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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES

PROYECTO FIN DE CARRERA

MODELIZACIÓN DEL CICLO DE CARBONO EN UNA MASA DE PICEA ABIES (L.) KARST EN ACHENKIRCH (AUSTRIA) MEDIANTE STELLA 10.0.

Autor: CARLOS PLAZA CABEZAS Director: Dr. AGUSTÍN RUBIO SÁNCHEZ JUNIO 2013


UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES

PROYECTO FIN DE CARRERA MODELIZACIÓN DEL CICLO DE CARBONO EN UNA MASA DE PICEA ABIES (L.) KARST EN ACHENKIRCH (AUSTRIA) MEDIANTE STELLA 10.0.

Autor

Fdo.: Carlos Plaza Cabezas

Director

Fdo.: Dr. Agustín Rubio Sánchez

JUNIO 2013

© UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID, 2013. Todos los derechos reservados.


UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES

Titulo del P.F.C.: Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) Karst en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0. Autor: Carlos Plaza Cabezas Director: Dr. Agustín Rubio Sánchez Tribunal: PRESIDENTE

Fdo.:

CALIFICACIÓN: FECHA: OBSERVACIONES:

VOCAL

Fdo.:

SECRETARIO

Fdo.:


Titulo: Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) Karst en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0. Autor: Carlos Plaza Cabezas Director: Agustín Rubio Sánchez Departamento: Silvopascicultura

RESUMEN Los gases de efecto invernadero, y entre ellos el CO2, tienen un papel muy importante en el fenómeno del cambio climático. Las políticas medioambientales actualmente están realizando grandes esfuerzos por evitar y reducir las emisiones de los gases de efecto invernadero, así como intentar fijar la mayor cantidad posible de estos gases. Aquí es donde entran en juego las áreas forestales, que bajo una gestión adecuada se comportan como sumideros de carbono. Desde hace tiempo se han elaborado modelos para entender y cuantificar los procesos que tienen lugar en el ecosistema terrestre, dando lugar a un flujo de carbono de la atmósfera al ecosistema terrestre y viceversa. En este proyecto fin de carrera se ha diseñado un modelo del ciclo de carbono en suelo forestal en una zona de los Alpes Austriacos (Achenkirch), mediante el software de modelización STELLA 10.0. Para el desarrollo del modelo, se ha realizado un exhaustivo trabajo de documentación y también se han tomado ideas y fragmentos de otros modelos ya existentes. Una vez terminado el modelo realizado mediante STELLA 10.0. se han planteado 5 escenarios con otro software de modelización forestal, el CO2FIX 3.2. . El primero de de los escenarios se ha utilizado para realizar una comparación con el modelo desarrollado mediante STELLA 10.0., con el fin de valorar la calidad del modelo nuevo y la funcionalidad del software para la modelización del ciclo de carbono. Los otros cuatro escenarios planteados han servido para realizar una reflexión sobre el efecto de la mortalidad y el turno de corta, con fin energético (40 años), en el rendimiento en generación de biomasa en el menor tiempo posible y el comportamiento de la masa como fuente o sumidero de CO2. El modelo desarrollado mediante STELLA 10.0. ha alcanzado un nivel de satisfacción aceptable para un periodo de estudio de 100 años, ya que si alargamos este periodo, los resultados que ofrece el modelo no son coherentes. El software STELLA 10.0. se ha considerado sencillo e intuitivo para la modelización del ciclo de carbono. En cuanto al turno de corta de 40 años con fin energético, se ha observado un gran rendimiento en la obtención de biomasa. La mortalidad no es un factor determinante en las masas con una gestión forestal energética. Tanto en turnos de 40, como 120 años, la masa se comporta como sumidero de carbono; sin embargo, en las masas con turnos de 120 años hay una mayor acumulación de carbono.


Title: ModelizaciĂłn del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) Karst en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0. Author: Carlos Plaza Cabezas Director: AgustĂ­n Rubio SĂĄnchez Department: Silvopascicultura

ABSTRACT Greenhouse effect gases, and in particular CO2 plays an important role in the climatic change. Environmental policies are currently focusing their efforts on reducing and fixing as higher volumes as possible of those greenhouse effect gases. In this particular effort forested areas are a key part, under a proper management this areas are proven to act as carbon sinks. Different models have been developed lately to understand and quantify the processes taking place at the terrestrial ecosystem, thanks to these processes carbon flows from atmosphere to terrestrial ecosystems and vice versa. This study includes a carbon cycle model, designed for a forested area at the Austrian Alps (Achenkirch), using modeling software STELLA 10.0. An exhaustive documentation work has been done for designing this model, and also ideas and fragments from other existing models were considered. Once the STELLA 10.0 based model was ready, 5 different scenarios have been introduced in the forestry modeling software CO2FIX 3.2. First scenario has been used to compare with the STELLA 10.0 model in order to validate and assess its accuracy, and this specific software functionality, for modeling carbon cycle. The other four scenarios were used to support mortality and energetic purposes 40 years cutting periods assessments. These scenarios were also used to assess the biomass generation yield and efficiency, including mass behavior as either source or sink of carbon. The STELLA 10.0 software based model achieves an acceptable level, nevertheless its use is determined to be limited to study periods of no more than 100 years. In case of applying it to longer periods the model results are not consistent enough. STELLA 10.0 has been considered simple and user friendly enough for carbon cycle modeling. Regarding the energetic purposes 40 years cutting period, an important yield on biomass generation has been observed. Mortality is not a significant parameter on forested areas managed for energetic purposes. In both, 40 and 120 years cutting periods, forested areas behave as carbon sinks, nevertheless in those areas with 120 years period the accumulated carbon is higher.


AGRADECIMIENTOS A Robert Jandl, por todas sus aportaciones e imprescindible ayuda y apoyo, como tutor y compañero durante mi estancia y trabajo en el BFW de Viena. A Agustín Sánchez por su interés y apoyo como tutor en este P.F.C. y por sus infinitas anotaciones, correcciones y sugerencias, sin las cuales no habría sido posible llevarlo a cabo. A Juan Diego Berjón, con el que he trabajado codo con codo, en la realización de gran parte de este proyecto durante mi estancia en Viena. A toda mi familia, en especial a mis padres y hermanos por apoyarme, soportarme y mantenerme durante todos estos años. A todos mis amigos y compañeros de la escuela. Especialmente a María, Elvira, Buga, Ainhoa y Elena por sus explicaciones, apuntes, infinitas horas de estudio compartidas, etc. sin las cuales esta carrera habría sido mucho más difícil de sobrellevar. Sin olvidarme de Luis, Lax, Jon, Pablo, Igna, Elenas, Mitxi, Miguel y muchos más, con los que he pasado muy buenos momentos y hemos compartido infinidad de experiencias a lo largo de estos años.


ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN

1

1.1. El cambio climático y sus políticas

2

1.2. El ciclo del carbono

6

1.3. Descomposición del carbono en el suelo

9

1.4. Los modelos como herramientas para el estudio del carbono en el suelo

14

1.5. La selvicultura como estrategia de mitigación del cambio climático: “Selvicultura del Carbono”

17

2. OBJETIVOS

21

2.1. Objetivos

22

3. MATERIAL Y MÉTODOS

25

3.1. Introducción

26

3.2. Zona de Estudio

26

3.3. Software de modelización: STELLA

28

3.3.1. Características generales

28

3.3.2. Estructura general del modelo

33

3.3.2.1.

Estructura del módulo de Biomasa aérea

35

3.3.2.2.

Estructura del módulo del Suelo

41

3.3.3. Datos de partida 3.4. Software específico para la modelización del ciclo del C: CO2FIX

51 54

3.4.1. Características generales

54

3.4.2. Datos de partida para el CO2FIX vo 3.2.

65

4. CÁLCULOS DEL MODELO STELLA 4.1. Cálculos en el modelo STELLA

73 74

4.1.1. Módulo de Biomasa aérea

74

4.1.2. Módulo de Suelo

76


5. RESULTADOS

83

5.1. Outputs STELLA

84

5.1.1. Módulo de Biomasa aérea

84

5.1.2. Módulo de Suelo

90

5.2. Outputs CO2FIX 5.2.1. Escenario S1_control

95 96

5.2.1.1.

Módulo de Biomasa aérea

96

5.2.1.2.

Módulo de Suelo

98

5.2.2. Escenarios para el análisis con el CO2FIX

100

5.2.2.1.

Módulo de Biomasa aérea

100

5.2.2.2.

Módulo de Suelo

105

6. DISCUSIÓN

107

6.1. El modelo STELLA

108

6.1.1. Módulo de Biomasa aérea

108

6.1.2. Módulo de Suelo

111

6.1.3. El modelo global

112

6.2. El modelo STELLA vs CO2FIX

113

6.2.1. El C de la Biomasa aérea

113

6.2.2. El C del Suelo

114

6.3. Análisis del efecto del turno de corta y la mortalidad mediante CO2FIX 6.3.1. Módulo de Biomasa aérea

116 116

6.3.1.1.

El C de la Madera del tronco

116

6.3.1.2.

El C de las Ramas

117

6.3.1.3.

El C de las Hojas

117

6.3.1.4.

El C de las Raíces

118

6.3.1.5.

El C de la Biomasa

119

6.3.2. Módulo de Suelo

120

6.3.2.1.

El C del Suelo

120

6.3.2.2.

El balance de C, Atmósfera – Sistema

121


7. CONCLUSIONES 7.1. Conclusiones

8. BIBLIOGRAFÍA 8.1. Bibliografía ANEXOS

125 126

129 130 139


Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

1. Introducci贸n

1


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

1.1. El cambio climático y sus políticas El cambio climático es definido como un cambio estable y duradero en la distribución de los patrones de clima en periodos de tiempo que van desde décadas hasta millones de años. El cambio climático puede estar limitado tanto a una región específica, como puede abarca toda la superficie terrestre.

El balance energético del planeta está regulado por tres factores principales. En primer lugar interviene la cantidad total de energía recibida desde el sol. Dicha energía depende de la distancia existente entre la Tierra y el Sol y de la actividad solar. En segundo lugar, el albedo, coeficiente de reflexión que expresa el porcentaje de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma. De la energía proveniente del Sol, no toda ella es aprovechada en forma de calor, sino que parte de ella es reflejada por la superficie terrestre y es enviada hacia la atmósfera como energía infrarroja. Por último, el balance energético depende de la composición química de la atmósfera. En la atmósfera se encuentran, formando parte de ella, los gases de efecto invernadero, que son capaces de absorber la energía infrarroja reflejada por la superficie de la Tierra, calentando de este modo la Tierra y el aire que la rodea. Este es el denominado efecto invernadero natural (Figura 1) y gracias a él es posible la vida en el planeta. En caso de no generarse este efecto invernadero natural, la temperatura de la tierra sería 30ºC inferior.

De los tres factores que acabamos de comentar, el único que ha sufrido alguna variación en los últimos 100 años ha sido la composición química de la atmósfera. La concentración de los principales gases de efecto invernadero, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), ha aumentado desde la revolución industrial. Este incremento en las concentraciones ha sido fundamentalmente provocado por el uso de combustibles fósiles y por el cambio de usos del suelo (deforestación y aumento del terreno destinado al cultivo). Esto ha provocado un efecto invernadero intensificado. El resultado de esta variación en la composición de los gases de la atmósfera, que es la responsable de mantener el equilibrio, devolviendo al espacio la misma cantidad de energía que recibe del Sol, ha sido un incremento de la temperatura global del planeta de 0,3 a 0,6 ºC (IPCC 2007). 2


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Figura 1. Efecto invernadero natural. Fuente: GRID-Arendal (http://www.grida.no)

Efectos

En diversos estudios a lo largo del planeta se han realizado algunas predicciones sobre los efectos o alteraciones que puede provocar el aumento de la temperatura global del planeta debido al efecto invernadero intensificado. A continuación se citan algunas de ellas:

-

Cambios en los ecosistemas globales (disminución y variación de las especies arbóreas).

-

Aumento del nivel del mar (pérdida de tierras y humedales).

-

Fusión de glaciares y hielos marinos.

-

Modificación del régimen de lluvias (sequias e inundaciones).

-

Variación en los máximos y mínimos de las temperaturas (olas de calor y de frio).

-

Aumento de plagas y enfermedades tropicales.

-

Aumento de la contaminación atmosférica en las ciudades.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Políticas

A la vista de los efectos que se han mencionado anteriormente, a lo largo de la historia se han ido desarrollando distintas políticas para intentar frenar y evitar el cambio climático producido por el ser humano.

En los años 70 del siglo XX, algunos científicos ya comenzaron a llamar la atención a los dirigentes gubernamentales sobre la amenaza del cambio climático a nivel mundial (Primera Conferencia Mundial sobre el Clima, Ginebra 1979), aunque no tuvo mucho éxito. En 1987, a través de la comisión Brundtland, se consiguió que se tomara la decisión de reducir las emisiones de CO2 en un 20% respecto a las de ese año para el año 2005 (Conferencia Mundial sobre la Atmósfera Cambiante, Toronto 1988). Unos años después se crearía el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC, del inglés Intergovernmental Panel on Climate Change), una comisión interdisciplinar e internacional de científicos dedicada a estudiar la influencia del ser humano en el cambio climático y realizar evaluaciones y propuestas de soluciones a sus efectos.

