EXTRACCIÓN DE BIOMASA EN LOS SUELOS FORESTALES

Cuad. Soc. Esp. Cienc. For. 25: 23-32 (2008)
«Actas de la II Reunión sobre Suelos Forestales»
EXTRACCIÓN DE BIOMASA EN LOS SUELOS
FORESTALES, PRINCIPALES VARIABLES A TENER EN
CUENTA PARA EVITAR LA DEGRADACIÓN DEL SUELO
Agustín Merino García
Departamento de Edafología y Química Agrícola, Unidad de Gestión Forestal Sostenible. Universidad de
Santiago de Compostela. Escola Politécnica Superior. 27002-LUGO (España). Correo electrónico:
[email protected].
Resumen
Diferentes regiones con vocación forestal están planteando el aprovechamiento de restos de corta
de plantaciones para uso energético. En este artículo se hace una breve exposición de los aspectos
más importantes que se deben de tener en cuenta para evitar la degradación del suelo en los terrenos
forestales en los que se aproveche biomasa de manera intensiva. Los diferentes procesos, como son
la compactación, la erosión, la pérdida de nutrientes o la evolución de materia orgánica, se ilustran
con resultados obtenidos por el grupo de investigación en el norte de España. Con ello se pretende
contribuir al aprovechamiento sostenible de este potencial recurso.
Palabras clave: Biomasa, Materia orgánica del suelo, Erosión, Nutrientes
INTRODUCCIÓN
Diferentes regiones españolas y europeas
están planteando el aprovechamiento de la biomasa arbórea no maderable como fuente de energía o materia prima para la industria de la
transformación de la madera. Además del establecimiento de plantaciones energéticas, otra
posibilidad es el aprovechamiento de los restos
de corta de plantaciones después de la corta final.
Esta práctica podría incrementar la rentabilidad
de la propiedad forestal y, puesto que en muchos
casos los restos de corta son el origen de incendios y la proliferación de enfermedades, también
podría ayudar a gestionar las masas forestales.
Este creciente interés energético, junto con
otras cuestiones de tipo ambiental (acumulación de
C, ciclo de nutrientes) han potenciado el desarrollo
de ecuaciones allmétricas para la cuantificación de
la biomasa arbórea (por ejemplo, BALBOA, 2005;
ISSN: 1575-2410
© 2008 Sociedad Española de Ciencias Forestales
MONTERO et al., 2006; BRAVO et al., 2007). Estas
ecuaciones, que relacionan el peso de cada fracción arbórea con variables de árbol sencillas de
medir en campo, han permitido cuantificar las
existencias de biomasa arbórea en algunas regiones y estimar, de este modo, la potencialidad de
este recurso como fuente de energía.
Sin embargo, antes de retirar los restos de
corta, debemos considerar las funciones que
éstos desempeñan para proteger el suelo.
Muchas de las masas arbóreas se asientan sobre
terrenos de fuerte pendiente y son pobres en
nutrientes, por lo que la retirada de biomasa
puede favorecer los procesos de erosión y deteriorar el estado nutricional de los sistemas forestales. Un aprovechamiento indiscriminado
también puede afectar al contenido de materia
orgánica del suelo. Bajo esta perspectiva se hace
necesario aportar información no sólo de la disponibilidad del recurso, sino también de datos
23
A. MERINO GARCÍA
«Extracción de biomasa en los suelos forestales, principales variables a tener en cuenta para evitar la degradación del suelo»
Los datos obtenidos en plantaciones del
norte de España muestran aumentos de densidad
aparente de hasta 1.5 g.cm-3 en terrenos donde se
ha retirado la biomasa arbórea y se ha introducido maquinaria pesada (Figura 1; MERINO et al.,
1998). La reducción del espacio poroso que se
puede producir en estos terrenos es suficiente
para impedir la elongación de las raíces
(FROEHLICH et al., 1986; SKINNER et al., 1989),
afectando al crecimiento de la siguiente rotación
y retrasando también el establecimiento de
matorral y vegetación herbácea (Figura 2), además de los efectos sobre la escorrentía y erosión
que se comentan más adelante. Es importante
destacar que la recuperación de estos suelos es
un proceso muy lento (Figura 1), debido a la
dificultad que encuentra el matorral para instalarse en el terreno compactado (RAB, 1996;
FROEHLICH et al., 1986; EDESO et al., 1999).
que permitan elaborar criterios que aseguren el
aprovechamiento sostenible de este recurso.
