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Más allá de los modelos de crecimiento: Modelos ecológicos híbridos en el contexto del manejo forestal sostenible
Juan A. Blanco
University of British Columbia
3a Reunión del Grupo de Modelización Forestal SECF. Lugo, Mayo 2011
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1
2
• Modelos en manejo forestal
• Modelos híbridos
En un vistazo…1 2 3 4 5
3
4
• Un ejemplo: el modelo FORECAST
• Aplicaciones de FORECAST
• El futuro de los modelos forestales5
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Ventajas:• Elevado nivel de poder predictivo� evita riesgos en la
planificación
• Basados en medidas fáciles de tomar
• Tablas de crecimiento y producción -> Población
• Modelos estadísticos
Modelos basados 2 3 4 51
en experiencia
• Basados en medidas fáciles de tomar
• Son capaces de resumir y reproducir largas series de datos de
campo
Requerimientos:• Extensas bases de datos de parcelas de campo de larga duración
• Las parcelas de campo deben cubrir un amplio rango de
regímenes de manejo y productividades de rodal
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Las condiciones de crecimiento futuras son suficientementesimilares a aquellas que existieros durante el desarrollo de los rodales en los cuales se basa el modelo
n
Fin de turno
¿Será el futuro similar al pasado? Probablemente no:- Cambios en el clima- Cambios en los sistemas de manejo- Cambios en los sistemas ecológicos
2 3 4 51Modelos basadosen experiencia
etc…
producción
tiempo
Pasado Presente
Fin de turno
Similares condiciones de crecimiento
Mejores condiciones de crecimiento
Peores condiciones de crecimiento
¿Futuro?Volumen, biomasa,etc…
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• Muy flexibles (permiten la proyección del crecimiento bajo
Puntos fuertes:
• Los procesos biológicos descritos como mecanismos matemáticos
• Desarrollados como herramientas de investigación-> Indivíduo / Población / Comunidad
2 3 4 51Modelos de procesos
• Muy flexibles (permiten la proyección del crecimiento bajocondiciones cambiantes)
• Mejoran el entendimiento del ecosistema• Guían la investigación
• Incompleto entendimiento de los mecanismos de crecimiento• Algunos parámetros son difíciles de determinar• Los ecosistemas tienen propiedades emergentes
(la suma de las partes no es siempre igual al conjunto)
Debilidades:
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Niveles de organizaciónbiológica
Niveles de integraciónbiológica
Ecosistema Entendimiento + Predicción Ecosistema
Comunidad Entendimiento
Población Entendimiento
Los bosques son 2 3 4 51
sistemas complejos
Indivíduo Entendimiento + Predicción Indivíduo
Sistemas Entendimiento
Organos Entendimiento
Tejidos Entendimiento
Célula Entendimiento + Predicción Célula
Orgánulos, etc. Entendimiento
Rowe (1961) Ecology
42:420–427
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Cualquier modelo científico tiene que ser:
“ tan simples como sea posible,
Guillermo de Occam (s. XIII)
“ tan simples como sea posible,
2 3 4 51
pero tan complejos
como sea necesario”
pero no más simples”
Los bosques sonsistemas complejos
La complejidad de los problemas del manejo forestalsostenible requiere el uso de modelos a nivel de
ECOSISTEMA
Albert Einstein (s. XX)
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• Debe ser flexible para permitir la simulación de condicionesambientales cambiantes
• Debe proyectar múltiples indicadores de manejo forestal sostenible(madera y otros valores: carbono, hábitat, biodiversidad, agua…)
• Debe proporcionar un equilibrio entre credibilidad y entendimiento
• Ecosistema: árboles, suelo, sotobosque, etc.
Requerimientos:
El modelo ideal 3 4 51 2
• Ecosistema: árboles, suelo, sotobosque, etc.
Realidad:
• Ningún modelo en particular puede hacerlo todo
• El manejo ecosistémico requiere una variedad de modelos que seanadecuados para situaciones específicas (empíricos + de procesos)
• Modelos híbridos: una opción que está ganando popularidad
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Simulación basada a la vez en la experencia y el conocimiento
Datos históricos de crecimiento del bosque
Conocimeintode procesos de crecimiento
Condicionesfuturas
previsibles
Modelos híbridos 3 4 51 2
Crecimiento futuro del bosque
¿Volverán a repetirse las pautashistóricas de crecimiento?