En 1992, durante la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente y Desarrollo, se adoptó el “Convenio Marco sobre Cambio Climático” ratificado por 170 países en el que se recogía a los países desarrollados dentro del “anexo I”. Estos se comprometieron a realizar un esfuerzo para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2000 a los niveles existentes en 1990. En la tercera conferencia de las partes de este convenio, que se celebro en Kyoto en diciembre de 1997, a raíz del segundo informe del IPCC de 1996 en el que se demostró la influencia del ser humano en el clima mundial, los países desarrollados que formaban parte del “Anexo B” (muy similar al “anexo I” del convenio) se comprometieron a reducir de forma global un 5% las emisiones para el periodo comprendido entre el 2008 y el 2012. Los países en desarrollo no adquirieron ningún compromiso. Este acuerdo se conoce como “Protocolo de Kyoto”. Dentro del Protocolo se reflejaban tres “mecanismos de flexibilidad” que pretendían facilitar la labor de la reducción de emisiones a los distintos países, estos mecanismos son los siguientes:

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-

Comercio de derechos de emisión entre países del Anexo B. Los países que no lleguen al tope de emisiones que tienen permitido, podrán comerciar con el resto de países sobre los derechos de emisión.

-

Aplicación conjunta entre países industrializados. Los países pertenecientes al Anexo B pueden cederse o adquirir unidades de reducción de emisiones por medio de proyectos.

-

Mecanismos de desarrollo limpio entre países industrializados y países en vías de desarrollo. Los países del Anexo B podrán llevar a cabo proyectos que reduzcan las emisiones en países en desarrollo, la reducción de emisiones materializada se contabilizará a favor del país inversor.

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1.2. El Ciclo del Carbono El carbono es el componente básico en los compuestos orgánicos del planeta y debido a que la cantidad de carbono es limitada, el carbono está inmerso en un proceso de constante reciclaje, pasando por distintas fases y partes del planeta (atmósfera, biosfera, litosfera e hidrosfera). Este constante movimiento por los distintos reservorios de la Tierra es el denominado Ciclo del Carbono (Figura 2) (Montero, 2005).

Las reservas de carbono contenidas en los mares y océanos son las más importantes, en donde el carbono está presente en forma inorgánica disuelta, orgánica disuelta o incluso en forma orgánica en suspensión. La siguiente reserva de carbono en importancia es la geológica, donde el carbono se deposita en forma de sedimentos, precipitados o acumulados orgánicos e inorgánicos (Gallardo, 1988).

Figura 2. Ciclo global del Carbono. Fuente: www.mediateca.cl

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En este proyecto fin de carrera nos vamos a centrar en la parte del ciclo de carbono correspondiente al intercambio que existe entre los ecosistemas terrestres y la atmósfera, por lo que en esta introducción obviaremos los procesos que se dan lugar fuera de este conjunto.

El carbono pasa a formar parte del ecosistema terrestre a través del proceso de la fotosíntesis y es devuelto a la atmósfera a través de la respiración del suelo. Desde que el carbono es capturado por el ecosistema terrestre hasta que es devuelto a la atmósfera, a través de la respiración, pasa una serie de procesos donde se ven involucrados distintos factores biológicos y climáticos (Figura 3).

Figura 3. Etapa de intercambio de carbono entre la atmósfera y el ecosistema terrestre en el Ciclo del Carbono.

Funcionalmente, la respiración se divide en dos tipos, el CO2 que se desprende a través de las hojas, tronco y raíces vivos (respiración autótrofa) y el CO2 desprendido en la descomposición de la materia orgánica en el suelo (respiración heterótrofa). Fenómenos esporádicos de emisión de carbono a la atmósfera, como el fuego, son tan importantes como los procesos de descomposición de materia orgánica, en cuanto a liberación de carbono se refiere, especialmente en ecosistemas en los que la descomposición se ve limitada por sequias o temperaturas demasiado bajas (Schimel, 1997; Harden, 2000). Las pérdidas de carbono a través del lixiviado del carbono orgánico o inorgánico disuelto en el suelo o a través de la erosión, aunque 7


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importantes a una escala temporal de siglos o milenios, son demasiado pequeñas para tomarlo en cuenta en un balance interanual. La consideración del suelo como fuente o sumidero de carbono a una escala temporal de años o décadas, depende únicamente del balance de la fotosíntesis y la respiración, así como de las pérdidas debidas a fenómenos esporádicos.

Aproximadamente, un sexto del CO2 atmosférico (alrededor de 115 petagramos de C; Prentice, 2001) pasa a través del ecosistema terrestre cada año. La respiración del ecosistema terrestre es uno de los flujos más importantes en el balance global de carbono anual, aproximadamente 18 veces la tasa de emisión de los combustibles fósiles en los años 90 (Prentice, 2001). Pequeños desequilibrios en la fotosíntesis o en la respiración pueden producir variaciones interanuales significativas en la cantidad de CO2 atmosférico (Trumbore, 2006). Los factores de que depende la fotosíntesis (luz, concentración de CO2, temperatura, luz, etc.) han sido largo tiempo estudiados y son bien conocidos. Así mismo, la respiración autótrofa por encima del suelo es relativamente fácil de medir y se ha caracterizado en diversos estudios. Por el contrario, la respiración autótrofa y heterótrofa del suelo, no ha sido suficientemente explicada y se tiene poco conocimiento sobre los procesos que regulan la respiración y las interacciones entre sus componentes (Trumbore, 2006). Resulta, pues, imprescindible cuantificar estas fracciones de la respiración del suelo para predecir con exactitud la evolución futura del los ecosistemas terrestres como sumidero o fuente de C. En este punto entra la modelización del ciclo de carbono, que es el objeto principal de este proyecto fin de carrera y se desarrollará a lo largo del mismo.

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1.3. Descomposición del carbono en el suelo En 1929, Tenney y Waksman postularon que los procesos de descomposición de materia orgánica en el suelo estaban controlados por cuatro factores distintos: la composición química del sustrato, un suministro suficiente de nitrógeno para los organismos descomponedores, la naturaleza de los organismos involucrados en el proceso y las condiciones ambientales, especialmente la humedad, temperatura y ventilación del suelo. A lo largo de estos aproximadamente 70 años, se han estudiado los procesos de descomposición tanto a una escala local, como regional. Estos estudios nos han aportado mucha información sobre la implicación de la descomposición en el ciclo de nutrientes en el suelo. Se ha empezado a pensar en la descomposición no solo como en una disgregación de la materia orgánica, sino también como la formación de sustancias húmicas estables (Berg, 2003).

Mindermann (1968) propuso que en la descomposición de los residuos en el suelo, los compuestos fácilmente degradables se descompondrían primero, permaneciendo las substancias más recalcitrantes. En la descomposición de los residuos de la planta están involucrados un complejo conjunto de procesos, en los que intervienen agentes tanto químicos, físicos como biológicos y se produce en una amplia variedad de sustratos orgánicos, que están en constante cambio. Debido a la inmensa diversidad de posibles factores e interacciones que pueden intervenir, la descomposición en un escenario natural puede ser descrita solamente en términos generales (Berg, 2003).

Los residuos se convierten en ello cuando la planta se despoja de ellos. Desde ese estado inicial, la composición de los residuos cambia, algunos compuestos desaparecen rápidamente, otros lo hacen lentamente y otros empiezan a desaparecer pasado un determinado periodo de tiempo. Resulta bastante significativo, que algunas substancias, particularmente los nutrientes, sean incorporadas dentro del sustrato en descomposición y que se sinteticen nuevos compuestos orgánicos durante el proceso de descomposición (Berg, 2003).

Los residuos de la planta están formados por distintas cantidades de varias clases de compuestos orgánicos. Las proporciones relativas de estos compuestos dependen de la parte de la planta a la 9


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que pertenecen (ramas, hojas, tronco, etc) y de la especie. Estos compuestos pueden ser clasificados por su tamaño molecular, solubilidad y sus principales componentes. Algunos materiales, como los azúcares, compuestos fenólicos de bajo peso molecular y algunos nutrientes, se pierden fácilmente a través de la disolución y lixiviado combinado con la acción de microorganismos oportunistas de crecimiento rápido. En cambio, moléculas grandes, como las celulosas, hemicelulosas y ligninas son degradadas más lentamente. Durante la descomposición, la condensación de compuestos fenólicos y compuestos derivados de la descomposición de la lignina, combinados con nutrientes importados, conforman red de acumulación de substancias nuevamente formadas. Las magnitudes relativas de los principales flujos (Figura 4) no dependen únicamente del tipo de residuo, pero sí están influenciados por la composición química de éste (Berg, 2003). Consideramos “descomposición” como la suma de CO2 liberado a la atmósfera y el lixiviado de compuestos, considerando tanto los compuestos de carbono como los nutrientes. El lixiviado consiste en la perdida de nutrientes y compuestos orgánicos incompletamente descompuestos arrastrados por el agua. La interpretación de los datos de materia degradada durante las primeras etapas de la descomposición pueden ser influenciadas por una gran proporción de material soluble en agua, que se ha lixiviado y que no ha sido fisiológicamente modificado por microorganismos (McClaugherty, 1983). Estos materiales disueltos han dejado de formar parte de los residuos y han sido consecuentemente secuestrados por partículas de humus o arcilla. En ambos casos, los materiales han sido perdidos por un sustrato en particular, pero siguen formando parte del ecosistema del suelo.

Bajo condiciones aeróbicas, la descomposición microbiana resulta en una liberación de CO2 que abandona el sistema. Bajo condiciones anaeróbicas, como por ejemplo en una capa de materia orgánica anegada de agua temporalmente, descomponedores anaeróbicos pueden producir ácidos orgánicos en lugar de CO2. Esto puede pasar también con descomponedores aeróbicos en caso de que se produzca una falta de oxígeno (Berg, 2003).

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Figura 4. Vías para la transformación de los residuos en humus y carbono inorgánico. Cuando la planta se desprende de los residuos comienza la descomposición, los microorganismos comienzan formando dióxido de carbono y los compuestos solubles que se encontraban inicialmente son lixiviados. Los compuestos recién formados, que son estables pero solubles en agua, también son lixiviados (carbono orgánico disuelto) y los compuestos recalcitrantes permanecen formando humus (modificado de Berg, 2003).

En las siguientes etapas de descomposición las substancias recalcitrantes serán más abundantes en el residuo y en algunos casos la tasa de descomposición será muy cercana a cero. En 1974, Howard y Howard estimaron valores límite para la descomposición de unos tipos de residuos de hojas que fueron incubados en medios libres de animales. Usando datos de descomposición de residuos de sistemas forestales pobres en nutrientes, Berg y Ekbohm (1991) también estimaron unos valores límite, indicando una etapa en la que la descomposición era cercana a cero.

Los descomponedores primarios en los sistemas de bosques templados y boreales son los microorganismos, que abarcan tanto a las bacterias como a los hongos. Estos principales grupos de microorganismos pueden degradar celulosa, hemicelulosa y diferentes ligninas. Muchos microorganismos degradan celulosas y hemicelulosas en la naturaleza. Estos organismos tienen 11


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en común la producción de encimas hidrolíticas extracelulares que se unen en el exterior de la célula o simplemente se liberan en el medio circundante. Los carbohidratos polimerizados pueden ser descompuestos tanto de forma aeróbica como de forma anaeróbica, pero la degradación completa de la lignina requiere de la acción de organismos aeróbicos. La degradación parcial de la lignina puede ser llevada a cabo también por baterías anaeróbicas, pero los microorganismos que realizan este proceso son fundamentalmente hongos y bacterias aeróbicas (Berg, 2003).

La composición de las poblaciones de microorganismos (celulíticas; lignolíticas) puede variar con las propiedades generales de los ecosistemas suelo/residuo, el estado de los nutrientes y el pH. Una propiedad funcional específica que puede discriminar entre sistemas y poblaciones es su sensibilidad a las concentraciones de nitrógeno en los residuos y en el humus, que puede resultar estimulante o depresora (Berg, 2003).

Como ya hemos dicho, la temperatura y la humedad tienen una gran importancia en los procesos de descomposición de materia orgánica en el suelo. Los efectos más notables de estos factores se dan a la hora de evaluar la actividad descomponedora de los microorganismos.

La comunidad microbiana posee una gran adaptabilidad para los diferentes regímenes de temperatura y humedad que se pueden dar, pero ambos factores pueden ser limitantes. En el caso de que haya suficiente humedad, si tenemos una capacidad de retención de agua por encima del 10%, el agua puede resultar limitante por exceso, de tal manera que el aumento de las temperaturas no daría como resultado un aumento de la actividad microbiana. Igualmente, en un sistema limitado energéticamente, como puede ser un sistema con bajas temperaturas, una humedad alta no tiene porque resultar en una mayor actividad microbiana (Berg, 2003).

La respuesta microbiana a la temperatura ha de considerarse como la suma de las respuestas de toda la comunidad microbiana. Aquellos hongos y bacterias que tengan su temperatura óptima de actividad en 15 ºC, son menos activos a 10 ºC y casi inactivos cerca del punto de congelación. Sin embargo, a 0 ºC y temperaturas bajo cero, microorganismos criófilos poseen una clara

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

actividad heterotr贸fica. Estos organismos pertenecen a especies completamente distintas de las que engloban a los organismos que son activos a altas temperaturas (Berg, 2003).