Además, la adecuada planificación puede ser
también una oportunidad para obtener algunos
beneficios ambientales, como es captura de C.
Según el Instituto para la Diversificación y
el Ahorro de Energía (IDEA), el norte de la
Península Ibérica, y en particularmente Galicia,
cuenta con las mayores potenciales de generación de energía a partir de biomasa forestal. Pero
sin embargo, algunas limitaciones, como son las
fuertes pendientes o las limitaciones nutricionales, hacen necesaria una planificación para asegurar el aprovechamiento sostenible de este
recurso. En esta contribución se discute algunas
medidas que pueden contribuir a este objetivo,
para lo que se muestran diferentes ejemplos de
estudios realizados en esta región.
Compactación del suelo
Los restos de corta, junto con el mantillo,
constituyen una capa muy eficaz para amortiguar el peso de la maquinaria pesada que se
emplea en el desembosque y en la preparación
del terreno para la siguiente rotación. Por consiguiente, la retirada de todos los restos de corta
deja el suelo expuesto directamente al peso de la
maquinaria. En estas condiciones los suelos,
especialmente los de textura más fina, se puede
compactar más fácilmente. Además, el impacto
de las gotas de lluvia sobre el suelo desprotegido favorece el desarrollo de costras superficiales
en el suelo (MWENDERA & REYEN, 1994).
Densidad aparente (g.cm-3)
1 .5
1 .4
1 .3
Erosión de suelos y calidad de aguas
La erosión del suelo es un aspecto de especial interés en aquellos terrenos de fuertes pendientes, donde los suelos someros pueden ser
considerados como un recurso no renovable.
La erosión afecta al propio sistema forestal, a
través de las pérdidas de espesor y de fertilidad
del suelo que repercuten sobre la productividad. Además, este proceso también afecta a los
sistemas acuáticos ligados a las cuencas forestales, reduciendo la regulación del caudal y
aumentando la turbidez y la concentración de
solutos en el agua.
a
b
a
a
a
b
a
a
ab
1 .2
1 .1
1
1993
1997
Convencional
Sin restos
2001
Sin restos+ laboreo
Figura 1. En suelos arcillosos, en condiciones de humedad, la retirada de la totalidad de la biomasa arbórea junto
con la introducción de maquinaria puede compactar el suelo de manera importante. La recuperación de la porosidad
es un proceso lento (MERINO et al., 2004)
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«Actas de la II Reunión sobre Suelos Forestales»
Figura 2. La compactación del suelo que resulta de la introducción de la maquinaria pesada y el impacto de las gotas
de lluvia limita el crecimiento de las plantaciones forestales
Aunque los sistemas forestales ofrecen la
mejor protección del suelo frente a la erosión,
en explotaciones forestales intensivas la pérdida de suelo está muy influenciada por el tipo de
tratamiento posterior a la corta. Si los restos de
corta y el mantillo permanecen sobre el terreno, la escorrentía tan sólo incrementa ligeramente y la tasa de erosión en muy baja. Por el
contrario, si se realiza una extracción importante de estos restos en laderas de pendiente
acusada, la erosión puede ser importante
(MILLER et al., 1988). De este modo, diferentes
estudios realizados en España muestran que la
eliminación total de los biomasa forestal, como
consecuencia de incendios (BENITO et al.,
1991; FERNÁNDEZ et al., 2006) o preparaciones
intensivas de terreno (OLARIETA et al., 1999;
EDESO et al., 1999; FERNÁNDEZ et al., 2004)
derivan en incrementos importantes del agua
de escorrentía y de la erosión. El efecto de la
extracción indiscriminada de biomasa sobre la
erosión es especialmente importante en los suelos arcillosos, donde la baja infiltración favorece la escorrentía (Figura 3).
