de investigación serán entonces ampliados a escala z través de una variedad adicional de sitios de estudio e inventario, así como empleando sensores remotos y técnicas de modelación (ver Cuadro 1 para las preguntas principales que plantea el Proyecto Agua Salud; una presentación detallada del diseño experimental general es provisto en adelante). Dentro del Area focal de investigación agua Salud, se han adquirido aproximadamente 700 has de tierra y puestas a disposición para el proyecto de investigación por los próximos 20 años con la posibilidad de extensión de la investigación y seguimiento por 20 años adicionales. Se dará seguimiento a siete tratamientos de uso de tierra dentro del ésta área donde los experimentos están planeados a la escala de la áreas de capatación o microcuencas enteras. Los tratamientos a escala de área de captación consisten en una réplica (una microcuenca) e incluyen: • • • • • • • Bosque Maduro o Bosque Secundario maduro Pastizal para cría de ganado; Cuenca parcialmente deforestada (50% pastos/50% bosques) Sucesión Secundaria; Plantación monoespecífica de teca; Plantación de especies nativas maderables; Bosque secundario manejado; Se dará seguimiento a cuencas adicionales en otros sitios: • Reforestación con especies nativas con el tratamiento ACP (Ciudad del Árbol); • Paja Canalera (dentro de los límities del Parque Nacional Soberanía). El propósito de este documento es proveer detalles del diseño experimental de la Plantación con Especies Nativas dentro del Area Focal de Invesyigación de Agua Salud. El diseño de investigación representa consultas extensas con un grupo de ecólogos y especialistas en reforestación del mundo entero, incluyendo aquellos con vasta experiencia en Panamá y Centroamérica. La consulta consistió en rtes días de taller en que los participantes realizaron 2 días de giras de campo (para visitar proyectos de reforestación seleccionados) a un día de trabajo en grupo. Se realizaron visitas al Area Focal de Investigación de agua Salud con especialistas de la Autoridad Nacional del ambiente (ANAM) y de la Autoridad del Canal de Panamá (ACP) para solicitar su opinión. Finalmente, a medida que el diseño experimental se desarrolle, esperamos 2 Cuadro 1: Preguntas Principales del Proyecto Agua Salud 1. ¿Hay ciertamente mayor suministro de agua subterránea bajo tierra forestada durante la estación seca que bajo tierras deforestadas? 2. ¿Promueven los diferentes tipos de uso de tierras y/o estrategias de manejo, tales como la reforestación, el almacenamiento de agua subterránea y cambios en otros compartimientos del ciclo hidrológico? 3. ¿Cómo afecta el uso de estas tierras y estrategias de manejo la producción de madera y los servicios ambientales cuantificables como carbón, almacenamiento de carbón, calidad del agua y biodiversidad? 4. ¿Podemos diseñar tratamientos proactivos que busquen la optimización de la producción forestal junto con los servicios ambientales durante la reforestación tanto local como a la escala de la Cuenca del Canal de Panamá? seguir con las consultas tanto personalmente como telefónicamente o por correo electrónico (Ver anexo I para la lista de participantes en la consulta). Este documento no es un documento de consenso, pero quienes tenemos la responsabilidad del diseño experimental general creeos que se ajusta al objetivo central del proyecto de reforestación con especies nativas de Agua Salud (i.e. producción de madera), permitirá probar teorías aplicadas pero también tendrá relevancia en cuanto a manejo forestal y es posible dentro de las trestricciones logísticas del proyecto. Fundamentos del Experimento: Considerando que la mayoría de las compañías e individuos que plantan árboles a gran escala en Panamá lo hacen con propósito de producción de madera, el objetivo principal de la iniciativa de reforestación es el manejo para la producción de madera. La teca (Tectona grandis) fue seleccionada entre las exóticas porque representa el 75% de los árboles en las