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1.4. Los modelos como herramientas para el estudio del carbono en el suelo Los modelos son necesarios para estimar la dinámica del carbono en el suelo forestal. Es difícil alcanzar este objetivo midiendo cambios en la cantidad de carbono en el suelo, debido a que la densidad de carbono existente en el suelo varía mucho espacialmente (p.ej. Liski, 1995; Morisada et al., 2004). En consecuencia, estimaciones de modelos ya calculados ayudan a evaluar la importancia del suelo para el balance del carbono total en los bosques. Estas estimaciones son también útiles para aproximar el número de muestras que se deben tomar, cuando alguien decide realizar el esfuerzo y medir los cambios en el carbono del suelo. Por otra parte, los modelos pueden utilizarse para predecir cambios futuros en el carbono del suelo y explorar las consecuencias de tener diferentes condiciones medio ambientales y el desarrollo de una gestión forestal en distintos escenarios (Liski, 2005).

Los modelos sobre la dinámica del carbono en el suelo, varían en complejidad y en la clase de datos de entrada que requieren (Powlson et al, 1996). CENTURY (Parton et al, 1987) y RothC (Coleman & Jenkinson, 1996) son probablemente los dos modelos más ampliamente utilizados y validados, en cuanto a la orientación del proceso hacia el carbono en el suelo, en todo el mundo. CENTURY fue originariamente desarrollado para praderas y RothC para suelos de cultivo, pero ambos han sido utilizados también en suelos forestales (p.ej. Falloon and Smith, 2002; Peng, 2002). Estos modelos trabajan en un paso de tiempo mensual y los datos principales de entrada son la textura del suelo y las variables climáticas. DocMod (Currie & Aber, 1997) y ROMUL (Chertov et al, 2001; Komarov et al, 2003) son ejemplos de modelos del suelo originalmente desarrollados para suelos forestales. DocMod fue diseñado para describir el lixiviado del suelo forestal y no realiza un cálculo del carbono total del suelo. ROMUL opera mediante un paso temporal de días y necesita datos de entrada muy detallados sobre condiciones climáticas, clase y cantidad de residuos y tipo de suelo. FullCAM es un modelo más grande para calcular todo el carbono del suelo forestal (Paul et al, 2003; Paul &Polglase, 2004), y este usa el modelo GENDEC (Moorhead & Reynolds, 1991) para simular la descomposición de los residuos y el modelo RothC (Coleman & Jenkinson, 1996) para simular la rotación del carbono en el suelo.

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Modelos más simples, con menores requerimientos en los datos de entrada son usados en otros sistemas de modelización donde los resultados del suelo forman solamente una parte de los resultados relevantes. Ejemplos de estos sistemas son el modelo de la dinámica vegetal global LPJ (Sitch et al, 2003), el modelo del presupuesto de carbono del sector forestal canadiense (Kurz & Apps, 1999) y el modelo forestal a nivel de estratos y productos GORCAM (Schlamadinger & Marland, 1996). Otro grupo de modelos de carbono en el suelo está formado por modelos que describen la decreciente cualidad de la materia orgánica y el consecuente descenso de las tasas de descomposición como los procesos de descomposición (p.ej. Middelburg, 1989; Liski et al, 1998). Estos modelos contienen un menor número de parámetros que los modelos anteriores pero, sin embargo, la información de todos esos factores que afectan a la dinámica del carbono en el suelo está determinada por esos pocos parámetros.

No es sencillo utilizar alguno de estos modelos para aplicaciones forestales en general. Los modelos detallados necesitan de datos de entrada que normalmente no está disponible para todos los bosques, únicamente están disponibles para bosques que han sido estudiados a propósito para obtener esos datos (p.ej. la textura del suelo normalmente no es conocida). La textura puede diferir sustancialmente entre horizontes en los suelos forestales (p.ej. Liski & Westman, 1995) y los modelos de una sola capa desarrollados para suelos más homogéneos no son capaces de contabilizar esa variabilidad. Además, el paso temporal de los modelos detallados es más corto que un año, que es el paso temporal más habitual en el ámbito forestal. No es fácil dividir los residuos totales generados de un año en pasos temporales más cortos, como generación de residuos mensual o diaria, que es el paso temporal existente en estos modelos. Los modelos simples, por otro lado, han sido desarrollados para modelos más amplios de los que forman parte y su fiabilidad no ha sido tan profundamente estudiada como los actuales modelos de carbono en el suelo. Un problema con los modelos que describen un decrecimiento de la calidad del material en descomposición y el descenso de la tasa de descomposición, es que es difícil saber cómo modificar los valores de los pocos parámetros que utilizan cuando se aplican estos modelos a nuevas condiciones (Liski, 2005).

En este proyecto fin de carrera se han utilizado, el planteamiento del modelo RothC para la elaboración de uno de los módulos del modelo en STELLA y por otro lado se ha utilizado el 15


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software CO2FIX (Masera et al, 2003), que utiliza el modelo Yasso, para validar los resultados. Este modelo es técnicamente apropiado para usarlo en sistemas forestales y ya ha sido vinculado a simuladores forestales como CO2FIX, MOTTI (Hynynen et al, 2005) y a una escala regional EFISCEN (Karjalainen et al, 2002), y además, ha sido utilizado junto a un modelo forestal suizo, MASSIMO (Thürig et al, 2005).

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1.5. La selvicultura como estrategia de mitigación del cambio climático: “Selvicultura del Carbono” Es bien conocido que los bosques suministran al ser humano un amplio número de servicios ecológicos, que van desde la reducción de riesgos hidrogeológicos, pasando por la preservación de la biodiversidad, almacenamiento de grandes cantidades de carbono, hasta servir como fundamento del turismo y del recreo. Mientras que la mayoría de estos servicios han sido entendidos y evaluados desde hace años, el rol esencial de los bosques en el balance de carbono y la posibilidad de su utilización en la mitigación del cambio climático es más reciente y está atrayendo cada vez más atención. Globalmente, los bosques significan un gran reservorio de carbono (Fiorese, 2013). Conforme a la Convención en el Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (UNFCCC, 2010), en los bosques se almacenan 283 Gt de carbono en forma de biomasa, 38 Gt en madera muerta y 317 Gt en los suelos (hasta 30 cm) y residuos. El contenido total en los bosques en 2005 (638 Gt), es mayor del que se encuentra en toda la atmósfera. Esta cantidad existente en los sistemas forestales está combinada con una absorción terrestre bruta, que está estimada en torno a 2,4 Gt de carbono al año, de la que una buena parte consiste en la secuestrada por los bosques (UNFCCC, 2010). Además, el uso de la biomasa forestal en la sustitución de otros productos energéticos más intensivos, como los combustibles fósiles u otros materiales, es otra importante contribución que pueden realizar los bosques (Hall, 1994).

Un papel importante de los bosques está reconocido, por ejemplo, en el Artículo 3.3 del Protocolo de Kyoto, donde las repoblaciones forestales, reforestaciones y la contabilidad de las deforestaciones son de obligado cumplimiento. Los países también pueden optar por incluir la gestión forestal dentro de las actividades que sirven como sumideros de carbono (Fiorese, 2013).

La gestión forestal puede, sin embargo, afectar fuertemente al balance de carbono. Un reciente estudio en bosque boreal y templado (Luyssaert, 2008), muestra que bosques entre 15 y 800 años de edad pueden acumular carbono y tener una productividad positiva neta del sistema (Incluyendo biomasa y suelo), pero existe una disminución relacionada con la edad, la cual después de un número de años, dependiendo de la vegetación y el medio, alcanza un equilibrio. 17


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Es decir, los bosques en crecimiento constituyen un sumidero de carbono, convierten el carbono de la atmósfera en biomasa y acumulan parte de ese carbono en el suelo. Los bosques maduros constituyen los principales reservorios de carbono, ya que la biomasa viva ha llegado al límite de su capacidad de almacenamiento y solo sigue teniendo lugar una lenta acumulación de carbono en el suelo (Fiorese, 2013). Este proceso se rige por las diferentes tasas de mortalidad y descomposición. La primera es mucho más lenta que la segunda, por lo que los bosques en edad adulta avanzada pueden llegar a ser fuentes de emisión de carbono (Odum, 1969).

La extracción de biomasa y su transformación en productos derivados de la madera es en si mismo un reservorio limitado de carbono. Si un bosque es destruido por la acción humana o a causa de una catástrofe natural, sus reservas de carbono se dispersan. Sin embargo, la liberación del carbono que se encuentra en los combustibles fósiles puede considerarse irreversible. Por ello cuando se usa la bioenergía, el balance de carbono es aproximadamente cero, y por lo tanto una cantidad determinada de gases de efecto invernadero que emitirían los combustibles fósiles sería evitada permanentemente (Tuskan, 2001).

Una importante ventaja de la utilización de la gestión forestal para la mitigación del CO 2 en la atmósfera es que la selvicultura y su tecnología están bien desarrolladas y aplicadas en su campo de actuación, por lo que suponen un medio muy económico para poder actuar como un “puente” a corto-medio plazo durante el desarrollo de otras tecnologías de secuestro de carbono y mientras la sociedad implementa los programas de reducción de emisiones (Fisher, 2007; Sundquist, 2008).

Existen cuatro formas primarias en las que la gestión forestal puede ser usada para la mitigación del CO2 en la atmósfera: (1) Incrementando el suelo forestal a través de las plantaciones forestales o la reforestación; (2) Incrementando la densidad del carbono en promedio temporal o los reservorios de carbono por unidad de superficie; (3) Utilizando productos forestales en vez de otros materiales de construcción o fuentes de energía; y (4) Evitando la deforestación y la degradación de los bosques (Candell &Raupach, 2008; U.S. EPA, 2005). Los trabajos selviculturales tienen el potencial de influir en gran medida en los stocks de carbono por unidad de superficie. Por ejemplo, en pinares del sur de Estados Unidos, la preparación del suelo, el 18


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control de la vegetación de competencia, la fertilización y el uso de genotipos superiores pueden incrementar la productividad hasta cuatro veces por encima de la productividad obtenida a mediados de la década de los 50 (Fox et al, 2007). Es sabido que la gestión de los turnos afecta al carbono almacenado en la masa forestal (Cooper, 1983; Cropper & Ewel, 1987) y que alargar los turnos de rotación ha sido propuesto como una efectiva manera de gestionar la cantidad de carbono en los bosques (Liski et al. 2001). Para contabilizar el carbono en los sistemas forestales, hay que tener en cuenta que los reservorios de carbono, en los bosques que han sido gestionados, se dividen mayormente en dos reservas: “in situ C” en la biomasa en pie y en la materia orgánica en el suelo y “ex situ C” secuestrado en los productos que se han creado a partir de la materia prima extraída de la masa (Marland & Marland, 1992; Johnsen et al, 2001). Ambas reservas de carbono (in situ y ex situ) pueden ser influenciadas por la gestión forestal.

Todos estos aspectos relativos a las posibilidades de contribuir a la mitigación del efecto de los gases de efecto invernadero sobre el cambio climático, hace que se pueda apuntar a la Selvicultura del Carbono como un nuevo paradigma de la ciencia forestal.

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2. Objetivos

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2.1. Objetivos Este proyecto fin de carrera entra dentro del plan de trabajo del Departamento de Ecología Forestal y Suelos del Instituto Federal de Investigación Forestal de Viena (Austria) “Bundesforschungszentrum für Wald” y se ha realizado en conjunto con el Departamento de Silvopascicultura de la E.T.S. de Ingenieros de Montes de la Universidad Politécnica (Madrid).

En este proyecto fin de carrera se va utilizar el software de modelización STELLA 10.0., un software utilizado en muchos campos de investigación (estudios de población humana, estudios de hábitats naturales, estudios de tráfico, etc.). Viendo el gran resultado que ha ofrecido este software en otros campos de estudio, se ha decido realizar un modelo sobre el ciclo de carbono con STELLA 10.0. . El principal objetivo de este proyecto fin de carrera es la realización de este modelo y la posterior evaluación y validación del mismo, concluyendo si el software STELLA 10.0. es adecuado para la modelización del ciclo de carbono o no.

Dentro del estudio de los suelos y su dinámica en relación al balance de carbono que existe entre éste y la atmósfera, se encuentran los software de modelización de carbono en el suelo, que ayudan a entender y cuantificar los procesos biológicos que se desarrollan en el suelo. Uno de estos modelos utilizado en este proyecto fin de carrera es el modelo CO2FIX (Masera et al, 2004). Mediante este software se desarrollará un escenario en el que se representen las mismas condiciones que se tienen en el modelo realizado mediante STELLA 10.0. y se realizarán una serie de comparaciones con éste último, para así comprobar la validez y capacidad del software STELLA 10.0. para modelizar el ciclo de carbono.

El modelo se va a realizar con carácter local, sobre una zona de los Alpes Austriacos, apoyándonos en la amplia disponibilidad de datos y, dado que, realizar un modelo de carácter más general, es un trabajo muy complejo que puede llevar años de estudio.

A parte de la realización del modelo mediante STELLA 10.0. y su posterior valoración utilizando el software CO2FIX, con éste último se van a desarrollar 4 diferentes escenarios en los que se van a simular distintos turnos de corta, con presencia o ausencia de mortalidad natural. El 22


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objetivo a alcanzar mediante la realización de estos escenarios es el de, a través de sus resultados, realizar una breve reflexión sobre los sistemas de gestión forestal con el objetivo del aprovechamiento energético y su efecto en el comportamiento del bosque como sumidero o fuente de CO2.