80
Erosión (t.ha-1)
70
Con restos de corta
Sin restos de corta
60
Sin restos y sin mantillo
50
40
30
20
10
0
0
2
3
4
7
9
10
12
15
Meses después de la corta
Figura 3. Si después de la corta los restos permanecen sobre el terreno, la erosión se mantiene en tasas muy bajas,
incluso después de la corta a hecho. La erosión puede ser muy elevada en terrenos de fuertes pendientes donde los restos se eliminar (EDESO et al., 1999)
25
A. MERINO GARCÍA
«Extracción de biomasa en los suelos forestales, principales variables a tener en cuenta para evitar la degradación del suelo»
Evidentemente, a medida que aumentamos
la cantidad de restos que se extraen es previsible
que aumente la escorrentía y la erosión. Por consiguiente, en las zonas de elevada pendiente una
posibilidad para reducir este problema puede ser
la extracción selectiva de las ramas más gruesas.
Si los restos de corta se dejan secar antes de
extraerlos, sobre el terreno permanecen buena
parte de los ramillos y las hojas/acículas de los
árboles (Figura 4). En este tipo de aprovechamiento, además, la perturbación del mantillo por
la maquinaria es baja. Un estudio en el que se
realizó la extracción selectiva de ramas gruesas
en una zona de pendiente del 35% (BALBOA,
2005) mostró que esta práctica hizo aumentar
ligeramente la generación de escorrentía superficial (lógicamente la retirada del material redujo la captación de agua), sin que aumentara la
erosión (Figura 4).
Fertilidad del suelo
Las fracciones arbóreas más ricas en
nutrientes son las ramas finas, las hojas y, en el
caso del eucalipto, la corteza. Esto hace que, a
pesar de su menor peso con respecto a la biomasa total (en las plantaciones intensivas del norte
de España, entre 15 y 35%; BALBOA, 2005;
MONTERO et al., 2006), los restos de corta acumulan buena parte de los nutrientes que la masa
ha ido asimilando durante la rotación (FISHER &
BINKLEY, 2000). Si este material se deposita
sobre el suelo, los nutrientes liberados durante la
descomposición pueden ser utilizados por la
siguiente rotación. Su retirada, por consiguiente,
implica la extracción de una substancial cantidad de nutrientes del sistema.
De hecho, el aprovechamiento de estas plantaciones puede suponer extracciones de P, K, Ca
y Mg en cantidades comparables a las reservas
disponibles de nutrientes en los suelos. Por consiguiente, el incremento de la cantidad de nutrientes que estamos retirando del sistema en algunos
casos puede afectar al estado nutricional del sistema (FÖLSTER & KHANNA, 1997; OLSSON et al.,
2000; DAMBRINE et al., 2000; MERINO et al.,
2005). Este aspecto es especialmente importante
en el norte de España, donde las plantaciones
forestales intensivas muestran frecuentemente
deficiencias nutricionales, especialmente de P,
Mg y Ca (ROMANYÀ & VALLEJO, 1996; SÁNCHEZRODRÍGUEZ et al., 2002; MERINO et al., 2003).
El aprovechamiento intensivo del eucalipto
es una situación claramente desfavorable en este
aspecto. En las plantaciones de Eucalyptus globulus del norte de España, su aprovechamiento
convencional (madera y corteza) supone la
extracción, cada 18 años, de más del 80% de las
cantidades de elementos disponibles en el suelo
(MERINO et al., 2005). La figura 5 muestra cómo
las extracciones de Ca en estos sistemas son
superiores a las cantidades aportadas por procesos naturales (lluvia, alteración mineral). En el
caso de las plantaciones de pinos, la situación no
es tan desfavorable, aunque las cantidades extra-
Figura 4. Si la retirada de biomasa se realiza cuándo después de un tiempo, cuando el material se encuentra seco,
sobre el terreno pemanecen la mayor parte de las acículas y ramillos, que protegen al suelo de la erosión
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«Actas de la II Reunión sobre Suelos Forestales»
Con restos de corta
Sin ramas gruesas
precipitación atmosférica
180
900
160
Escorrentía (mL.m-2)
800
140
700
120
600
100
500
80
a
400
60
300
a
200
b
40
Precipitación atmosf. (L.m-2)
1000
20
100
0
0
O c t.- No v.- D ic .- E n e .- F e b .- Ab r.- J u n .- J u l.- O c t.- No v.- E n e .- Ab r.02
02
02
03
03
03
03
03
03
03
04
04
J u l.- O c t.04
04
Figura 5. En terrenos de pendiente moderada, la extracción selectiva de ramas, dejando las ramas finas y las hojas el
aumento de escorrentía es relativamente pequeño. Nótese que la escorrentía es muy baja en ambas parcelas, debido a
que en ambas se mantienen el mantillo (BALBOA, 2005)
ídas de algunos nutrientes se aproximan a las
cantidades que el sistema puede reponer a través
de procesos naturales (MERINO et al., 2005;
RODRÍGUEZ-SOALLEIRO et al., 2007).