plantaciones de Panamá (ANAM 2003). La selección de especies nativas, el epsaciamiento y tratamientos de manejo se enfocan primariamente en la producción de madera. Aunque el corazón del experimento madre está representado por los servicios ambientales como biodiversidad, hirdología o captación de carbono, ellos son secundarios en el manejo específico de los objetivos de plantación. Se seleccionaron 5 especies nativas maderables (Figura 1, Anexo II) como especies objetivo para la producción de madera en esta plantación. En términos de producción de madera, estas especies tienen un período de rotación de entre 20 y 40 años. Todas ellas crecieron bien bajo sol directo en las plantaciones experimentales de PRORENA. En el contexto del objetivo de producción de madera, la plantación está diseñada para probar si el comportamiento de estas especies se ve facilitado con especies acompañates o nodrizas y dónde. A su vez, esperamos conocer si estas especies actúan como competidoras por espacio y dónde. Los tratamiento con mezcla de especies inlcuyen todas las posibilidades de combinación para estas especies así también como las 3 especies acompañantes han sido seleccionadas para mejorar la producción de hojarasca y/o el ciclo de nutrientes (ver más abajo). Diseño Experimental Objetivos Principales 1. Evaluar crecimiento, supervivencia y patrones ontogénicos en alometría, asignación de biomasa y arquitectura (desempeño) de las especies maderables seleccionadas. 2. Relacionar la variación en el desempeño de las especies maderables seleccionadas dentro de los diferenes tratamientos y la variación espacial en topografía y variables de suelo. 3. Examinar cómo las especies maderables seleccionadas afectan o modifican variables a nivel de plantación que representan o están (potencialmente) relacionadas con servicios ambientales, por ejemplo: • Variables de suelo e hidrología • Biodiversidad (e.g. regeneración, diversidad de artrópodos) • Secuestro de carbón 4. Examinar la productividad a nivel de plantación y los beneficios en términos de servicios ambientales de mezclas de las especies maderables seleccionadas en relación con los monocultivos. 5. Comprobar si la mezcla de las especies maderables seleccionadas con un grupo de especies con alta producción de hojarasca (especies compañeras) pueden influir positivamente en la provisión de servicios ambientales, mientras mínimamente mantienen la productividad, en comparación con monocultivos de las especies maderables seleccionadas. Los objetivos 4 y 5 podrían incluir más preguntas teóricas sobre interacción de especies (i.e. facilitación o complementación), o sobre la relación entre el funcionamiento de la biodiversidad y del ecosistema. Arreglo experimental El experimento se enfoca primordialmente en los efectos de tratamientos de diferentes combinaciones de especies: a. Monocultivo de las especies maderables seleccionadas b. Mezcla de dos especies de las especies maderables seleccionadas c. Mezcla de cinco especies de las especies maderables seleccionadas d. Mezcla de seis especies, de una de las especies maderables seleccionadas y una mezcla de cinco especies compañeras. e. En un número de parcelas no serán plantados árboles y no se limpiará ni aplicarán otras medidas para permitir la regeneración natural. En todos los tratamientos excepto el último, el número de individuos será dividido uniformemente entre las especies. En el ultimo caso, la mezcla consistirá de 50% de las especies maderables seleccionadas y 50% de la mezcla de todas las especies compañeras. Una de las razones principales es que el objetivo final de cada plantación es la producción de madera; de ahí que se requiera suficiente libertad de selección durante la operación de raleo. Fueron seleccionadas cinco especies como objetivo, todas ellas importantes especies nativas maderables. Serán seleccionadas cinco especies acompañantes; todas ellas especies pioneras con 4 presumiblemente alta producción de hojaraca. (Figura 1, Anexo II). Esto resultará en un total de 22 tratamientos (Figura 2). 