Tema 2: Las actividades humanas y los ciclos biogeoquímicos
Competencias digitales
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BOSQUES, EL CICLO MUNDIAL DEL CARBONO Y EL CAMBIO CLIMÁTICO
Introducción
El clima de la tierra cambió en el siglo pasado y continuará cambiando significativamente en los próximos siglos venideros. A pesar de las variaciones relativamente modestas que se han producido hasta la fecha de +0,6 _ 0,2ºC en la temperatura media mundial, los efectos ecológicos y las perturbaciones a la infraestructura humana son ya evidentes. Se prevé que los cambios en los próximos 50 a 100 años serán mayores y se producirán más deprisa de lo que se había pensado anteriormente (Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático _IPCC_, 1990; 2001). Además es más seguro que se producirán. Sin un objetivo de mitigación, los cambios en la temperatura media mundial en los próximos 100 años alcanzarán, o incluso superarán, las predicciones del IPCC, 2001, de +1,4 a 5,8 ºC más que las temperaturas registradas en el decenio de los noventa (Reilly et al., 2001), en el que ya se superaron las temperaturas máximas (Organización Metereológica Mundial _OMM_, 2002).
El cambio no se ha distribuido, ni se distribuirá, por igual en el planeta. Los cambios climáticos son mayores en las latitudes de medias a altas y en las masas continentales, en las que viven grandes poblaciones que dependen de los servicios del ecosistema para su sustento. Los cambios previstos no serán simples aumentos lineales de temperatura u otras variables climáticas, en el futuro deben esperarse cambios bruscos e inherentemente impredecibles (sorpresas) similares a los que se han presenciado en el registro geológico. En el siglo XXI, se intensificarán los efectos ya registrados en el siglo XX, afectando profundamente a los ecosistemas naturales y a los servicios de los cuales depende la sociedad.
Es posible afirmar que el cambio climático es el problema ambiental más importante del siglo XXI. Tendrá repercusiones muy importantes en relación con las estrategias de ordenación de recursos. ¿Son los bosques y la silvicultura parte del problema o parte de la solución (Apps y Kurz, 1991)? En el presente documento se examina la contribución de los ecosistemas forestales y su ordenación al ciclo mundial del carbono.
Cambio climático y el ciclo mundial del carbono
En 2001, el IPCC llegó a la conclusión de que la mayor parte del calentamiento observado en la última mitad del siglo XX se debe a actividades humanas que han aumentado las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Advirtió además de que estos cambios continuarán dando lugar a rápidos cambios climáticos en los próximos siglos (IPCC, 2001). Entre los gases de efecto invernadero, el más importante es el CO2, cuyas concentraciones atmosféricas se han alterado gravemente a consecuencia de las perturbaciones causadas por el hombre al ciclo mundial del carbono.
Durante al menos los 420 000 años anteriores al siglo XX, la concentración atmosférica de CO2 varió sólo entre ~80 ppmv (partes por millón en volumen) (en las glaciaciones, cuando la temperatura era de 8 a 9 ºC mas fría que la de hoy) y ~180 ppmv (en los períodos interglaciares, en los que la temperatura era similar a los valores actuales). Este margen de variación del CO2 atmosférico es muy reducido, dado que su concentración está determinada por un ciclo biogeoquímico muy dinámico. Ello indica que el ciclo mundial del carbono estaba controlado por eficaces procesos de reacción biológicos que mantenían un balance equilibrado entre la absorción fotosintética neta de CO2 por la biosfera y su respiración total (el equilibrio entre la emisión neta y el sumidero de la biosfera se mantuvo próximo a cero durante al menos los últimos 420 000 años).