El P merece una mención especial por varios
motivos. En los suelos ácidos y alcalinos es uno
de los elementos más limitantes para la producción vegetal puesto que las formas más disponibles de P (HPO4-2 y H2PO4-) se favorecen tan sólo
en el rango de pH de 4,8 a 6,2. Pero además, hay
que considerar la escasa capacidad que tiene el
sistema de reponer este elemento, dada las bajísimas cantidades aportadas por alteración mineral y
precipitación atmosférica. Esto hace que el principal proceso de reposición de este elemento sea
interno, a través de la descomposición de los residuos vegetales. En este sentido, la mayor parte
del P extraído por el aprovechamiento supone una
pérdida neta de este elemento.
No obstante, la limitación que supone la
extracción de nutrientes puede superarse mediante una apropiada fertilización que reponga las cantidades de nutrientes extraídas con el aprovechamiento. Esta necesidad viene recogida en los dos
sistemas de Certificación de Gestión Forestal Sostenible (PEFC y FSC). La fertilización se puede
realizar fácilmente en el caso de plantaciones
diseñadas para labores mecanizadas, es decir, las
que se encuentran en pendientes bajas o modera-
das y con calles que permitan la circulación. El
caso de plantaciones que no están diseñadas para
la mecanización la aplicación de fertilizantes es
más compleja porque en muchas ocasiones la orografía no permite utilizar maquinaria. En cualquier caso hay que señalar que la cantidad de fertilizante que se necesita para reponer los nutrientes es muy inferior a la de los cultivos agrícolas,
por lo que algunas gestores forestales optan por
maquinaria ligera de distribución de fertilizantes
minerales o la aplicación manual.
Una alternativa a los fertilizantes convencionales es el empleo de determinados residuos que
contienen bajos niveles de metales pesados o
substancias tóxicas. En las masas sobre suelos
ácidos se puede emplear las cenizas generadas
en la propia planta de biomasa, un producto muy
rico en K, Mg, Ca y P, cuyo aporte potencia el
crecimiento de las masas forestales (Figura 6,
SOLLA-GULLÓN et al., 2006; OMIL, 2007). Un
ejemplo de otro residuo que puede emplearse en
estas plantaciones son los lodos de depuradoras
de aguas residuales de la industria láctea, caracterizados por niveles de metales especialmente
bajos (OMIL et al., 2007). Los aportes de estos
materiales orgánicos no sólo contribuyen a evitar la extracción de nutrientes, sino también a
mantener el nivel de materia orgánica, tal como
se comenta más adelante.
27
A. MERINO GARCÍA
20
«Extracción de biomasa en los suelos forestales, principales variables a tener en cuenta para evitar la degradación del suelo»
Calcio(kg.ha-1.año-1)
Ramasy hojas
15
Corteza
Madera
10
5
0
Aportes
Naturales
Pino
Eucalipto
Figura 6. La extracción de nutrientes por aprovechamiento de especies de crecimiento rápido puede superar los aportes por vías naturales, como son la alteración de los minerales o los aportes atmosféricos. En el caso del eucalipto, hay
que tener también en cuenta la importante acumulación de Ca en sus órganos, especialmente la corteza (Adaptado de
MERINO et al., 2005). * Datos de DAMBRINE et al. (2000)
60
De s p ué s d e co rta , s in re s tos
50
De s p ué s d e co rta , c on re s tos
40
30
20
10
0
Ja n-97
Mar-97
Apr-97
Jun-97
Jul-97
S ep-97
De igual modo, después de la corta la amplitud térmica diaria del suelo aumenta considerablemente (mayor radiación directa sobre el terreno
durante el día y pérdida de calor durante la noche).