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3. Material y M茅todos

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3.1. Introducción Este capítulo comenzará realizando una descripción de la zona de estudio (3.2. Zona de estudio). A continuación, se desarrollará el modelo realizado mediante el software STELLA (3.3. Software de modelización: STELLA). Para ello se realizará una descripción del software, explicando las funciones del mismo, prestando más atención a las utilizadas en este proyecto fin de carrera (3.3.1. Características generales). Una vez descrito el software STELLA, se mostrará la estructura del modelo realizado, visualizando, paso a paso, las herramientas utilizadas para la generación del mismo (3.3.2.1. Estructura del módulo de la Biomasa aérea y 3.3.2.2. Estructura del módulo del Suelo). A continuación, en lo referente a STELLA, se mostrarán los datos de partida considerados para la realización del modelo (3.3.3. Datos de partida).

Una vez se tenga desarrollado el modelo mediante STELLA, se realizará una descripción del software CO2FIX y los diferentes escenarios generados (3.4.1. Características generales). Por último, se mostrarán los datos de partida introducidos en los distintos escenarios (3.4.2. Datos de partida). El motivo por el que se han utilizado CO2FIX, es el de realizar una valoración del modelo diseñado mediante STELLA, comparando los resultados obtenidos en STELLA con los obtenidos en un escenario de las mismas características en CO2FIX. Aparte, se han desarrollado cuatro escenarios, con distintos turnos de corta para ver el efecto de la selvicultura en la captación del carbono.

3.2. Zona de Estudio El modelo se ha realizado con la intención de reflejar el comportamiento del suelo en una zona concreta de los Alpes perteneciente al Tirol austriaco, más concretamente en el municipio de Achenkirch.

Esta localidad se encuentra cercana a la frontera con Alemania a una altitud de 920 m sobre el nivel del mar, longitud (47,53ºN) y latitud (11,72ºE) (Figura 5).

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La principales especies de la zona son Picea abies (L.) Karst (52%), Fagus sylvatica L. (19%), y Pinus cembra L. (14%). Los ejemplares de picea poseen una edad aproximada de 120 años. Los pinos y las hayas aparecen de forma esporádica o en pequeños grupos. En la zona de muestreo de donde se han extraído los datos utilizados en este proyecto aparece Picea abies, ocupando casi la totalidad del terreno salpicado por algunos grupos de Fagus sylvatica. Por ello a la hora de realizar el modelo, se ha considerado que la única especie del terreno es Picea abies.

Los tipos de suelo del área de estudio son Cambisol crómico y Leptsol rendsico, poco profundo (15-30cm) o de profundidad media (30-60cm) (Mikovits, 2009). El horizonte O no excede de 2 cm y debido lo escarpado del terreno, el horizonte A varía entre 5 y 40 cm. La relación C/N es alrededor de 16-18, lo que sugiere condiciones de mineralización de nitrógeno media y además el contenido en carbono es considerablemente alto (Mikovits, 2009).

Figura 5. Zona de estudio, Achenkirch, Austria (tirisMaps, 2013).

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3.3. Software de modelización: STELLA 3.3.1. Características generales STELLA, que responde al acrónimo “Structural Thinking, Experimental Learning Laboratory with Animation”, es un software informático desarrollado por “isee Systems” (Lebanon, New Hampshire, EEUU) por primera vez en 1987, diseñado para proporcionar una modelización dinámica e intuitiva a través de una interfaz (Figura 6) y varios elementos o bloques de construcción. En este proyecto fin de carrera se ha utilizado la versión 10.0, que es la última versión del programa. No es una aplicación específicamente pensada para modelizar el ciclo de C, pero dados los buenos resultados en la modelización de todo tipo de procesos (modelos de poblaciones humanas, modelos de hábitats naturales, modelos de tráfico, etc.), se ha pensado que se podría evaluar su aplicación al estudio de dicho ciclo en sistemas forestales. Dentro de la estructura general del modelo se puede trabajar con diferentes elementos, capas y un panel de control. 

Elementos

El software consta de cinco elementos fundamentales (Stock, Flujo, Convertidor, Conector y Módulo) con los cuales se construyen todos los modelos. En la interfaz principal del software aparecen en el orden mencionado. De manera detallada dichos elementos son: -

“Stock” (Reservorio): Cualquier fenómeno que queramos representar como una acumulación. Así en este estudio, la cantidad de carbono que se acumula en el tronco del árbol sería un Stock básico (Figura 7). En el software existen cuatro tipos de Stocks, y en este proyecto fin de carrera se han utilizado dos de ellos, el Stock básico y el Stock temporal (Conveyor). Este último stock expresa una acumulación pero con un flujo de salida fijado por un tiempo de tránsito. Por ejemplo, en el Stock temporal de acículas, que se definirá más adelante, se fija un tiempo de tránsito de 5 años, porque se sabe que la vida media de las acículas de Picea abies (L.) Karst es de 5 años en el árbol (comunicación personal, Robert Jandl).

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-

“Flux” (Flujo): Representa la tasa de cambio de un Stock, y puede ser de salida o entrada. Por ejemplo, la cantidad de carbono por hectárea y año que entra en el stock de las ramas y la cantidad de carbono por hectárea y año que sale de éste. Existen dos tipos, flujo unidireccional y flujo bidireccional. El primero funciona solamente en un sentido, mientras que el segundo puede trabajar en ambos sentidos, si bien en este proyecto solo se ha utilizado el primero.

Figura 6. Interfaz principal del software STELLA 10.0.

-

“Converter” (Convertidor): Se utiliza para introducir ecuaciones y datos en el modelo de una manera ordenada, evitando aglomeraciones en los paneles de control y repeticiones innecesarias. Por ejemplo, el convertidor “a” del modelo del suelo, que se definirá más adelanté, introduce una ecuación exponencial en todos los flujos con los que está conectado (Figura 7).

-

“Conector” (Conector): Es un elemento de unión que permite relacionar stocks, flujos, módulos y convertidores entre sí. Por ejemplo, en el modelo del suelo, aparecen unos 29


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

flujos que son función de diversos convertidores (a, b, c, k) y éstos están relacionados con el flujo mediante conectores (Figura 7).

Figura 7. Izquierda: conectores (flechas rosas) y convertidores (círculos de línea discontinua); Derecha: stock básico (cuadrado marrón, “STEM WOOD”), stock temporal (cuadrado verde “C LEAVES”) y flujos (flechas azules “C to Stem” y C to Leaves”).

-

“Module” (Modulo): Un módulo nos permite introducir modelos completos y cerrados dentro de otros modelos y a la vez conectar el modelo introducido con el resto del modelo en el que lo hemos introducido. Por ejemplo, los dos módulos que aparecen en nuestro modelo: Biomasa aérea y Suelo.

A parte de estos elementos fundamentales, aparecen otros iconos en la barra de herramientas superior (Figura 8): Botón Auxiliar, Sector, Gráfico, Tabla, Indicador de Estado, Pantalla Numérica, Cajón de Texto, Imagen, Puntero, Pincel, Dinamita y Doble imagen. De entre estos últimos elementos cabe destacar, por su utilización en este proyecto, los iconos Gráfico y Doble imagen (Ghost). -

“Graph” (Gráfico): Esta función permite realizar gráficos comparativos de hasta 5 elementos distintos del modelo.

-

“Ghost” (Doble imagen): Doble imagen permite generar una imagen duplicada de cualquier elemento del modelo, en otra parte del mismo modelo. Esta imagen duplicada mantiene las mismas propiedades que el elemento duplicado y se actualiza a la vez que

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

éste. Es decir, es el mismo elemento solamente que en otra parte de la interfaz. Se trata de una herramienta muy útil para poder obtener modelos fácilmente entendibles y ordenados. 

Capas

En el software encontramos cuatro entornos de trabajo, denominados capas. Estos entornos estan ordenados en forma de pestañas a la izquierda de la interfaz (Figura 8) y funcionan de forma similar a entornos de trabajo ya conocidos de otros programas. Los distintos entornos que se pueden reconocer son:

-

“Interface”(Interfaz): En este entorno se pueden introducir varios elementos que facilitan el manejo de los modelos, elementos que permiten introducir datos de entrada sin variar las ecuaciones en el propio modelo.

-

“Map” (Mapa): En este entorno se presenta la estructura del modelo, sin poder realizarse variaciones internas de los elementos, pudiéndose alterar solamente el nombre y descripción de éstos. Es una capa utilizada fundamentalmente para la presentación final del modelo.

-

“Model” (Modelo): Esta es el entorno más importante del programa, en esta capa es sobre la que se realiza fundamentalmente todo el trabajo y en la que podemos variar todas las características de nuestros elementos.

-

“Equations” (Ecuaciones): En este entorno se puede trabajar de manera matemática con todo lo que se ha realizado en la capa de Modelo, en forma de comandos de modelización. Ésta podría decirse que es una capa resumen de todo el trabajo realizado en las dos capas anteriores.

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Panel de Control

A la derecha de la interfaz existe un panel de control desplegable (Figura 8) con el que se introducen todas las modificaciones necesarias en los stocks, flujos, etc. Dependiendo del elemento que esté seleccionado el panel posee unas opciones u otras, pero generalmente consta de cinco pestañas o apartados. El primero empezando por la izquierda es “Equation” (Ecuación), donde se introducen la función y las variables que definirá el funcionamiento del elemento; por ejemplo, la ecuación que define el flujo de carbono que va desde el tronco a las ramas. En este caso aparece una ventana “Builtins” (óredenes internas) con comandos estadísticos y matemáticos ya definidos que facilitan la programación del modelo. A modo de ejemplo, se puede introducir mediante la orden “RANDOM” una elección aleatoria de las temperaturas.

Figura 8. Arriba: barra de herramientas del interfaz principal de STELLA 10.0. ; Izquierda abajo: pestañas que indican la capa en la que nos encontramos; Derecha abajo: panel de control.

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A continuación tenemos el apartado “Graphical Function” (Función gráfica), que nos permite definir el elemento de una manera gráfica tanto manualmente como mediante una tabla. Las tablas se pueden introducir ex profeso o pueden ser importadas desde otros archivos en formato “.xlsx” (Microsoft Office Excel 2011. California, EEUU. ®Microsoft Corporation). En nuestro caso utilizamos esta función en diferentes ocasiones, como por ejemplo, para introducir la respiración autótrofa. La siguiente pestaña corresponde a “Array” (Colección). Este apartado no se ha usado en este proyecto, pero proporciona la posibilidad de realizar varios sustratos o escenarios dentro del modelo. Es decir, permite definir flujos, stocks y demás elementos de distintas formas dentro de un mismo modelo, para analizar distintos resultados. Por último aparecen las pestañas de “Scales and Ranges” (Escalas y Rangos) y “Documentation” (Documentación). La primera de ellas nos permite determinar rangos para los valores de los elementos, la precisión de los datos, mostrar los resultados como porcentajes, etc. En la última pestaña, la de “Documentation”, podemos introducir una descripción escrita del elemento, o escribir cualquier cosa que pueda interesar sobre el elemento.

3.3.2. Estructura general del modelo El modelo que se ha realizado representa los flujos de carbono que se producen entre los reservorios de este elemento en la atmósfera, la biomasa y el suelo de una masa forestal monoespecífica de Picea abies en el Tirol austriaco (Figura 9). En consecuencia, este modelo, se ha estructurado en dos módulos: -

Módulo 1: “Aboveground Biomass” (Biomasa aérea)

-

Módulo 2: “Soil” (Suelo)

En el modulo de Biomasa aérea se recrea la parte del ciclo de C que se desarrolla desde que entra en el sistema del árbol hasta que sale de éste y se acumula en forma de desechos y hojarasca en la superficie del suelo forestal, pasando por la distintas partes del árbol, incluyendo las raíces a pesar de que esta biomasa no sea estrictamente aérea.

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Directamente relacionado con el modulo de Biomasa aérea se encuentra el modulo de Suelo, en el que se representan los intercambios de carbono entre los distintos horizontes del suelo, acabando en un stock que representa el carbono desprendido en la respiración total del sistema, “Total Respiration” (Respiración Total). Las relaciones de intercambio con la atmósfera se resumen como flujos de entrada y salida en ambos módulos, sin la necesidad de crear un módulo propio para la atmósfera. En la figura 9 se representa un esquema general. Cabe destacar, que la conexión del los flujos dentro del modelo, especialmente en el módulo de biomasa aérea, no pretende necesariamente explicar un funcionamiento fisiológico de la planta, sino que representa la distribución del carbono en los diferentes stocks del sistema, incluidos los distintos elementos que forman parte del mismo (sean estas ramas, raíces, etc).

Figura 9. Esquema general del modelo realizado en STELLA 10.0.

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3.3.2.1. Estructura del módulo de Biomasa aérea Los parámetros o coeficientes utilizados en el desarrollo del módulo de la biomasa aérea han sido extraídos, la gran mayoría, del artículo “BGC-Model parameters for tree species growing in central European forests” (Parámetros del modelo BGC para el crecimiento de especies arbóreas en bosques de Europa central) de Pietsch y colaboradores (Pietsch et al, 2005). Los parámetros utilizados son específicos de la zona, por lo que no se puede extrapolar a todas las masas de Picea abies de manera inmediata.

El módulo de Biomasa aérea (Figura 10) se relaciona con la atmósfera mediante un flujo de NPP (“Net Primary Production”: Producción Primaria Neta), entendiendo como tal la cantidad de carbono total que entra al sistema del árbol, descontada la cantidad de carbono que se desprende en la respiración de la planta, o también llamada respiración de mantenimiento. 