Existen datos convincentes de que la biosfera ha desempeñado una importante función en la regulación del clima de la tierra. En particular, los últimos datos muestran que, aunque ha habido períodos en los que la temperatura de la tierra cambió bruscamente sin que fuera acompañado de variaciones apreciables en las concentraciones atmosféricas de CO2 , lo contrario no aparece en los registros glaciares e interglaciares (Smith et al. 1999). El calentamiento de las condiciones glaciares a las interglaciares fue relativamente rápido, mientras que la fase de enfriamiento que dio lugar a la glaciación fue rápida al inicio (posiblemente sugiriendo una perturbación provocada por un suceso externo) pero gradual con el tiempo (lo que indica fuertes reacciones que actúan contrarrestando el cambio). Estos patrones indican una asimetría a largo plazo en las tasas mundiales de absorción y liberación de CO2 por la biosfera (Falkowski et al. 2000). Los ecosistemas terrestres y oceánicos actúan como amortiguadores que mantienen la temperatura mundial a un nivel habitable. Si se compara con el registro a largo plazo, actualmente la concentración atmosférica de CO2 es de ~370 ppmv (casi un 35 por ciento más elevada que en cualquier momento de los 420 000 años anteriores) como resultado de las perturbaciones causadas por el hombre al ciclo mundial del carbono. La concentración está también aumentando en una tasa que es al menos 10, y quizás hasta 100 veces, más rápida, de lo que se había observado anteriormente (Falkowski et al., 2000). Obviamente, la regulación de la biosfera del ciclo mundial del carbono (y, por tanto, del sistema climático) ha cambiado. Aunque no es muy complicado cuantificar las aportaciones directas antropógenas de CO2 a la atmósfera, una explicación cuantitativa del aumento de las tasas en la atmósfera ha supuesto un gran desafío, precisamente debido a las fuertes reacciones ejercidas por los ecosistemas terrestres y oceánicos ante los cambios. Es necesario conocer la reacción de la biosfera (la respuesta de la biota mundial a las perturbaciones) para calcular la magnitud de los efectos futuros y elaborar medidas de mitigación adecuadas.
Perturbaciones causadas por el hombre al ciclo mundial del carbono
Las perturbaciones causadas por el hombre al ciclo del carbono han sido directas e indirectas. Efectos directos claros son la adición de nuevo carbono al ciclo mundial del carbono activo2 mediante la quema de combustibles fósiles y la modificación de la estructura y distribución de la vegetación por medio del cambio en la utilización de la tierra. La deforestación, es decir, la eliminación de la vegetación forestal y su sustitución por otra cubierta superficial, producida por el cambio en la utilización de la tierra es la que produce mayores efectos en el ciclo del carbono, mediante la pérdida de capacidad fotosintética en la vegetación forestal y la liberación simultánea de grandes cantidades de carbono acumuladas en los ecosistemas forestales durante largos períodos de tiempo. Los efectos indirectos causados por el hombre en el ciclo del carbono también producen cambios en otros ciclos mundiales biogeoquímicos importantes, alteran la composición atmosférica por medio de la adición de contaminantes, así como de CO2 , y cambios en la biodiversidad de paisajes y especies.
Actualmente, aproximadamente las tres cuartas partes de las perturbaciones directas causadas por el hombre al ciclo mundial de carbono se deben a la quema de combustible fósil, cuyas emisiones superan actualmente 6 Gt C/año (gigatones de carbono por año) y siguen aumentando. Para establecer una perspectiva, dicha emisión equivale a la incineración total de la mitad de los árboles del Canadá, sin residuos, carbón vegetal u hollín. Cada año. No obstante, desde mediados del siglo XIX, la adición acumulativa de CO2 antropogénico a la atmosfera por el cambio en la utilización de la tierra ha sido casi tan elevada (~156 Gt C) a la ocasionada por el uso de combustible fósil (~280 Gt C/ año ) y continua siendo una importante emisión antropógena (~2,2 Gt C/ año) (Hougthon, 2003).
De los 7,6 _ 0,8 Gt C/ año de CO2 añadidos a la atmósfera a consecuencia de actividades humanas en el período comprendido entre 1980 y 1995, sólo el 3,2 _ 1,0 Gt C/ año permanece en la misma, mientras que el resto lo han absorbido casi por igual los ecosistemas oceánicos y terrestres (Hougthon, 2000)3. De este modo, la biosfera de la tierra elimina de manera activa parte del nuevo carbono que la actividad humanas han añadido. Los ecosistemas terrestres en particular, asimilaron (absorbieron y retuvieron) el 2,3 ± 0,9 Gt C/ año, incluso después representan la pérdida del 2,0 – 2,2 Gt C/ año de la deforestación (Hougthon, 2003).