Sin embargo, los restos de corta amortiguan de
manera eficaz las oscilaciones térmicas, tal como
muestra la figura 8, y aumentan, cuando menos, la
supervivencia de la nueva plantación.
Nuevamente, la retirada selectiva, por ejemplo de
restos de corta, amortigua estos efectos.
Contenido en materia orgánica
Por otra parte, el conjunto de restos de corta
acumulan el 20-35% del carbono contenido en
el árbol, por lo que su aporte sobre el terreno
contribuye a mantener los niveles de materia
orgánica en el suelo. Esto es especialmente
importante porque la materia orgánica del suelo
no sólo es la reserva a corto plazo más importanTemperatura media diaria (ºC)
Humedad del suelo (%)
Humedad y temperatura del suelo
La capa de restos de corta que se generan
después de aprovechamiento, junto con el mantillo, ejerce un efecto mulching, manteniendo la
humedad del suelo y amortiguando la temperatura del suelo. Esta capa reduce las pérdidas por
evaporación, a través de dos efectos. Por un
lado, reduce el crecimiento de la vegetación
accesoria y, por consiguiente las pérdidas de
agua por transpiración. Por otra, forma una capa
superficial de elevada macroporosidad, que
tiene una baja capacidad de ascenso capilar.
Como consecuencia, los terrenos donde se practica la retirada de restos de corta tienden a contener menos humedad y el período de sequía es
más prolongado (Figura 7; PÉREZ-BATALLÓN et
al., 2001). Con todo ello, en los suelos de zonas
con limitaciones hídricas la extracción selectiva
de restos puede reducir estos efectos negativos.
Nov-97
Dec-97
25
20
15
10
Sin cortar
5
Después de corta, sin res tos
Después de corta, con restos
0
Jan-97 Jan-97 Mar-97 Apr-97 May-97 Jun-97 Jul-97 Aug-97 Sep-97 Oct-97 Dec-97
Figura 7. La capa de restos de corta forma un mulching muy efectivo para evitar la evaporación y evitar el aumento
de temperatura de las capas más superficiales del suelo. Cuando éstos se extráen el período de sequía se prolonga y
aumenta la temperatura del suelo (PÉREZ-BATALLÓN et al., 2001), con el consiguiente efecto sobre la superviviencia de
la segunda rotación
28
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«Actas de la II Reunión sobre Suelos Forestales»
3 ª Ap lic a ció n
100
Control
Cenizas + P
V (m3) x 1000
90
80
Cenizas
1 ª Aplica ció n
2 ª Ap lica ció n
70
60
50
2003
2004
2005
2006
Figura 8. Las plantaciones forestales destinadas para biomasa pueden recibir aportes de cenizas de las plantas de biomasa, que son ricos en nutrientes. Esta práctica no solo mejora el rendimiento de la masa y mejora su estado nutricional, sino
que también contribuye a la gestión ambiental de los residuos. Los datos de esta gráfica corresponden a una plantación de
Pinus radiata en la que se aplicaron repetidamente cenizas de plantas de bioenergía en dosis de 4.5 t.ha-1 (OMIL, 2007)
te de algunos nutrientes, sino también es el componente del suelo que más interviene en la reserva de agua para las plantas y en la protección del
suelo frente a la erosión.
También hay que considerar que los aumentos de temperatura en el suelo después del aprovechamiento tienden a potenciar la actividad
microbiana del suelo, aunque este efecto también depende de si existe la suficiente humedad
del suelo. Los menores aportes de residuos
vegetales, junto con la mayor actividad microbiana del suelo, hace que en los terrenos donde
se extraiga restos sea previsible una pérdida progresiva de la materia orgánica del suelo a medio
plazo. De hecho, algunos estudios han mostrado
una reducción del contenido de materia orgánica
en los suelos de las plantaciones intensivas
(TURNER & LAMBERT, 2000). La pérdida de
materia orgánica del suelo como consecuencia
de la extracción repetida de biomasa entra en
conflicto con el Protocolo de Kyoto, en el que se
considera la posibilidad de compensaciones por
la captura de carbono en los suelos.