Stocks y Flujos

El módulo de Biomasa aérea que representa el conjunto de la planta está dividido en cinco stocks: “C STEM WOOD” (C en madera del tronco), “C LEAVES” (C en hojas), “C BRANCHES” (C en ramas), “C FINE ROOTS” (C en raíces finas), “C COARSE ROOTS” (C en raíces gruesas) y “C LIVE WOOD” (C en madera viva). Los distintos stocks de este módulo están relacionados a través del tronco (“C STEM WOOD”), que es el stock a partir del cual podemos sacar prácticamente todas las relaciones con los otros stocks. -

“STEM WOOD”: Este stock representa la cantidad de carbono que se acumula en el tronco en forma de madera en kgC/ha y va determinado por el flujo “C to Stem”, definido gráficamente en el capítulo de Cálculos del modelo STELLA (4.1.1. Módulo de Biomasa aérea).

-

“C LEAVES”: En este stock temporal se muestran los kgC/ha correspondientes a las acículas que se encuentran en la planta a lo largo del periodo de tiempo definido en el modelo, en este caso no es una acumulación de todas las acículas que ha generado la planta sino solamente las que se encuentran en el árbol en ese momento. El tiempo de 35


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tránsito de este stock temporal es de 5 años, que son los años de vida media de las acículas (comunicación personal, Robert Jandl). El flujo de carbono que alimenta a C LEAVES para la picea en el Tirol está definido por la siguiente ecuación (Pietsch et al, 2005): (Ec.1)

Figura 10. Estructura del módulo de la Biomasa aérea en el modelo realizado en STELLA 10.0.

-

“BRANCHES”: En este stock se representan los kgC/ha que se encuentran en ese momento en el árbol, sin tener en cuenta las ramas que se han perdido a lo largo de la vida de la planta. Este stock está alimentado por el flujo “C to Branches” definido por la siguiente ecuación para la picea en el Tirol (comunicación personal, Robert Jandl):

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(Ec.2) A su vez este mismo stock posee un flujo de salida (“Branches turnover”), que representa las ramas que dejan de formar parte del árbol y pasan a ser desecho. Este flujo viene definido por la siguiente ecuación (comunicación personal, Robert Jandl):

(Ec.3)

-

“FINE ROOTS”: Este conveyor o stock temporal representa la cantidad de carbono en kgC/ha que forma parte de las raíces finas en ese momento. El tiempo de tránsito de “FINE ROOTS” es de 1 año, ya que se considera que las raíces finas de picea en el Tirol se renuevan cada año (comunicación personal, Robert Jandl). Y está alimentado por el flujo “C to Fine Roots” que se define por la siguiente ecuación (Pietsch et al, 2005):

(Ec.4)

-

“COARSE ROOTS”: En este stock se acumula todo el carbono destinado por la planta para generar raíces gruesas, esta medido en kgC/ha y no se contempla que posea pérdidas por lo que no actúa sobre él ningún flujo de salida. Este stock es alimentado por el flujo “C to Coarse Roots” determinado por la siguiente ecuación (Pietsch et al, 2005):

(Ec.5)

-

“LIVE WOOD”: En último lugar se considera este stock que representa la parte de la madera que cada año está viva, una cantidad muy pequeña de carbono en comparación con el resto de la planta. Al igual que los demás está medido en kgC/ha. Y posee un flujo de entrada de carbono (“C to Live Wood”) definido por la siguiente ecuación (Pietsch et al, 2005): (Ec.6)

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Aunque no es un parte muy representativa en lo que a cantidad de carbono se refiere, también posee un flujo de salida determinado por la siguiente ecuación (Pietsch et al, 2005): (Ec.7)

-

“LITTERFALL” (Desechos, hojarascas): Al final del módulo de Biomasa aérea encontramos este stock, que representa la cantidad de carbono que se desprende de la planta de forma natural y acaba en la superficie del suelo forestal. El stock de desechos está alimentado por varios flujos de entrada. El primero, y que ya hemos definido anteriormente, es el flujo “Branches turnover”. Posteriormente aparece un flujo llamado “Leaves and Fine Roots turnover”, que representa la suma de las acículas y las raíces finas que se han desprendido de la planta. Este flujo está definido por la siguiente ecuación (Pietsch et al, 2005):

(Ec.8)

Este flujo viene a su vez de un stock que sirve únicamente como recipiente requerido por el software para poder albergar la suma de raíces finas y acículas desprendidas (“Leaves and Fine Roots”), alimentado por un flujo que simplemente expresa nuevamente la suma de raíces finas y acículas (“Leaves and Fine Roots falling”). Por otro lado aparecen dos flujos de entrada al stock “LITTERFALL”. El primero es el correspondiente a la madera viva, que ya hemos definido. El segundo es el que proviene de la mortalidad natural de arboles enteros dentro de la masa forestal (“Whole plant mortality”) y está definida por la siguiente ecuación (Pietsch et al, 2005):

(Ec.9)

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Con la finalidad de obtener los datos de raíces totales y biomasa total que permanece en la masa, se han creado en el margen del modelo dos stocks con este propósito.

-

“ROOTS” (Raíces): En este stock se ha introducido un flujo con el C entrante en las raíces gruesas y el C entrante en las raíces finas. Este flujo se ha definido como “Roots incoming” (entrada en raíces):

(Ec.10)

Por otro lado se ha generado un flujo de salida que representa las raíces finas que se desprenden del árbol, ya que se considera insignificante la cantidad de raíces gruesas que se pierden a lo largo de la vida de la planta. Esta pérdida de carbono viene representado por el flujo “Roots turnover” (Rotación de raíces):

(Ec.11)

-

“Biomass” (Biomasa). En el caso del C total de la biomasa se ha generado un stock llamado “Biomass” (Biomasa). En este stock se ha introducido, por un lado, un flujo de entrada constituido por todas las entradas de C a las partes de la planta aérea (C to Stem, C to Branches, etc) y definido como “Biomass input” (input de biomasa):

(Ec.12)

Y por otro lado, se ha definido el flujo “Biomass output” (output de biomasa), constituido por todos los flujos de rotación que suponen una pérdida de C para las partes de la planta (Branches turnover, leaves turnover, etc):

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(Ec.13)

A modo de control para poder comparar con los datos sobre los que nos hemos basado para realizar el modelo, aparece un convertidor que representa el Índice de Superficie Foliar (“LAI”: Leaf Area Index) y viene representado por la siguiente ecuación para Picea en el Tirol (Hasenauer et al, 2012): (Ec.14)

-

Conexión con el módulo del Suelo

“LITTERFALL” es el stock de C del módulo de la Biomasa aérea que está directamente relacionado con el módulo de Suelo, ya que constituirá el flujo de entrada de C hacia este segundo módulo. Para realizar esta unión se ha utilizado una función del programa STELLA 10.0 que permite relacionar distintos módulos dentro de un mismo modelo. Para conseguir esta unión hay que nombrar a un elemento del primer módulo, en nuestro caso el módulo de la Biomasa aérea, como “Provide Output” (Proveer información de salida) y generar un elemento nuevo en el segundo módulo (Módulo de Suelo) y definirlo como “Accept Input” (Aceptar información de entrada). A continuación, al elemento nuevo del segundo módulo se le asigna que acepte la información de entrada del elemento que hemos definido como “Provide Output” en el primer módulo. De esta manera, hemos configurado el stock de C “LITTERFALL” dentro del módulo de Biomasa aérea como “Provide Output” y posteriormente se ha generado un stock en el módulo de Suelo que se ha configurado como “Accept Input”. Seguidamente, le hemos asignado al stock “LITTERFALL” del módulo de Suelo que acepte la información del stock “LITTERFALL” del módulo de Biomasa aérea. Automáticamente, el programa nos nombra al nuevo stock del módulo de Suelo como “Aboveground Biomass LITTERFALL”. De esta forma el programa nos ha generado una relación entre estos dos stocks, en la que todo lo que entra en “LITTERFALL”

40


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

del módulo de Biomasa aérea se refleja en el stock “Aboveground Biomass LITTERFALL” del módulo del suelo.

3.3.2.2. Estructura del módulo del Suelo La organización del módulo del Suelo está inspirado fundamentalmente en el modelo ROTHC26.3 (Rothamsted Research, 1999) y se ha desarrollado una adaptación para nuestra zona de estudio. 

Adaptación del modelo RothC-26.3

RothC-26.3 es un modelo del ciclo del carbón orgánico en suelos no encharcados, que permite predecir los efectos del tipo de suelo, temperatura, contenido de humedad y cubierta vegetal en el proceso de descomposición del carbono. Este modelo utiliza un paso del tiempo mensual para calcular la cantidad total de carbono orgánico (t/ha), carbono de la masa microbiana (t/ha) y ∆14C (a partir del cual se puede calcular la edad equivalente del radiocarbono), en una escala temporal de años a siglos (Jenkinson et al. 1987; Jenkinson, 1990; Jenkinson et al. 1991; Jenkinson et al.1992; Jenkinson & Coleman, 1994). El RothC-26.3 necesita varios datos de entrada de fácil obtención. Es una extensión del modelo descrito por Jenkinson y Rayner (1977) y por Hart (1984).

RothC-26.3 fue originalmente desarrollado y parametrizado para modelizar la rotación del carbono orgánico en suelos de cultivo en experimentos de campo a largo plazo en Rothamsted, de ahí el nombre. Posteriormente fue extendido para modelizar la rotación en praderas, en suelos forestales y para operar en diferentes suelos y bajo diferentes climas.

En este proyecto fin de carrera se ha tomado como base el modelo RothC-26.3 y se han introducido una serie de cambios, en forma de parámetros y factores de corrección, para adaptar este modelo a las características de nuestra zona.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Estructura

Figura 11. Estructura del modulo de Suelo en el modelo realizado mediante STELLA 10.0.

Tramo 1: Descomposición del residuo de material vegetal

El módulo del Suelo (Figura 11) está relacionado con el módulo de la Biomasa aérea a través del stock “Aboveground Biomass LITTERFALL”, tal y como se ha explicado anteriormente. A partir de este stock aparece un flujo (“Litter flux”) que introduce en el Suelo la cantidad de C proveniente del módulo de Biomasa aérea. El flujo “Litter flux” relaciona el stock “Aboveground Biomass. LITTERFALL”, proveniente del módulo de Biomasa aérea, con el stock “Litterfall” perteneciente única y exclusivamente al módulo de Suelo. La relación reflejada en el flujo es la siguiente: (Ec.15) 42


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

El stock “Aboveground Biomass. LITTERFALL” está dividido entre 100 debido a que el software STELLA, al definir un flujo mediante un conector unido directamente a un stock, introduce cada año la acumulación obtenida en el stock. Lo cual, en nuestro caso sería un error, ya que, por ejemplo, en el año 35 no pasa al suelo el carbono correspondiente a todos los desechos acumulados durante esos treinta y cinco años, sino los correspondientes solamente al año 35. Por lo que dividiendo entre 100 (que son los años de estudio considerados en nuestro modelo) conseguimos ajustar el flujo anual de carbono del stock de “LITTERFALL” de la parte aérea, para ser incorporado en el módulo de Suelo. Una vez llega el carbono al stock de “Litterfall”, se reparte entre los flujos “Litterfall Respiration” (respiración de los desechos), “Incoming of Decomposable” (entrada de carbono lábil) e “Incoming of Resistant” (entrada de carbono recalcitrante). El flujo de C “Litterfall Respiration” viene definido por un factor, para la picea en el Tirol, que representa el 15% del carbono acumulado en el stock “Litterfall” cada año (comunicación personal, Robert Jandl). En el caso de los flujos “Incoming of Decomposable” e “Incoming of Resistant”, se definen por los ratios 50,15% y 34,85%, respectivamente (Coleman & Jenkinson, 1999). Al haber introducido la respiración de los desechos y extraer un 15% de la acumulación de carbono en el stock “Litterfall”, se realiza un sencillo calculo, para modificar los valores originales del modelo RothC-26.3, que suponían un 59% y un 41% del total acumulado en el stock “Litterfall”, respectivamente. Así, quedan definidos los flujos por las siguientes ecuaciones:

(Ec.16) (Ec.17)

(Ec.18)

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Figura 12. Esquema de los flujos de entrada del carbono proveniente de los residuos hacia los stocks “DPM”, “RPM” y la respiración de los residuos, en el modelo realizado mediante STELLA 10.0.

Estos flujos van a parar a los stocks de “DPM” (“Decomposable Plant Material” o Material vegetal lábil), “RPM” (Resistant Plant Material” o Material vegetal recalcitrante) y “Rh” (“Heterotrophic Respiration” o Respiración heterótrofa), respectivamente (Figura 12). Tramo 2: Flujos “Decline”

Figura 13. Representación de los flujos “Decline” en el modelo realizado mediante STELLA 10.0.

A partir de los stocks “DPM” y “RPM”, aparecen los flujos “Decline” (Descenso) (Figura 13), que expresan la cantidad de carbono en forma de material de planta que se descompone, pasando de los compartimentos superiores del suelo (“RPM” y “DPM”), a los compartimentos inferiores 44


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(“BIO” y “HUM”) y a la respiración heterótrofa. Los compartimentos “BIO” y “HUM” representan el carbono que se acumula en forma de microorganismos y en forma de compuestos húmicos respectivamente y también poseen unos flujos “Decline” de salida hacia la respiración heterótrofa y de humificación, hacia “HUM” y consumo, hacia “BIO”. Los flujos “Decline” vienen definidos por una serie de factores que representan la influencia de elementos del medio en la descomposición del carbono en el suelo. Estos factores vienen determinados por distintas letras y son los siguientes:

-

“a” es el factor que determina el efecto de la temperatura.

-

“b” es el factor que determina el efecto de la humedad.

-

“c” es el factor que determina el efecto de la cobertura vegetal.