8 6 Soberania 4 Height (m) 2 0 X E U AM ERO HQ BR CE RM AB AC AL NA D A P TE T Y E A E U U R O RP AC AP HS YTF IRS HIP NM CH UR ING LUE ER GL SC PO O H S TE Y A E E U U R O RP AC AP HS YTF IRS HIP NM CH UR ING LUE ER GL SC PO O H S TE CT R G 6 Las Lajas 4 2 0 X E U AM ERO HQ BR CE RM AB AC AL NA D A P TE T CT GR Figure 1. Altura promedio de las especies seleccionadas en dos sitios de plantación después de dos años de plantadas. El valor promedio fue calculado del promedio de 9 parcelas, las lineas dan un error estandar. Barras grises: especies maderables seleccionadas; Barras blancas: especies acompañantes, 5 de ellas serán seleccionadas; Barra gris oscuro: teca para comparación. Los sitios de plantación difieren en pluviosidad y condiciones de suelo. Datos de los ensayos de selección de especies de PRORENA (sin publicar). Mientras el área total a plantar es de 75 hectáreas, restricciones logísticas (i.e., montar parcelas cuadradas en un área de forma irregular dejará una parte del área sin usar), disminuirán el área disponible para el experimento a sólo ~70 hectáreas.. El experimento será situado en dos áreas diferentes; y en la medida de lo posible, dividiremos el mismo número de réplicas por tratamiento entre áreas.. Una de las áreas es la propiedad 2, a la entrada del área de Agua Salud. Los límites de esta propiedad son muy similares a los límites de una subcuenca (ver Anexo III). Este sitio constituirá el tratamiento de plantación con especies maderables nativas a nivel de subcuenca para el estudio hidrológico. Una subcuenca (~6.5 ha) de una corriente tributaria será usada como tratamiento de “sucesión de bosque secundario” (Anexo IV). El área consiste mayoritariamente de pastos con árboles escasos, y parches con regeneración secundaria recientes (rastrojos) y parches con alta densidad de árboles grandes remanentes. La segunda área es adyacente al 5 Figura 2. Diagrama de mezcla de especies (tratamientos). Los colores amarillos indican las cinco especies maderables seleccionadas (objetivo) y los colores verdes indican las cinco especies compañeras. Parque Nacional Soberanía por un lado y a la plantación de teca por otro (Anexo V). Esta área cubre (partes de) varias microcuencas y consiste mayormente de parches de rastrojos de pocos años, con parches de pastizal abierto principalmente limitado por los filos de las colinas. En ambas áreas la densidad de ganado fue muy baja en el último par de años (<1 cabeza por hectárea). Los tratamientos serán asignados aleatoriamente a parcelas. Un Modelo Digital de Elevación (DEM) de las áreas será utilizado para definir las clases de pendientes. Cuando sea factible, el arreglo experimental será estratificado de acuerdo a los tipos de pendiente, con un número de réplicas por tratamiento proporcional al total del área cubierta por cada clase de pediente. Sin embargo, a medida que se haga la asignación de tratamientos a las parcelas en el campo como parte de un continuo proceso de disposición de la cuadrícula de plantación y la plantación de plántulas, debemos descifrar si una estratificación será factible, y en caso de una respuesta afirmativa, cómo organizarla. Los árboles serán plantados en disposición triangular con 3 metros de distancia entre los árboles vecinos (Método de tres bolillos). Esto resulta en una densidad de plantación de 1282 árboles por hectárea con 3 m. entre los árboles de la misma fila, y 2.6 m. de distancia entre filas (Figura 3). Esta disposición espacial es de acuerdo a las regulaciones de la ACP para pendientes ≥ 12%. Para mantener la misma densidad de plantación aplicaremos esta disposición a través de la plantación entera. El patrón de plantación espacial en tratamiento de dos especies está diseñado para incluir árboles de las dos especies con 6 vecinos heteroespecíficos (Figura 4A). La combinación de una especie maderable con cinco especies no maderables será como es indicada en la figura 4B. Todavía necesitamos bosquejar los patrones de plantación especial de los otros tratamientos. 