Se puede considerar que este aspecto no sólo
afecta al contenido de materia orgánica, sino también a la diversidad de los microorganismos del
suelo, por lo que también puede afectar a determinados procesos biológicos en su seno. Entre ellos,
destaca el papel que tienen los suelos forestales
como consumidores de CH4 atmosférico (MOSIER
et al., 1991), cuyo potencial se reduce considerablemente a medida que el suelo va perdiendo
materia orgánica (STEUDLER et al., 1989).
El aporte de cenizas o de otros residuos
orgánicos “limpios” puede paliar en parte la
pérdida de materia orgánica del suelo, no sólo
por el aporte directo de C orgánico (que en el
caso de las cenizas es en forma de carbón y, por
tanto, mucho más resistente a la descomposición), sino también por sus efectos positivos
sobre la propia producción vegetal, contribuyendo de esta manera a incrementar la cantidad
de hojarasca y raíces finas (SANTALLA, Tesis en
preparación).
En relación a la captura de C, un aspecto
importante es el establecimiento de plantaciones forestales, con orientación maderera, energética o ambas, en suelos agrícolas marginales.
En estas situaciones se produce una captura de
C tanto en la biomasa como en el propio suelo,
que puede ser especialmente importante en
plantaciones a alta densidad de plantación. Esto
supone una mejora de las condiciones de estos
suelos que normalmente contienen bajos niveles de materia orgánica. En este sentido, la tasa
de ganancia se ha cifrado en torno a 0,1-0,5 tm
C.ha-1.año-1 (ROMANYÀ et al., 2000; PAUL et al.,
2002; PÉREZ-CRUZADO et al., 2007). Pero también supone una oportunidad para contribuir al
cambio climático (LISKI et al., 2002; BRAVO et
29
CH4-C (µg m-2 h-1)
A. MERINO GARCÍA
250
200
150
100
50
0
-5 0
-1 0 0
-1 5 0
«Extracción de biomasa en los suelos forestales, principales variables a tener en cuenta para evitar la degradación del suelo»
J A S O
1998
C u ltivo
N D
J F M A M J
1999
J
Bo s q u e
A S
O N D
J
F M A M J
2000
J
Figura 9. Los suelos agrícolas han perdido su potencial para absorber CH4. La repoblación forestal puede ayudar a
recuperar esta capacidad de los suelos que ayudaba a mantener el equilibrio del CH4 atmosférico. La figura muestra
los flujos de CH4 en un suelo agrícola frente a otro adyacente en el que se hace 40 años realizó una repoblación forestal (MERINO et al., 2004)
al., 2007). En este sentido, los datos recientes
muestran que los sistemas forestales de Europa
están almacenando entre 9-12% de las emisiones antropogénicas de CO2, mientras que el
almacenamiento de C en los suelos supone, de
momento, el 3% de estas emisiones (LISKI et
al., 2002). El incremento de superficie forestal
contribuye también a recuperar la capacidad de
los suelos para consumir CH4 atmosférico
(Figura 9).
Conclusiones: La necesidad de planificar las
labores silvícolas para evitar efectos
perjudiciales en los suelos
La extracción continuada de la biomasa en
los sistemas forestales puede derivar en diferentes procesos degradativos en los suelos, como
son la compactación, la erosión, la extracción
elevada de nutrientes o la pérdida de materia
orgánica. La mayor parte de estos inconvenientes se pueden evitar o reducir mediante una previa planificación que considere la selección de
terrenos adecuados para esta práctica. Además,
se hace necesario una evaluación previa de los
posibles impactos sobre los suelos y aguas que
derivaría esta práctica, junto con el análisis de
las prácticas selvícolas más apropiadas. Si estos
aspectos se tratan adecuadamente, el aprovechamiento de biomasa puede incluso constituir
una oportunidad para obtener una serie de beneficios ambientales, como es la generación de
energía renovable o la captura de C en biomasa
y en suelos.
30
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