-

“k” es el factor de descomposición de cada tipo de compartimentlo del suelo (kRPM, kDPM, kBIO y kHUM).

-

“t” es el factor que determina el efecto del tiempo y su valor es 1/12 siempre que “k” se trate de forma anual.

Si un compartimento activo contiene “Y” tC/ha, este desciende hasta (

) tC/ha al final

del mes, por lo tanto, la cantidad de material en un compartimento que se descompone en un mes será (Coleman & Jenkinson, 1999): (Ec.19) Por lo tanto, obtendremos las siguientes ecuaciones que definirán los distintos flujos “Decline” que aparecen en el modelo:

(Ec.20)

(Ec.21)

(Ec.22)

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(Ec.23)

Tramo 3: Flujos “Uptake” y “Humification” El carbono proveniente tanto del “RPM” y el “DPM” como del “BIO” y el “HUM”, definido anteriormente, se reparte entre el carbono que se desprende en la respiración (“Respiration”), el carbono que es consumido por los microorganismos y pasa a formar parte de estos (“uptake”) y el carbono que pasa a formar parte del Humus (“humification”). La proporción de carbono que va a la respiración y la que va a “BIO+HUM” viene definida por el % de arcilla (Coleman & Jenkinson, 1999):

(Ec.24)

Donde, “%clay” es el porcentaje de arcilla en el suelo.

Una vez determinada la cantidad de carbono que se desprende en la respiración y la parte que se transforma en “BIO+HUM”, se estipula que el 46% del “BIO+HUM” es consumido por los organismos para formar parte de “BIO” y el 54% se transforma en “HUM” (Coleman & Jenkinson, 1999). Esta relación viene determinada por el modelo ROTHC-26.3. En nuestro caso, estas proporciones no tienen por qué funcionar de la misma manera, ya que se trata de un suelo forestal en el Tirol. Por lo que, tanto los flujos de “uptake” y “humification”, como los flujos de “Respiration” han sido multiplicados por 1,5. Este factor ha sido establecido mediante distintos ensayos de ajuste (prueba y error), ya que se poseían los datos deseados de salida del modelo.

-

Flujos “DPM uptake” y “RPM uptake”

Estos flujos representan la cantidad de carbono de los stocks “DPM” y “RPM” que es consumida por los microorganismos, pasando a formar parte del stock “BIO” (Figura 14). La formulación de los mismos se ha puesto a punto expresamente en este proyecto fin de carrera y los cálculos necesarios se detallan en Cálculos del modelo STELLA (capítulo 4):

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(Ec.25)

(Ec.26)

-

Flujos “DPM humification” y “RPM humification”

Estos flujos representan la cantidad de carbono perteneciente a los stocks “DPM” y “RPM” que es humificada pasando a formar parte del stock “HUM”. La formulación de los mismos se ha puesto a punto expresamente en este proyecto fin de carrera y los cálculos necesarios se detallan en Cálculos del modelo STELLA (capítulo 4):

(Ec.27)

(Ec.28)

Figura 14. Representación de los flujos “uptake” en el modelo realizado mediante STELLA 10.0.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

-

Flujos “BIO uptake” y “HUM uptake”

En el caso del flujo “BIO uptake”, este representa la cantidad de carbono que formando parte de los microorganismos, pasa a formar parte, nuevamente, de estos mismos. En el caso de “HUM uptake”, el flujo determina la cantidad de carbono que pasa del stock “HUM” al stock “BIO” (Figura 14). La formulación de los mismos se ha puesto a punto expresamente en este proyecto fin de carrera y los cálculos necesarios se detallan en Cálculos del modelo STELLA (capítulo 4):

(Ec.29)

(Ec.30)

-

Flujos “BIO humification” y “HUM humification”

En el caso del flujo “BIO humification”, se trata de la cantidad de carbono perteneciente al compartimento de los microorganismos, es humificado y pasa a formar parte del stock “HUM”. En el caso del flujo “HUM humification”, este representa parte del contenido del stock “HUM” que sale de este stock, para volver al mismo. La formulación de los mismos se ha puesto a punto expresamente en este proyecto fin de carrera y los cálculos necesarios se detallan en Cálculos del modelo STELLA (capítulo 4):

(Ec.31)

(Ec.32)

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Tramo 4: Flujos “Respiration” Como hemos dicho en el apartado anterior, el flujo de carbono proveniente de “DPM”, “RPM”, “BIO” y “HUM” se divide en dos partes, “BIO+HUM” y “Respiration”. El flujo “Respiration” supone el carbono que se desprende a la atmosfera, proveniente de los procesos de transformación de la materia orgánica en el suelo. A parte del flujo “Litterfall Respiration”, que ya mencionamos anteriormente, se han considerado otros cuatro flujos provenientes de sendos compartimentos o stocks que encontramos en el suelo (DPM, RPM ,BIO y HUM). Estos flujos vienen definidos por las siguientes ecuaciones (cálculos realizados en el capítulo de Análisis y Resultados):

(Ec.33)

(Ec.34)

(Ec.35)

(Ec.36)

Todos estos flujos “Respiration” van a parar al stock “Rh” (Respiración heterótrofa), y de ahí, mediante el flujo “Heterotrophic Respiration”, se acumula todo el carbono perteneciente a la respiración heterótrofa en el stock “Rt” (Respiración total), donde se juntará con la respiración autótrofa (Figura 15).

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Por otro lado, encontramos el flujo “Roots Respiration” (Respiración de las raíces), el cual representa el carbono que se desprende debido a la respiración y exudación de las raíces. Esta respiración representa también el total de la respiración autótrofa y está definida de forma gráfica por medio de una función sigmoide (comunicación personal, Robert Jandl). Después de pasar por el stock “Ra” (Respiración autótrofa), todo el carbono proveniente de la respiración de las raíces se acabará acumulando, junto con el carbono proveniente de la respiración heterótrofa, en el stock “Rt”.

Figura 15. Izquierda: stock “Rh” y sus entradas de carbono, procedentes de “BIO”, “HUM”, “DPM” y “RPM”; Derecha: stock “Ra” y su entrada de carbono procedente de la respiración de las raíces; Abajo: stock “Rt” y sus entradas de carbono procedentes de la respiración autótrofa y heterótrofa.

Tramo 5: Stocks de cálculo

Al igual que en el módulo de Biomasa aérea, en este módulo se han introducido unos stocks para poder obtener la cantidad total de carbono el suelo, respiración heterótrofa y respiración autótrofa. En el caso de la cantidad total de carbono en el suelo, se ha creado un stock, “C in Soil” (Carbono en el Suelo), en el cual se han conectado un flujo de entrada y un flujo de salida. El flujo de entrada está constituido por todas las entradas de carbono en los diferentes compartimentos del suelo (DPM uptake, BIO humification, Incoming of Resistant, etc) y se ha definido como “Soil incoming” (entrada en el suelo):

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(Ec.37)

El flujo de salida está constituido por los flujos que representan una pérdida de carbono en los compartimentos del suelo, es decir, los flujos “Decline”. Este flujo está definido como “Soil decline” (disminución de suelo):

(Ec.38) Con el fin de obtener el balance de carbono del sistema o intercambio de carbono atmósfera – sistema, se ha crea do un stock (Balance de carbono). En este stock se ha creado un flujo de entrada (“Respiración”) en el que se introduce la respiración heterótrofa y la respiración autótrofa:

(Ec.39) Por otro lado se ha creado un flujo de salida (“Entrada de NPP”):

(Ec.40)

3.3.3 Datos de partida Para la elaboración del modelo se disponían de unos datos de entrada ostros de salida, que se han intentado alcanzar mediante la simulación que ofrece este modelo. Los datos utilizados son mediciones de campo experimentales realizadas en la zona de estudio en el año 2009 por colaboradores del Dr. Jandl (BFW) en el área de estudio, que nos han sido facilitados por él.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

El modelo se ha diseñado para un periodo de tiempo de 100 años. 

Módulo de Biomasa

Datos de control

En el módulo de la biomasa el dato de partida principal ha sido la cantidad de carbono almacenado en forma de madera de tronco (“STEM WOOD”). El dato de partida, en este caso, es de 110 (MgC/ha). Otro de los datos que se han tenido bastante en cuenta a la hora de ajustar el modulo de la biomasa, en un principio, ha sido el carbono almacenado en forma de desechos (“LITTERFALL”), partiendo de un flujo anual de 1425 kg ha-1 año-1 (Mikovits, 2009).

Tanto estos como otros datos de partida tenidos en cuenta en el módulo de la biomasa se expresan en la Tabla 1. Stock de carbono STEM WOOD LEAVES ROOTS LITTERFALL

Acumulación en 100 años (MgC/ha) 110 7.2 23.5 142.5

Tabla 1. Acumulación de carbono en 100 años en distintos stocks del modelo realizado en STELLA 10.0.

Datos de entrada

El dato de entrada fundamental de nuestro modelo se encuentra en el módulo de la biomasa y este es la entrada de carbono desde la atmósfera. En este caso, hemos expresado esta entrada de carbono al sistema como la cantidad de carbono que entra a formar parte de madera de tronco, en forma de incremento corriente anual (CAI, del inglés current anual increment). Este dato se ha introducido de una forma gráfica y el CAI se ha extraído de la tabla (Marschall, 1975) (ANEXOS).

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Módulo del Suelo

Datos de control En el módulo del suelo el dato de referencia ha sido la respiración total del sistema (“Rh”), 5250 (kgC · ha-1 · año-1). Y se parte de que la mitad de esta respiración es respiración autótrofa y la otra mitad es respiración heterótrofa (Tabla 2) (Mikovits, 2009).

Flujo de carbono Respiración heterótrofa Respiración autótrofa TOTAL

Flujo (kgC · ha-1 · año-1) 2625 2625 5250

Tabla 2. Flujo de carbono de las respiraciones heterótrofa y autótrofa en el año 100 en el modelo realizado mediante STELLA 10.0.

Datos climáticos -

Temperatura: como datos de temperatura se han determinado un máximo y un mínimo anual (www.urlaubplanen.org).

-

% de arcilla: En el caso de nuestro suelo tenemos un 20% de arcilla

-

Cobertura vegetal: La zona de estudio es una zona boscosa, por lo que se adjudica un valor de 0,6 al factor “c” de efecto de la cobertura vegetal sobre la descomposición del carbono.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

3.4. Software específico para la modelización del ciclo del C: CO2Fix 3.4.1. Características generales El modelo CO2FIX se generó dentro del proyecto CASFOR (“Fijación de carbono en repoblación forestal y manejo forestal sostenible”), a través del programa de la Unión Europea INCO-DC. El proyecto CASFOR fue un esfuerzo multi-institucional llevado a cabo por distintos países, incluso ajenos a la Unión Europea: ALTERRA de los Países Bajos, el Instituto de Ecología de

la Universidad Nacional de México, el Centro Agronómico Tropical de

Investigación y Enseñanza (CATIE) de Costa Rica y por el Instituto Europeo Forestal de Finlandia.

El modelo de fijación de carbono CO2FIX fue desarrollado originalmente por Mohren y Goldewijk en el Instituto de Investigaciones Forestales y de Ecología Urbana de Holanda, en 1990. Se basa en una simulación del ciclo del carbono para rodales forestales (stands) bajo manejo selvícola. En un principio, fue concebido para masas monoespecíficas y regulares (Mohren & Goldewijk, 1990; Nabuurs & Mohren, 1995; Ordóñez 1998; De Jong et al, 1998). Con el modelo se puede calcular el carbono total capturado a nivel de una plantación, incluyendo biomasa aérea y suelo.

La tarea de adaptación y mejora del modelo original se llevó a cabo por el Laboratorio de Bioenergía del Instituto de Ecología de la UNAM (México) y el Instituto Forestal y de Investigación Natural de Holanda, colaboración que dio lugar a la versión 1.2., del modelo CO2FIX para Windows (para más detalles ver Mohren et al., 1997).

El modelo se ha mejorado dando lugar a distintas versiones más flexibles y aplicables en situaciones variables. La versión 2, por ejemplo, se diferencia de anteriores porque permite analizar masas mixtas e irregulares, o ser aplicada en sistemas forestales muy variados (incluso en sistemas agroforestales y silvopastorales). Además, en esta última versión se puede estudiar la influencia de distintos rodales dentro de una masa forestal. Cada uno de estos rodales se define como un grupo de árboles independientes, o como un grupo de especies de crecimiento similar, 54


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

que se tratarán como una misma unidad (Alder y Silva, 2000). Por otro lado permite considerar sistemas selectivos de corta y la mortalidad inducida por las actuaciones selvícolas. Esta versión 2 está dividida en tres módulos principales: Biomasa, Suelo y Productos, y los resultados se presentan en forma de tabla y gráficamente.

La última versión que se ha desarrollado del modelo es la versión 3.2., que es con la que se va a trabajar en este proyecto fin de carrera.

El modelo CO2FIX se ha aplicado en diferentes ecosistemas forestales del mundo: bosque tropical lluvioso, bosque boreal y bosque templado. Con él se han representado diversos sistemas como el de la picea (Picea abies) en las montañas centrales de Europa, el abeto de Douglas (Pseudotsuga menziessii (Mirb.)Franco) en el Pacífico noroeste de los Estados Unidos, el abeto Slash (Pinus elliottii Engelm.) en Brasil, el pino caribbea (Pinus caribaea Morelet) en Brasil y Venezuela, y Pinus radiata D. Don en Nueva Zelanda y Australia (ver Nabuurs y Mohren, 1993). 