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Kimmins et al. (2010)
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• Modelo a nivel de ecosistema (árboles + sotobosque + suelo) y orientado al manejo forestal sostenible
• Calibración específica para un rodal, una combinación de especies y unas condiciones iniciales del ecosistema
• Modelo híbrido datos históricos + simulación de procesos
Un ejemplo: FORECAST2 4 51 3
• Estructura modular diseñada para permitir diferentes grados de complejidad en una simulación
• (luz / nutrientes / humedad / sotobosque)
• El principal objetivo es la proyección del desarrollo del rodal en el futuro y la determinación de indicadores biofísicos de sostenibilidad bajo diferentes estrategias de manejo forestal
Kimmins et al. (1999) Ecological Modelling 122: 195-224
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• Preparación del sito
• Plantación / Regeneración
• Control de malashierbas
• Control de densidad
• Alternacia de especies
• Mezcla de especies
• Duración del turno
• Calidad y tamaño de plántulas
• Quemas controladas /
Eventos simulados2 4 51 3
• Control de densidad
• Poda
• Cortas intermedias
• Corta final
• Nivel de utilización
• Fertilización
• Uso de árbolesnodriza
• Quemas controladas / espontáneas
• Defoliación por insectos
• Hábitats para fauna
• Reciclaje de resíduosorgánicos
• Cortas parciales / reservas
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PRODUCCIÓN
EFICIENCIAFOTOSINTETICA
CONTENIDO DE NITRÓGENO FOLIAR
Principales procesosecosistémicos
representados en FORECAST
1. Crecimiento y distribución de carbono
AGUA
Máxima biomasa potencial de follaje determinada por la humedad
2. Limitación por luz
LUZ DISPONIBLE
2 4 51 3
PRODUCCIÓNPRIMARIANETA
DISTRIBUCIÓNDE LA BIOMASA
RAICES TRONCOS HOJAS
NUTRIENTESDISPONIBLES
3. Limitación por nutrientes DISPONIBLE
4. Limitación porhumedad
5. Competición porrecursos
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5. Descomposición
HOJARASCA
HUMUS
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………………… Contienen datos que describen cómo los arboles / plantas han crecido en el pasado, decomposición de hojarasca , etc. para un rango de calidades de sitio
Ficheros de entrada
……………... Derivan información sobre las tasas de procesos claves
Módulo de inicio
Verificaciónde resultados
Flujo de información2 4 51 3
……………... Definen los atributos de crecimiento de cada especie y calidad de sitio y los procesos ecosistémicos
Reglas de simulación
.………………... Proyecta las condiciones futuras del ecosistema
Módulo de simulación del ecosistema
Resultado de la simulación
Definición del manejo
Condicionesinciales
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Condiciones inicialesdel ecosistema
Actividades de manejo
Interfaz de usuario2 4 51 3
Ficheros de calibración
Módulo de inicio Generador de gráficos
Generador de tablas
Módulo de simulacióndel ecosistema
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Validación
Tras la validacion lasconclusiones de unasimulación pueden ser transferidas al manejo
forestal
Bosque templadoBlanco et al. (2007) Canadian Journal of
Forest Research
Plantación de abeto Douglas (Isla de Vancouver, Canadá)
DBH (cm)
Alturadominante(m)
DatoModelo
2 4 51 3
Forest Research
37: 1808-1820
Bosque semitropicalWei et al (2011)
Ecosystems en prensa
Bosque borealSeely et al. (2008)Forestry Chronicle
84:181-193
Edad del rodalBiomasaaérea(Mg / ha)
Altura
Volumen(m
3/ ha)
Bosque tropicalBlanco and Gonzalez (2010) Journal of
Tropical Forest
Science 22:139-154
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• Plantaciones de pino caribeño in Pinar del Río (Cuba)
• En Cuba hay una carencia de energía y productos químicos,
• ¿se pueden utilizar las plantaciones forestales para
reducirla?
• ¿Cuáles son las consecuencias ecológicas?
2 3 51 4Productos alternativosen plantaciones cubanas
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Cierre de las copas
Aperturas de claros
Productos alternativosen plantaciones cubanas
2 3 51 4
Biomasa arbórea Biomasa del sotobosque
Indice de calidad inicial del sitio: 24 m a los 25 años
Sin manejo
MOS estableC en el ecosistema estable
C almacenado Materia orgánica del suelo
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FertilizaciónClaras Corta
Productos alternativosen plantaciones cubanas
2 3 51 4
Biomasa arbórea Biomasa del sotobosque
Indice de calidad inicial del sitio: 24 m a los 25 años
Sin manejo
Madera
Preparacióndel sitio
C almacenado Materia orgánica del suelo
Año de la simulación Juan A. Blanco - Lugo 2011 - 18 / 29
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Productos alternativosen plantaciones cubanas
2 3 51 4
Biomasa arboreaBiomasa arbórea Biomasa del sotobosque
Indice de calidad inicial del sitio: 24 m a los 25 años
Sin manejo
Madera
Pulpa
La calidad del sitio empeora
Reducción del C en el ecosistema
C almacenado Materia orgánica del suelo
Año de la simulación Juan A. Blanco - Lugo 2011 - 19 / 29
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Biomasa
Understory expands
Productos alternativosen plantaciones cubanas
2 3 51 4
Biomasa arboreaBiomasa arbórea Biomasa del sotobosque
Indice de calidad inicial del sitio: 24 m a los 25 años
Sin manejo
Madera
Pulpa
Biomasa
C almacenado Materia orgánica del suelo
Año de la simulación
La calidad del sitio empeora
Reducción del C en el ecosistema
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En China, las plantaciones forestales se manejanpara producir muchos productos diferentes(madera, resina, hongos, hojarasca, leña, etc.)