6 2.6 m 3m 3m 3m Figura 3. Disposición de plantación triangular, con 3 metros de distancia entre los árboles adyacentes. En este diseño, la distancia entre las columnas es de 2.6 m, la densidad de plantación total es de 1283 plantas/ha, y todos los árboles están rodeados por 6 vecinos a una distancia igual (3 m.). Tamaño de las parcelas y número de réplicas La heterogeneidad espacial de pequeña escala a través de las áreas del NTSP es alta: • Topografía. Gran proporción de pendientes > 15º • Historia del uso de la tierra. En el área existe pastoreo activo y regeneración secundaria de diferentes edades. • Árboles grandes aislados. A través de las áreas, el origen (Remanentes vs. regeneración reciente) y la densidad de los árboles grandes aislados varía fuertemente. • Vegetación remanente. Dentro de la subcuenca, parches del bosque (maduro y secundario maduro) están presentes, especialmente alrededor de las quebradas. • No tenemos datos sobre la variación local de las características del suelo en las áreas de NTSP. La alta variación especial esperada en las variables ambientales requiere un alto número de réplicas por tratamiento y un pequeño tamaño de parcela. Otra razón para mantener las parcelas de pequeño tamaño a nivel de microcuencas es que el estudio busca estudiar los efectos hidrológicos de una plantación mixta de especies maderables en un nivel de la subcuenca entera. Las parcelas experimentales deben ser pequeñas para crear la mezcla de especias en un pequeña escala espacial (≤0.5 ha) a través de la cuenca. Todavía no hemos decidido el tipo de manejo silvicultural pero es probable que queramos examinar los efectos de algunos de tratamientos contrastantes. Algunos de estos experimentos de silvicultura serán aplicados dentro de las parcelas (nivel de tratamiento sub-parcela), pero el pequeño tamaño de las parcelas limita estas posibilidades, por lo que un alto número de réplicas sería necesario. 7 Basados en la información mencionada anteriormente y en discusiones con investigadores colaboradores, se ha seleccionado un tamaño de parcela de 15 x 15 árboles (45 x 39 m). Las 3 filas externas serán tomadas como zona de amortiguamiento dejando un área central de 9 x 9 (80) árboles (figura 4). Para claridad, este tamaño de parcela resultaría en un área central con alrededor de 9-10 árboles después del último raleo si una densidad final de ~200 árboles/ha es asumida y una zona de amortiguamiento de 10 m. Este tamaño de parcela permite 428 parcelas en total, y alrededor de 18 réplicas por tratamiento de combinación de especies. (Anexo VI). Figura 4. Patrón de plantación especial de las combinaciones de dos especies (A) y la combinación de una especie maderable con 5 especies compañeras no maderables (B). El patrón de plantación especial A está diseñado para incluir árboles de ambas especies con 6 vecinos heteroespecíficos, ejemplificado por los puntos dentro de las líneas punteadas. En el patrón B, las especies maderables (amarillos) y sus especies compañeras son alternadas en cada columna. Los árboles no maderables están señalados aleatoriamente en el grupo de cinco especies compañeras. La parcela consiste de 15 x 15 árboles (45 x 39 m), e incluye un área de amortiguamiento de tres columnas alrededor del centro de la parcela de 9 x 9 árboles (27 x 23.4 m; área gris). Manejo de Plantación Considerando los objetivos y preguntas de la investigación del nivel de subcuenca la disposición de nuestro experimento debería seguir las prácticas forestales normales. En una plantación maderable varios medidas de silvicultura son tomadas durante la rotación, destinadas a mejorar la producción de madera. Los fertilizantes y material orgánica son usualmente aplicados para aumentar el éxito del establecimiento y el crecimiento temprano. Después del establecimiento, una de los principales instrumentos del manejo de la plantación es el roleo para limitar la competencia y para