Estructura del CO2FIX vo 3.2.

CO2Fix vo 3.2. es un modelo que está estructurado en seis módulos (Figura 16): 1. Módulo de biomasa 2. Módulo del suelo 3. Módulo de productos 4. Módulo de bioenergía 5. Módulo financiero 6. Módulo de contabilidad de carbono

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Figura 16. Esquema del funcionamiento del modelo CO2FIX 3.2.

El módulo de la Biomasa convierte, con la ayuda de parámetros adicionales,

datos de

incrementos volumétricos anuales netos en acumulaciones anuales de carbono. El turno y los parámetros de selvicultura conducen los flujos de carbono hacia los compartimentos del suelo y productos. En el módulo del Suelo, la descomposición de residuos y restos de corta es simulada usando información básica sobre el clima y la composición de los residuos. El destino del carbono extraído en la selvicultura se determina en el módulo de productos, usando parámetros como eficiencia de la selvicultura, longevidad de los productos y reciclaje. En el módulo de Bioenergía, productos desechados en el módulo de productos pueden ser usados para generar energía, usando diversas tecnologías. El módulo de Contabilidad de carbono registra todos los flujos de carbono desde y hacia la atmósfera y determina los efectos de los escenarios elegidos, usando diferentes aproximaciones de cálculo. Por último, el módulo Financiero utiliza los costes

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

y los ingresos del aprovechamiento de la masa para determinar la rentabilidad de los distintos escenarios. En CO2FIX 3.2. tanto los flujos y acumulaciones de carbono como los costes y beneficios están simulados en escala de hectáreas con intervalos de tiempo de un año. 

Menú principal y Parámetros Generales

En la figura 17 se observa la barra de herramientas principal del software CO2FIx 3.2. , donde aparecen, de izquierda a derecha, los siguientes iconos: -

Seis iconos estándar (Nuevo, Abrir, Guardar, etc)

-

Un icono para configurar los “Parámetros Generales” del proyecto

-

Seis iconos para la parametrización de los seis módulos (biomasa, suelo, productos, bioenergía, módulo financiero y contabilidad del carbono).

-

Un icono para abrir varias ventanas simultáneamente

-

Seis iconos para ver los datos de salida de diferentes maneras

-

Un icono de ayuda de CO2Fix

Figura 17. Barra de herramientas del software CO2FIX 3.2.

El icono de Parámetros Generales permite crear distintos escenarios y en cada uno de ellos se pueden introducir comentarios, parámetros generales y especie. En la parte de Comentarios, se puede especificar cualquier información escrita, como por ejemplo, la localización del escenario o el origen de los datos. En la pestaña de Escenario podemos crear los escenarios, dándoles un nombre y una pequeña descripción. En la apartado de Parámetros Generales, se puede introducir diferente información, como por ejemplo, el tiempo de duración de la simulación, el máximo de biomasa que puede haber en la masa y en función de que parámetros se expresará el crecimiento, la mortalidad o la competencia de los pies. En la pestaña de Especie puedes decidir que especies componen cada escenario y si son coníferas o frondosas. 57


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Módulo de Biomasa

El factor que determina el funcionamiento de cada especie en el módulo de biomasa es la producción de madera de tronco, medida en volumen por hectárea. En este apartado también se introduce la densidad de la madera y el contenido de carbono de ésta (Figura 18). Multiplicando estos tres factores obtendremos la cantidad de carbono. Los flujos hacia los otros tres compartimentos de la biomasa (raíces, ramas y hojas) están determinados por el crecimiento de éstos, relativo a la producción de madera de tronco y sus respectivos contenidos en carbono. Los desechos de la biomasa, así como los restos de cortas serán tomados en cuenta en el módulo del suelo.

En este caso, el crecimiento de la masa está expresado en función de la edad de los pies. El crecimiento en volumen de la madera de tronco es llamado CAI. En este proyecto, se ha introducido el incremento corriente anual cada 10 años, a partir del año 30, y el mismo modelo realiza una interpolación para asignar un valor a los 30 primeros años que no tienen, inicialmente, un valor de CAI.

Como se ha dicho anteriormente, el crecimiento de la biomasa de ramas, raíces y hojas viene expresado como fracciones, relativas al crecimiento del tronco. Estas fracciones pueden variar en función de la edad. La siguiente ecuación representa este crecimiento:

(Ec.41)

Donde: Fi = coeficiente relativo a cada apartado de biomasa Bi = crecimiento de la biomasa (ramas, raíces o hojas) Bs = crecimiento del tronco En el apartado correspondiente a ramas, raíces y hojas aparece una tasa de mortalidad que hay que introducir y representa el porcentaje de esa biomasa que pasa a ser desechos cada año. El

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apartado del tronco no posee una mortalidad separada, sino que es definida en el apartado de mortalidad, más adelante.

El programa CO2FIX toma estos datos introducidos como referencia y hace interpolaciones para obtener el crecimiento cada año.

Figura 18. Cuadro de control del módulo de la Biomasa aérea en el software CO2FIX 3.2.

Mortalidad de la Biomasa

En el modelo CO2FIX la mortalidad referente a cada rodal está separada en dos tipos: mortalidad natural, debida a la senescencia y a la competencia y la mortalidad que se produce debida a los trabajos de gestión de la masa. En este proyecto solo se ha introducido el primer tipo, suponiendo que cuando se realizan cortas no se daña la masa que permanece.

En el CO2FIX, la mortalidad natural es introducida como una fracción de la masa existente. Esta fracción varía con la edad de la masa o con el ratio entre masa actual y el máximo de masa alcanzable, dependiendo del método de crecimiento que hayamos elegido al principio. El método elegido en este proyecto ha sido dependiendo de la edad de la masa. En general, la mortalidad será mayor cuando la masa es joven y existe una gran competencia. En edades medias y

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especialmente cuando existe una selvicultura, la mortalidad es baja y sube cuando la masas alcanza su edad máxima. En el módulo de biomasa también aparecen los apartados de “Managment mortality” (mortalidad en la gestión) y “Competition” (Competencia). Pero en este proyecto fin de carrera, al no ser estos datos de utilidad para él mismo, no se han utilizado, por lo que no se desarrollarán en esta descripción.

Gestión de la masa

Con el CO2FIX dos tipos de trabajos de gestión son posibles: claras y cortas finales. Otras actividades selviculturales como drenajes y fertilización no son posibles de parametrizarse, pero sus efectos pueden ser introducidos cambiando el crecimiento corriente anual, mencionado anteriormente.

Una clara está definida por los siguientes parámetros:

-

Edad en la que se realiza la clara

-

Intensidad de la clara (fracción de masa que se extrae)

-

Distribución de la biomasa en los diferentes destinos (madera para triturar, para pasta de papel o madera de sierra)

Una corta final vendrá simulada en el modelo, como una corta en la que se extrae el 100% de la masa.

La madera de tronco y las ramas pueden ser destinadas tanto a madera de sierra, como a pasta de papel como a madera para triturar. En el caso de las hojas solo pueden destinarse a trituración y las raíces son tratadas como desechos. La edad en la que se realiza la corta, la fracción de masa extraída y los tantos por uno de biomasa que será destinada a cada uno de los tipo de materia prima anteriores, se introducen en el cuadro de Biomasa aérea en el apartado de gestión de la masa. De izquierda a derecha tenemos: Edad de corta, fracción extraída, madera de tronco 60


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destinada a sierra, madera de tronco destinada a pasta de papel, madera de tronco destinada a trituración, madera de ramas destinada a sierra, madera de ramas destinada a pasta de papel, madera de ramas destinada a trituración, hojas destinadas a trituración, astilla utilizada para combustión y astilla que se deja en el suelo. 

Módulo del Suelo

En el modelo CO2FIX se utiliza la dinámica del carbono en el suelo del modelo Yasso (Liski et al. 2003b). El modelo describe la descomposición y la dinámica del carbono en suelos bien drenados. La versión actual esta calibrada para calcular el almacenamiento total de carbono en el suelo, sin hacer distinción entre las distintas capas de este. El modelo se puede utilizar tanto para bosques de coníferas como de frondosas. Está diseñado para describir apropiadamente los efectos del clima en la descomposición de distintos tipos de residuos en una amplia gama de ecosistemas, desde la tundra ártica hasta el bosque tropical (Liski et al. 2003a).

Estructura del módulo del suelo

El módulo del Suelo consiste en tres compartimentos de residuos y cinco de descomposición (Figura 19). Los residuos son generados en el módulo de la biomasa a través de la rotación de la biomasa, la mortalidad natural, la mortalidad en la gestión y las astillas que se dejan en el suelo forestal. Para el módulo del suelo, los residuos son agrupados en residuos no leñosos (hojas y raíces), residuos leñosos de pequeño tamaño (ramillas y raíces gruesas) y residuos leñosos de gran tamaño (troncos y tocones). Como en el módulo de Biomasa no se hace distinción entre raíces finas y raíces gruesas, en el módulo del Suelo la separación entre raíces finas y raíces gruesas se hace en relación a la proporción entre los residuos de ramas y residuos de hojas. Cada uno de estos compartimentos de residuos posee una tasa que determina la proporción de su contenido que pasa a los compartimentos de descomposición en un periodo de tiempo. Los residuos están distribuidos en los compartimentos de descomposición entre compuestos extractivos, celulosas y ligninas, en relación a su composición química. Cada compartimento de descomposición tiene una específica tasa de descomposición, determinando la perdida proporcional de su contenido en un periodo de tiempo. Las tasas de fraccionamiento de los 61


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residuos leñosos y las tasas de descomposición están controladas por la temperatura y la disponibilidad de agua.

Figura 19. Compartimentos en los que se divide el módulo del suelo y los flujos de carbono entre ellos, en el software CO2FIX 3.2.

El modulo del suelo consta de dos pestañas, Parámetros Generales y Parámetros del Rodal. En la parte de Parámetros Generales el usuario debe introducir los parámetros climáticos de la zona de estudio (Figura 20). Estos parámetros son: la suma de temperaturas diarias por encima de 0ºC a lo largo de un año o temperatura efectiva (ºC d), precipitación en periodo vegetativo (mm) y evapotranspiración potencial en el periodo vegetativo (PET, mm). CO2FIX es capaz de calcular por sí mismo la suma de temperaturas diarias por encima de 0ºC a lo largo de un año, y la evapotranspiración potencial, a través del botón “Calculate”, introduciendo la temperatura media de cada mes e indicando que meses se consideran dentro del periodo vegetativo.

Dentro del apartado de Parámetros del Rodal, para cada rodal en cada escenario, deben ser definidos los stocks iniciales de carbono en cada compartimento del suelo (es decir, las cajas en 62


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la Figura 19). Esto puede ser realizado manualmente, introduciendo datos ya disponibles. Estos valores iniciales también pueden ser calculados por CO2FIX introduciendo datos, en forma de índice, que indiquen la cantidad de residuos que se desprenden de la planta por hectárea y año (caída de hojas, de ramas…). En este proyecto fin de carrera se han introducido directamente los datos sin tener que utilizar la herramienta de “Calculate initial carbon”, ya que no se poseían los datos de los residuos que se desprenden al año por hectárea y año. En este apartado, encontramos también el botón “Yasso model parameters” (parámetros del modelo Yasso). Mediante este botón, se pueden introducir valores específicos sobre parámetros de calidad química de los residuos, sensibilidad a la temperatura y parámetro inicial de descomposición. El mismo software incorpora dos juegos de parámetros, uno para frondosas y otro para coníferas. En este proyecto fin de carrera se ha utilizado este último.

Figura 20. Cuadro de control del módulo del Suelo en el software CO2FIX 3.2.

Resto de Módulos

El software CO2FIX consta, además de los módulos del Suelo y Biomasa, de otros cuatro módulos, los cuales no se han utilizado en este proyecto, por lo que simplemente se realizará una breve descripción de éstos.

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-

Módulo de Productos: En este módulo se pueden introducir diversos parámetros que definen el destino de la materia prima, su vida media, su recilabilidad, etc.

-

Módulo de Bioenergia: Mediante este módulo se pueden definir diferentes parámetros para definir el poder calorífico del material, su eficiencia energética respecto a otras fuentes de energía…

-

Módulo financiero: A través de este módulo se puede realizar un análisis financiero en el que se tiene en cuenta el coste de gestión de la masa y otros factores.

-

Módulo de contabilidad de carbono: En este módulo se definen factores para poder hacer un seguimiento del carbono desde un puto de vista ambiental, comparando con los valores establecidos por el protocolo de Kyoto.

Salida de Datos

Los datos de salida en CO2FIX se pueden ver expresados en tablas o gráficos. En el menú principal aparecen seis botones referentes a los datos de salida:

-

“Ver tablas de stocks”: genera una tabla que muestra todos los tipos de stocks.

-

“Ver tablas de flujos”: genera una tabla que muestra todos los tipos de flujos.

-

“Ver datos de salida financieros”: genera una tabla que muestra todos los costes y beneficios y NPVs.

-

“Ver créditos de carbono”: genera una tabla que muestra los créditos de carbono de los diferentes métodos.

-

“Ver gráfico de salida”: mediante este botón se visualiza una gráfica donde se visualizan los datos de salida.

-

“Ver opciones”: a través de este botón se pueden seleccionar las alternativas para las tablas y gráficos.

Las tablas generadas pueden ser exportadas en forma de archivo de texto que son importables desde Excel.

64


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3.4.2. Datos de partida para el CO2FIX vo 3.2. 