• La quema de los restos de corta y recogida de hojarasa son prácticas comunes que eliminan la
Fallo de plantaciones 2 3 51 4
EL PROBLEMA
de abeto en China
hojarasa son prácticas comunes que eliminan la materia orgánica del suelo del bosque y dejan sólo el suelo mineral
En estas condiciones, en unos pocosturnos las plantaciones suelen fallary sólo prosperan arbustos
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Bi et al. (2007) Canadian Journal of
Forest Research 37, 1808-1820
2 3 51 4
OBSERVACIONES
HIPOTESIS
Fallo de plantacionesde abeto en China
abeto
Biomasaaérea(Mg ha-1)
Años Juan A. Blanco - Lugo 2011 - 22 / 29
abetosotobosque
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RECUPERACIÓN - paso final en las operaciones mineras- el objetivo final es conseguir un bosque con plenacapacidad productiva
PROBLEMA - insuficiente conocimiento para conseguir una programade recuperación exitoso
Recuperación del bosqueen minas en Canadá
2 3 51 4
Paso 1: reconstrucción del terreno
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Paso 1: reconstrucción del terreno� nueva topografía
Paso 3: Revegetación� selección de especies� Plantación / siembra� Fertilización
Paso 2: colocación del nuevo suelo� turba + suelo mineral� Selección del grosor del
suelo
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150 kg N ha-150 cm
100 cm
FORECAST está siendo utilizado para determinar el grosor óptimodel suelo y el mejor programa de fertilización
Recuperación del bosqueen Alberta Oil Sands
2 3 51 4
aérea(Mg ha-1)
Sin fertilizar
20 cm
Edad de la plantación
Biomasaaérea
Grosor de la capa de turba
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Otras aplicaciones
Alelopatía en bosques templados• Blanco (2007) Ecological Modelling, 209: 65-77.
Búsqueda del nivel adecuado de complejidad en modelos forestales• Kimmins et al. (2008) Forest Ecology and Management, 256: 1646-1658.
Simulación de regeneración en bosques boreales• Blanco et al. (2009)The Forestry Chronicle, 85: 427-439.
Uso de la materia orgánica del suelo como un indicador de sostenibilidad• Seely et al. (2010) Ecological Indicators, 10: 999-1008.
2 31 54
• Seely et al. (2010) Ecological Indicators, 10: 999-1008.
Impacto a largo plazo de la introducción de árboles resistentes a plagas• Schwab et al. (2011) Forest Policy and Economics, 13: 61-68.
Efectos ecológicos a largo plazo del manejo intensivo para biomasa• Blanco y González (2010) Forest Systems, 19: 249-262• Blanco (2011) Ecosystems, en revisión
Contaminación atmosférica y plantaciones de abeto en China• Blanco et al. (2011) Environmental Pollution, en revisión• Jiang et al. (2011) Ecological Modelling, en revisión• Wei et al. (2011) Ecosystems, en prensa.
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El futuro de los modelos 2 3 41 5
• Ningún modelo en particular puede hacerlo todo
• Distintos modelos simulan cambios a distintas escalas
• Distintos problemas necesitan distintos grados de complejidad en los procesos simulados
Modelos Modulares
Meta-modelos
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POSSIBLE FOREST
FUTURES: Modeloa nivel de cuencahidrográfica
FORECASTModelo ecosistémico no espacial modular a
nivel de rodal
CALP-Forester:
Modelo visualización 3D
Modelos Modulares2 3 41 5
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FORCEE
Modelo de árbolindividual en rodales complejos
Árboles
EcotonoClaro
0 100 200 300 4000
100
200
300
400
m
m
Celdillas 10m x 10m
LLEMS: Modelo a nivel de paisaje
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SIMULACION
SIMULTANEA
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ProyecciónProyección InterpretaciónInterpretaciónModeloModelo de de cortascortas a a nivelnivel de de bosquebosque
(ATLAS)(ATLAS)ModeloModelo de de disponibilidaddisponibilidad de de hábitathábitat
((SimForSimFor))
PolígonosPolígonos
PixelsPixels
2 3 41 5Meta - Modelos
ModeloModelo de de rodalrodal(FORECAST)(FORECAST)
ModelosModelos de de visualizaciónvisualización
PolígonosPolígonos
Merchantable VolumeVolumen
Ecosystem C C ecosistémicoStorage
Snags (>25cm Arboles muertosdbh)
Early Seral Shrub Cobertura de sotobosuqe
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SVSSVS
ENVISIONENVISIONSIMULACION
SECUENCIAL
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Agradecimientos Para saber más sobre modeloshíbridos en Manejo Forestal
Sostenible:Hamish KimminsBrad SeelyClive WelhamAdam WeiOlaf SchawbUniversity of British Columbia, Canadá
Eduardo González
Kimmins et al. (2010) Earthscan Ltd. London, UK.
ISBN: 978-1-84407-922-3
http://www.forestry.ubc.ca/ecomodels
Universidad de Pinar del Río, Cuba
Hong JiangZhejiang Agriculture and Forestry University, China
Juan A. [email protected]
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