asegurar el crecimiento continuo de los árboles restantes. El primero raleo generalmente toma lugar después de un periodo de 3-10 años, según cómo se desarrolle la plantación, y puede reducir la densidad inicial en hasta 40%. El raleo posterior reduce la densidad hasta aproximadamente 200 árboles por hectárea en la cosecha final. Dentro de este marco de trabajo, varios puntos deben ser considerados: • Las decisiones de manejo sólo pueden ser tomadas cuando objetivos generales claros han sido formulados, con una clara descripción de los resultados esperados en cada una de las 8 • • medidas de silvicultura. Por ejemplo, en una plantación mixta, el objetivo de la operación de raleo puede ser liberar las especies objetivo de la competencia de las especies compañeras, u obtener una densidad absoluta menor mientras se mantiene la misma densidad proporcional inicial. En el caso del proyecto Agua Salud, estos objetivos están tan relacionados a las preguntas principales de investigación como al adecuado desarrollo de la plantación. Las diferentes especies y combinaciones de especies requerirán diferentes medidas para resultados óptimos (producción de madera), i.e., el manejo puede ser adaptativo y no uniforme a través de todos los tratamientos. Por otra parte, de los tratamientos uniformes puede esperarse que estén más cercanos a óptimos para una especie que para otras. En ambas casos la confiabilidad de la comparación es un tema a considerar. Las decisiones de manejo pueden dirigirse a 1) los objetivos silviculturales (orientados a la producción) o a 2) las preguntas específicas de investigación (introducción de tratamientos experimentales). En el primer caso, las decisiones deben ser tomadas si las medidas contrastantes (lo que incluye no hacer nada como control) van a ser implementadas en una sección de/dentro de las parcelas para probar los efectos de la medida. Dada la limitación de área disponible, esto se hará sólo en unos pocos casos. En el último caso, ¿qué tanto y en qué escala tienen los experimentos de tratamiento permitidos interferir con los objetivos principales a nivel de subcuenca que requiere una plantación de madera de especies mixta? Las decisiones de manejo tienen consecuencias importantes para el tipo de preguntas que podemos hacer. Las interacciones entre las especies y la dinámica natural de la plantación son manipulados por el raleo y la poda , lo que limita la potencial dirección hacia cierta preguntas de investigación teórica sobre los procesos e interacciones naturales, mientras provee oportunidades para dirigirse a otras. En esta fase, no decidiremos sobre los detalles de los futuros tratamientos de silvicultura. En este momento, es prematuro tomar deicsiones de manejo silvicultural a futuro. 9 APÉNDICES Anexo I. Lista de paarticipantes del Taller de Diseñjo de Plantación de Especies Nativas en el Proyecto Agua Salud y otros individuos consultados: • • • • • • • • • • • • • • • Mark Ashton, Escuela de Estudios Ambientales y Forestales, Universidad de Yale Naira Camacho, Autoridad del Canal de Panamá Arturo Cerezo, Autoridad del Canal de Panamá N. Cubas, Autoridad Nacional del Ambiente. Panamá Luis Córdoba, Autoridad Nacional del Ambiente. Panamá Stuart Davies, Centro de Ciencias Forestales del Trópico, Universidad de Harvard José Deago. Centro de Ciencias Forestales del Trópico. STRI. Brent Frey, Escuela de Estudios Ambientales y Forestales, Universidad de Yale. Susan Laurance, Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales Carlos Melgarejo, Autoridad Nacional del Ambiente, Panamá Florencia Montagnini, Escuela de Estudios Ambientales y Forestales, Universidad de Yale Andrew Park, Centro de Investigaciones Interdisciplinarias/ Escuela de Biología. Universidad de Winipeg. Catherine Potvin, Universidad de MacGill. Robert Stallard, Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales/ Departmento de Geología de los Estados Unidos. Joseph Wright, Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. 