Entender los mecanismos responsables de la absorción biosférica neta actual es fundamental en la búsqueda de estrategias de mitigación (actividades que ralentizan o invierten el aumento de CO2 atmosférico). ¿Continuarán contrarrestando esos mecanismos las emisiones directas antropógenas? o ¿disminuirán su eficacia, o incluso desaparecerá por completo, en la medida en que el ciclo del carbono-sistema climático se dirija hacia un nuevo funcionamiento (Falkowski et al., 2000), como indican de forma alarmante varios modelos nuevos de simulación oceánicos y terrestres (Betts et al., 1997; Sarmiento et al., 1998; Cox et al., 2000)? Resulta obvio que la respuesta a estas preguntas es de gran importancia para la sociedad.
La anatomía de las fuentes y los sumideros en la escala de rodales y paisajes
Un ecosistema forestal actúa como “sumidero” (eliminación neta de CO2 atmosférico) cuando hay un aumento de la suma de las existencias totales de carbono retenidas en la misma vegetación forestal y las existencias derivadas de carbono orgánico en otros reservorios. Lo más importante de esos reservorios derivados son los detritos y las reservas de materia orgánica del suelo del ecosistema forestal.
En la Figura 3 se muestran las reservas y las transferencias conceptuales de carbono que participan en los ecosistemas forestales y en el sector forestal. Además de los subtramos del ecosistema (vegetación, detritus y reservas del suelo) y las reservas exportadas que se localizan fuera del emplazamiento (incluidos los productos forestales y los desechos creados en la fabricación y abandonados en los vertederos), se muestra también la utilización de reservas de combustible fósil en el sector forestal.
El balance neto de carbono de un ecosistema forestal (NEP) puede calcularse sumando todos los cambios en las existencias de carbono del ecosistema (método del “inventario”) o midiendo directamente el intercambio neto de CO2 con la atmósfera (por ejemplo, técnicas de correlación por turbulencias). Siempre que se representen todas las reservas y flujos, los dos enfoques deben dar respuestas idénticas (conservación de masa). En la práctica, se utiliza una combinación de ambos.
El balance neto del carbono de un rodal de árboles determinado (parcela de terreno) varía según las condiciones existentes (que influyen en las tasas de absorción y liberación de CO2), pero también depende en gran medida de la fase de desarrollo del rodal y su historial. En la escala de paisajes (o bioma), un bosque es un mosaico de muchos rodales de árboles (ecosistemas individuales) en diferentes fases de desarrollo. El balance neto de carbono en esa escala es la suma total de todos esos ecosistemas en el paisaje.
Por tanto, el cambio en la acumulación neta de carbono en la escala paisajística tiene dos componentes, que son: cambios en la productividad de los distintos ecosistemas con variaciones del medio ambiente y los cambios en la distribución de clases según la edad asociadas a la variación de paisaje a consecuencia de la mortalidad y repoblación. La distribución de clases según la edad es un histograma de la fracción del bosque en cada clase según la edad (normalmente 10 ó 20 años), y constituye un registro de los casos anteriores de mortalidad y repoblación.
Las emisiones y sumideros paisajísticos del carbono atmosférico pueden ser el resultado de cambios en la productividad del ecosistema o de cambios en el régimen de alteración. En caso de que las tasas de alteración aumentaran, la distribución de la clase según la edad se desplazaría a la izquierda (rodales jóvenes) y el carbono total retenido en los ecosistemas del paisaje disminuiría (el paisaje es una fuente transitoria neta de CO2 a la atmósfera hasta que se alcanza una nueva distribución estable de clases según la edad). (Si el carbono se transporta fuera del paisaje del ecosistema para que se descomponga en reservorios fuera del emplazamiento, por ejemplo, productos forestales, la fuente paisajística se reduce en dicha cantidad (en lo esencial dicho componente de la fuente se exporta). Igualmente, si se suprimieran las alteraciones, el cambio de las distribuciones se desplazaría a la derecha (rodales de bosques seculares) y las existencias de carbono aumentarían con una eliminación neta transitoria de CO2 de la atmósfera.