10 Anexo I. Información sobre las especies seleccionadas tomada del ensayo de selección de especies de PRORENA. Los datos de los sitios de Las Lajas y Soberanía son presentados, los cuales son los dos sitios más húmedos de PRORENA y más similares al área de Agua Salud. Los datos presentan supervivencia y crecimiento dos años después de plantadas. Los promedios son calculados de los valores medios de 9 parcelas (20 árboles por parcela) por especie y sitio. Supervivencia (%) Las Lajas Soberanía medio SE medio SE Diámetro (cm) Las Lajas Soberanía medio SE medio SE Altura (m) Las Lajas Soberanía medio SE medio SE Especies objetivo Terminalia amazonia Dalbergia retusa Pachira quinata Tabebuia rosea Anacardium excelsum 98.3 98.3 91.1 88.9 85.6 1.2 0.8 2.2 5.3 6.5 92.5 97.8 98.3 96.4 97.8 2.6 1.2 0.8 1.3 1.2 5.2 5.4 5.6 5.9 4.7 0.4 0.5 0.3 0.4 0.6 4.2 6.1 11.6 6.4 6.0 0.4 0.4 0.6 0.5 0.4 3.1 2.7 1.6 2.5 2.2 0.4 0.3 0.1 0.2 0.3 2.6 2.6 3.0 3.0 2.2 0.3 0.1 0.1 0.2 0.1 100.0 88.9 66.1 95.0 77.8 88.9 97.2 84.4 0.0 9.9 4.0 2.5 6.5 3.3 1.2 6.2 98.3 98.9 86.7 95.6 90.0 83.9 100 97.2 1.2 0.7 4.6 2.4 1.4 4.1 0.0 1.2 4.9 6.9 2.7 4.9 8.1 5.5 3.7 6.3 0.4 0.6 0.4 0.4 0.8 0.4 0.4 0.4 12.1 10.2 7.8 8.3 15.1 5.1 10.4 10.8 0.3 0.5 0.4 0.2 0.6 0.6 0.4 0.3 1.5 1.8 1.0 2.2 4.1 3.8 1.6 2.0 0.1 0.1 0.1 0.2 0.4 0.4 0.2 0.2 6.0 2.4 2.6 2.9 7.0 2.9 4.2 3.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.3 0.3 0.2 0.1 Especies Compañeras Gliricidia sepium Hura crepitans Inga puntata Luehea seemannii Ochroma pyramidale Schizolobium parahyba Spondias mombin Erytrina fusca Tectona grandis 100.0 0.0 100.0 0.0 7.4 0.7 10.8 0.3 3.5 0.5 6.2 0.2 Fuentes: M.H. Wishnie, D.H. Dent, E. Mariscal, J. Deago, N. Cedeño, D. Ibarra, R. Condit, P.M.S. Ashton. 2007. Initial performance and reforestation potential of 24 tropical tree species planted across a precipitation gradient in the Republic of Panama. Forest Ecology and Management 243: 39–49 Datos sin publicar del Proyecto de Reforestación con Especies Nativas (PRORENA) del STRI. 11 Anexo III. Mapa del área de investigación de Agua Salud, con la ubicación de las plantaciones de especies nativas maderables. 12 AnexoIV. Mapa de la propiedad 2 a la entrada del área de Agua Salud, donde aproximadamente la mitad de la plantación de especies maderables nativas será establecida. La microcuenca de 6.64 ha será utilizada como tratamiento de bosque secundario, i.e. no se plantará y no habrá manejo alguno en el área. La zona indicada alrededor de las corrientes principales ha sido trazada en el campo utilizando GPS, y no está disponible para la plantación por la presencia de crecimiento de bosque secundario moderno. 13 Anexo V. Mapa del área donde la plantación de teca será establecida (árboles en verde oscuro) y la otra mitad de la plantación de especies nativas maderables (árboles en verde claro). Las áreas han sido estimadas, ya que no se ha hecho un mapa detallado de las características del paisaje como quebradas, ribereñas, vegetación o parches de vegetación de bosque maduro. 14 Anexo VI. Diseño Experimental en Números Área total de parcela (m2) Tamaño total de parcela (m x m) Distancia de plantas entre árboles Distancia entre filas Ancho asumido de área de amortiguamiento (# of rows) Área de parcela real(m2) Área de zona de amortiguamiento (m2) Tamaño de parcela real (m x m) Número total de árboles plantados Número total de árboles plantados / columna Número total de árboles plantados /línea (parcela real) 1754 45 x 39 3 2.6 3 631 1122 27 x 23.4 225 15 x 15 9x9 Número de árboles parcela real (a medir) 81 Número de árboles en zona de amortiguamiento 144 Especies # Répl # de parcelas Área de parcela (m2) Total(ha) Especies maderables objetivo (TS) Combinaciones de 2 especies maderables (TS+TS) Combinaciones de 5 especies maderables (TS) Combinación de especies maderableno maderable (1 TS + 5 non-TS) Control (no intervención) Total 5 18 90 1754 15.8 10 18 180 1754 31.6 1 40 40 1754 7.0 5 20 100 1754 17.5 1 18 18 428 1754 3.2 75 15