El sumidero de carbono de la tierra existente y su probable futuro
Hasta hace poco, el sumidero neto de carbono de la tierra necesario para equilibrar el balance alterado del carbono mundial (Figura 2), se explicaba principalmente por un aumento de las tasas de absorción de los bosques (mayor PPB) asociado con un CO2 atmosférico elevado, un aumento de las aportaciones de nutrientes a consecuencia de la contaminación y una respuesta positiva a los aumentos mundiales de la temperatura. No obstante, se sabe ahora que los cambios en las prácticas del uso de la tierra, son los responsables de algunos de los sumideros de la tierra actuales.
Mientras que los mecanismos fisiológicos dirigidos por variaciones en el clima pueden explicar algunos de los cambios a corto plazo (de estacionales a interanuales) en la absorción de C en el ecosistema forestal (PPB), las tendencias en la absorción y retención netas a largo plazo (PPB-R) son menos seguras (Canadell et al., 2000, Steffen y Tyson 2001). La distribución del carbono absorbido por los ecosistemas forestales y la respiración por parte de esas reservas aumentadas de carbono, podría incrementarse también en respuesta a los mismos estímulos ambientales. Además, cada uno de los mecanismos de estimulación tiene factores limitativos que a la larga pueden dar lugar a una disminución de su importancia con el tiempo (Canadell et al., 2000). Por último, existe la preocupación de que los cambios en el régimen de alteración (tasa, intensidad y forma) aumentarán considerablemente con el cambio climático. Se ha demostrado que los efectos de los cambios en el régimen de alteración en los últimos decenios en los bosques del Canadá, son los responsables de que esos bosques hayan pasado de ser un sumidero importante a constituir una pequeña fuente de CO atmosférico (Kurz y Apps. 1999).
Posibilidades de mitigación
La ordenación de la tierra, especialmente la silvicultura y la ordenación de los montes, puede contribuir a los objetivos de mitigación, bien apoyando ecosistemas sanos y, de ese modo ayudar a su mantenimiento, en caso de que no aumente el sumidero natural de carbono de la tierra, bien reduciendo las emisiones antropógenas de CO2 de esos bosques (Figura 2). Estas dos posibilidades son complementarias y se describirán brevemente en términos generales.
Ordenación forestal para aumentar o mantener el ecosistema terrestre del carbono
Las diversas actividades de ordenación del ecosistema forestal propuestas (Binkley et al., 1998; Kauppi et al., 2001) pueden agruparse en tres enfoques generales, que son: estrategias que tienen por objeto mantener y conservar los bosques existentes; las que se dirigen a aumentar las áreas de tierra forestal y las que intentan aumentar la densidad de las existencias de carbono en las tierras boscosas (C/ha).
Gestión de servicios resultantes de los bosques en relación con los beneficios del carbono
Los productos extraídos de la ordenación de ecosistemas forestales desempeñan múltiples funciones en el ciclo mundial del carbono: actúan como reservorios de cabono manejables fuera del emplazamiento; pueden quemarse para proporcionar fuentes renovables de energía y sustituyen materiales competitivos que dejan una gran huella de CO2 atmosférico.
Productos forestales como reservas manejables de carbono
El comercio de productos forestales tiene como resultado un desplazamiento espacial del componente fuente (en el sitio de descomposición del producto) relativo a un componente comparable del sumidero (en el ecosistema forestal). El carbono contenido en los productos forestales hace una pequeña y manejable aportación al balance mundial del carbono.
A nivel mundial, el efecto neto sobre la concentración atmosférica es insignificante, a no ser que el índice de descomposición en las reservas de productos geográficamente desplazados sea diferente del que se da en el ecosistema forestal del que se había eliminado. No obstante, un control esas tasas mediante una ordenación adecuada puede dar lugar a cierto grado de mitigación de los aumentos del CO2 atmosférico.
Utilización de biomas forestal para bioenergía
Los materiales orgánicos que se obtienen de los bosques pueden reducir también las emisiones de origen antropógeno de dos formas importantes: mediante el suministro directo de servicios energéticos (bioenergía) y por medio del suministro de productos y servicios esenciales que de otro modo causarían emisiones de CO2 de combustible fósil. (En la Figura 3 se muestra esta función de reducción de la emisión como control de las emisiones de combustible fósil).
La tendencia a aumentar la sustitución de productos tradicionales madereros de construcción por cemento, metales como el acero y el aluminio y plásticos tiene efectos negativos sobre el ciclo mundial del carbono, ya que aumenta la combustión del combustible fósil para su producción. Por ejemplo, las emisiones de CO2 asociadas con las torres para líneas de transporte de energía eléctrica se estiman en 10 t C/km cuando se fabrican de acero tubular y ~4,3 t C/km de hormigón, frente al ~1 t C/km estimado para postes de madera en rollo (Richter, 1998). Similares proporciones se hallan en relación con otros materiales como el aluminio y el PVC, que requieren gastos de energía en su producción (Richter, 1998), pero los cuales están sustituyendo cada vez más los productos madereros tradicionales.
Conclusiones: El sector forestal mundial y el ciclo mundial del carbono
En los últimos 420 000 años o más, el balance mundial del carbono ha sido notablemente estable, con pequeñas modificaciones (más o menos del 20 por ciento) en el balance neto, expresado por las existencias de carbono atmosférico, acompañadas de fluctuaciones relativamente pequeñas (más o menos de 5ºC) de la temperatura media mundial. Sin embargo, en el siglo XIX, se asistió al inicio de un cambio dramático en este balance que ya hoy en día ha experimentado un aumento del 68 por ciento del CO2 en relación con la media de los 420 000 años anteriores, un aumento cuyas tasas siguen creciendo aún. Este cambio se ha producido por perturbaciones causadas por el hombre al ciclo mundial del carbono. Estas perturbaciones han sido directas, mediante la introducción de nuevo carbono al ciclo activo a través de la utilización de combustible fósil y el cambio en la utilización de la tierra, e indirectas, que afectan a la parte bioesférica del ciclo del carbono activo a través de otros cambios en el medio ambiente y de perturbaciones a otros ciclos mundiales biogeoquímicos. La respuesta observada del sistema climático mundial a este cambio en los últimos 100 años, expresada en términos de temperatura media mundial, es modesta ( más de 0,6ºC) pero ya se detectan sus efectos.
Los cambios previstos en el clima en los próximos 100 años son más probables y se prevé que serán mayores, y que se producirán más deprisa, que los estimados anteriormente (como mucho +6ºC o más para 2100). Aunque los ecosistemas terrestres (y oceánicos) dan cabida actualmente a un ~60 por ciento de las aportaciones directas antropógenas de CO2 a la atmósfera, no es probable que los mecanismos fisiológicos, si bien son responsables de este aumento de la absorción, funcionen de manera eficaz en el futuro. Por tanto, a falta de fines de mitigación, el sumidero de CO2 de la tierra disminuirá probablemente y podría incluso convertirse en fuente en el próximo siglo (Cox et al., 2000), dando lugar a cambios climáticos aún mayores.
El desarrollo sostenible de la silvicultura desempeña una función fundamental para invertir esas tendencias. Esta función no se limita al mantenimiento o potenciación de las existencias de carbono en los ecosistemas forestales, sino que puede incluir una disminución de las emisiones de combustible fósil. La utilización sostenible de productos forestales (con inclusión de la bioenergía para desplazar la utilización de combustibles fósiles y evitar el uso de materiales alternativos con un mayor contenido energético) puede contribuir en gran medida a mitigar el cambio climático a largo plazo, ya que evita la introducción de nuevo carbono en el ciclo activo del carbono, al tiempo que suministra bienes y servicios a la sociedad.
La utilización sostenible de los bosques puede proporcionar una situación que beneficia a todas las partes: mantenimiento de las existencias de carbono en ecosistemas forestales sanos, cuyo costo podría compensarse mediante la producción continua de productos forestales, que por sí mismos ayudan a evitar las aportaciones directas de nuevo carbono a la atmósfera. Una buena ordenación forestal es parte de la solución.