Parámetros Generales

En primer lugar se han definido los escenarios que se plantean para este proyecto. Los cinco escenarios son hipotéticos y se desarrollan sobre el área de estudio descrito en el apartado 3.1.:

-

S1_Escenario de control: Este escenario se ha desarrollado con el fin de hacer una comparación entre el modelo realizado mediante STELLA 10.0. y el modelo CO2FIX, por lo que los datos que se introducen en este escenario son los extraídos directamente del modelo STELLA.

-

S2_Ideal 120: Se ha definido como un escenario en el que solo se realiza una corta al final del periodo (120 años) y donde no existe ningún tipo de mortalidad, es decir, un escenario en el que el crecimiento de la masa no se ve afectado más que por su índice de crecimiento corriente anual.

-

S3_Ideal 40: Al igual que en el anterior, en este escenario se ha considerado un crecimiento ideal, sin mortalidad, pero en este se decide hacer cortas a hecho cada 40 años. La elección de este turno de corta es simular una gestión del monte con finalidad puramente energética.

-

S4_Real 120: Se ha definido como un escenario en el que solo se realiza una corta al final del periodo (120 años), pero al contrario que en el escenario S2 y S3, en este escenario si se contempla una mortalidad que influye en el crecimiento de la masa, recreando un escenario más real que los dos anteriores. La mortalidad introducida se explicará con más detenimiento en el módulo de biomasa.

-

S5_Real 40: Este escenario, al igual que el anterior, contempla una mortalidad y además que se realicen cortas cada 40 años, como pasaba en el escenario S3.

En todos los escenarios se ha considerado la existencia de un único rodal, definido como rodal de coníferas y una edad de comienzo de la masa de cero años.

65


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Módulo de Biomasa

Los primeros apartados del módulo de Biomasa (tronco, hojas, ramas y raíces) poseen los mismos datos para los cinco escenarios. Entre estos datos, el porcentaje de contenido en carbono y el carbono inicial son comunes, además de a los cinco escenarios, a los cuatro apartados (Tabla 3). Contenido de carbono (MgC/MgDM) Carbono inicial (MgC/ha)

0,5 0

Tabla 3. Contenido en % de carbono de la biomasa y carbono inicial en el módulo de Biomasa aérea

Tronco Edad (años) 1 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Incremento Corriente Anual (m3/ha*año) 1,100 7,869 8,490 8,790 8,680 8,370 7,870 7,270 6,580 5,990 5,492

Tabla 4. Incremento corriente anual introducido en el apartado de tronco del módulo de Biomasa aérea

En el apartado del tronco, se ha introducido un incremento corriente anual extraído de la tabla de rendimientos calculada por Julius Marschall (1975) para la institución forestal en la editorial “Österreichischer Agrarverlag”. Julius Marschall dedujo el crecimiento en grosor de los troncos de las masas de Picea en los Alpes, a través de la monitorización de la superficie ocupada por la masa. Esta tabla nos proporciona datos a partir del año 30, pero CO2FIX realiza una interpolación para los primeros 30 años y les proporciona un valor. En el año 1 se le adjudica un 66


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valor de 1,1 que viene de dividir los 33m3 de madera producidos en 30 años, entre esos 30 años. Los crecimientos medios anuales cada 10 años son los indicados en la tabla 4.

Hojas

En el apartado de hojas se ha introducido un valor de rotación (comunicación personal, Robert Jandl), el cual representa que las hojas tienen una vida de 5 años y pasado este periodo de tiempo se desprenden del árbol, como ya se explicó en el apartado 3.3.2.1. de este capítulo. Por otra parte, se ha considerado un valor medio, en los 120 años, del crecimiento relativo respecto al crecimiento del tronco. Por lo que tenemos el mismo valor en todos los años (Pietsch et al, 2005) (Tabla 5). Rotación de las hojas (1/año)

0,20

Crecimiento relativo

0,48

Tabla 5. Valores de rotación y crecimiento relativo de las hojas

Ramas y Raíces

En el caso de las ramas y las raíces, el valor de rotación de estas mismas no posee un significado tan directo como en el caso de las hojas, representan una estimación de las ramas y raíces que se desprenden del árbol en un año. El crecimiento relativo viene representado por el mismo significado que en el caso de las hojas (comunicación personal, Robert Jandl) (Tabla 6).

Ramas Raíces Rotación de las ramas (1/año) Crecimiento relativo

0,015 0,200

0,03 0,23

Tabla 6. Valores de rotación y crecimiento relativo de las ramas y las raíces

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Mortalidad -

S1_Escenario de control

En este escenario se ha utilizado la mortalidad que ya se había introducido anteriormente en el modelo realizado mediante STELLA. En consecuencia, la mortalidad en este escenario es de 0,005 para todos los años.

-

S2 (Ideal 120) y S3 (Ideal 40)

En estos dos escenarios, al suponerse un comportamiento ideal de la masa, se ha introducido una mortalidad de 0 en todos los años.

-

S4 (Real 120) y S5 (Real 40)

Estos dos escenarios se han planteado de manera que representen el comportamiento real de la masa de la manera más cercana. Por este motivo, se ha introducido una mortalidad real, extraída de un estudio sobre mortalidad en especies de Austria (Monserud, 1999). Interpolando sobre el gráfico de la figura 21 se han extraído los siguientes datos de mortalidad (Tabla 7). Los datos de mortalidad vienen expresados en forma de fracción de masa que muere al año:

Figura 21. Tasa de mortalidad a 5 años prevista y observada frente a diámetro a la altura del pecho para Picea (Monserud, 1999).

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Edad

Mortalidad

0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

0,02 0,012 0,01 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,004 0,004 0,003

Tabla 7. Tasa de mortalidad cada 10 años extraída por interpolación en la figura 21.

Selvicultura

Como ya se ha indicado anteriormente, en los escenarios S2 y S4 se realiza únicamente una corta al final del periodo (120 años) y en los escenarios S3 y S5 se realizan cortas a hecho cada 40 años. En el escenario S5 no se realiza ningún tipo de corta, ya que en el modelo realizado mediante STELLA no se ha introducido ningún tipo de selvicultura.

CO2FIX, además de la edad de corta y la fracción de masa extraída, necesita que se introduzca la forma de distribución de la materia prima entre madera de sierra, madera para pasta y madera para trituración. Y qué fracción de restos de corta se dejan en el monte y que fracción se utiliza para combustión. Obteniéndose las siguientes tablas de selvicultura (Tabla 8 y Tabla 9):

Edad Fracción extraída 120

1,0

Tronco Tronco Tronco Ramas Ramas Ramas Hojas Restos Sierra Pasta Triturar Sierra Pasta Triturar Triturar Monte 0,5

0,3

0,2

0,1

0,7

0,2

1,0

0,8

Restos Comb. 0,2

Tabla 8. Valores introducidos en el apartado de Selvicultura del módulo de Biomasa en los escenarios S2 y S4 (120 años).

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Edad Fracción extraída 40 80 120

1,0 1,0 1,0

Tronco Tronco Tronco Ramas Ramas Ramas Hojas Restos Sierra Pasta Triturar Sierra Pasta Triturar Triturar Monte 0,5 0,5 0,5

0,3 0,3 0,3

0,2 0,2 0,2

0,1 0,1 0,1

0,7 0,7 0,7

0,2 0,2 0,2

1,0 1,0 1,0

0,8 0,8 0,8

Restos Comb. 0,2 0,2 0,2

Tabla 9. Valores introducidos en el apartado de Selvicultura del módulo de Biomasa en los escenarios S3 y S5 (40 años).

Módulo del Suelo

Parámetros Generales

Los datos que se han introducido en este apartado son los datos correspondientes al clima, y han sido extraídos del Servicio Meteorológico de Austria.

Las temperaturas medias mensuales en Achenkirch son las siguientes (Tabla 10):

Meses Temperatura (ºC)

Ene -1,9

Feb -1,2

Mar

Abr

3,1

8,6

May Jun 16,8

Jul

Ago

Sep

18,8 20,6 22,4 12,9

Oct Nov 9

3,7

Dic 0,6

Tabla 10. Temperaturas medias mensuales en Achenkirch (Austria).

La precipitación en el periodo vegetativo (de Mayo a Septiembre) es de 890 milímetros. CO2FIX calcula la suma de las temperaturas de los días de más de 0ºC (3567,5ºC), y la evapotranspiración potencial del periodo vegetativo (439,8 milímetros).

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Parámetros de Rodal

Como no poseemos la cantidad de carbono inicial de cada compartimento del suelo y tampoco sabeos la cantidad de carbono por hectárea y año que se desprende de cada parte la planta, para introducir los datos correspondientes a este apartado se han tenido que realizar unos cálculos sencillos. CO2FIX incorpora en el paquete inicial varios ejemplos, existiendo uno sobre Picea abies en Finlandia. En primer lugar hemos tomado los datos de carbono inicial de cada compartimento del suelo de este ejemplo y los hemos sumado para obtener el carbono inicial total del suelo. Este dato, carbono inicial total del suelo, en nuestra zona de estudio se considera de 120 MgC/ha (comunicación personal, Robert Jandl). Sabiendo pues, la cantidad de carbono inicial en cada compartimento del suelo y el carbono inicial total en Finlandia, la cantidad de carbono inicial total en el suelo de Achenkirch y suponiendo una relación de proporcionalidad, podemos calcular el carbono inicial en cada compartimento del suelo de Achenkirch, obteniéndose los siguientes datos (Tabla 11):

Residuos no leñosos (MgC/ha) Residuos leñosos finos (MgC/ha) Residuos leñosos gruesos (MgC/ha) Compuestos solubles (MgC/ha)

2,64 Holocelulosas (MgC/ha) 2,56 Compuestos lígnicos (MgC/ha) 7,20 Stock de humus 1 (MgC/ha) 1,79 Stock de humus 2 (MgC/ha)

8,92 11,56 28,39 57,05

Tabla 11. Cantidad inicial de carbono en cada compartimento del suelo en Achenkirch.

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

4. C谩lculos del modelo STELLA

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

4.1. Cálculos en el modelo STELLA A la hora de plantear las ecuaciones del modelo, o las relaciones, coeficientes y demás parámetros necesarios para la realización del modelo, no siempre se han podido obtener de algún artículo o documento. Por ello, en este capítulo se mostrarán los cálculos y el tratamiento de algunos datos que se han tenido que realizar para conseguir diseñar el modelo completo con STELLA 10.0.

4.1.1. Módulo de Biomasa aérea Cálculo de la distribución de la producción primaria neta (NPP) en la planta Para el cálculo de la distribución de la producción primaria neta en la planta en la planta se han utilizado los datos sobre cantidades de carbono en la distintas partes del árbol, en el suelo y emisiones de CO2 a la atmósfera de Dirnböck & Mirtl (2009). En dicho trabajo aparecen tres valores distintos para cada parte de la planta, que expresan el carbono existente (ANEXOS). Estos datos fueron recogidos en tres muestreos distintos (IP32007, IP12003, IP12007). A partir de estas mediciones sacamos una media para cada parte del árbol y obtenemos los porcentajes que aparecen en la tabla 12 y que expresan la distribución del carbono en la planta.

(KgC)

%

Tronco

22613,4

66

Ramas

2563,5

7,5

Acículas

1245,8

3,6

Raíces

7908,3

23

Total

34331,0

Tabla 12. Distribución de la producción primaria neta en la planta.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Entrada de la producción primaria neta en el modelo y su distribución en el modelo

La entrada de NPP al modelo se calcula a través del incremento corriente anual del tronco y sabiendo que el 66% del NPP que entra en la planta forma parte del tronco, como se aprecia en la tabla 12. Los datos del incremento corriente anual fueron extraídos de la tabla de rendimientos de Marschall (1975), ya mencionada en el apartado 3.4.2.. A partir estos datos se desarrolló una gráfica (Gráfico 1) en la que se supone el mismo incremento corriente anual medio cada año en cada periodo de 10 años.

m3/ha

Incremento corriente anual 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

CAI (m3/ha)

0

20

40

60

80

100

120

Años

Gráfico 1. Incremento corriente anual introducido en el flujo “C to stem” en el modelo realizado mediante STELLA 10.0.

Esta gráfica se importó en STELLA dentro del flujo “C to Stem”, proporcionando así una entrada de C al tronco que sigue las pautas exactas del incremento corriente anual.

Una vez tenemos definido el flujo de C que entra en el stock del tronco, lo unimos con un conector al flujo de entrada de producción primaria neta e introducimos la función que define el flujo de entrada de producción primaria neta:

75


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(Ec.42)

4.1.2. Módulo de Suelo Los Factores en los flujos “Decline” Como se ha dicho anteriormente en el capítulo de Materiales y Métodos, los flujos “Decline” están definidos por una serie de factores, que determinan los impactos de diferentes elementos del medio en el modelo. Estos factores han sido extraídos del modelo ROTHC-26.3, y posteriormente se han realizado ajustes para adaptar este modelo a las circunstancias de nuestra zona de estudio.

-

Factor “a”

Este factor viene representado en el modelo ROTHC-26.3 por la siguiente ecuación (Coleman & Jenkinson, 1999):

(Ec.43)

Donde T representa la media mensual de la temperatura del aire (ºC)

Nuestro modelo funciona con intervalos temporales anuales, por lo que tendremos que introducir una variación en la ecuación anterior para poder expresar el factor “T” de una forma anual. Para realizar esto, se han tomado los valores medios de las temperaturas máximas y mínimas de la zona de estudio y se han introducido en el modelo como convertidores. Utilizando la orden interna “RANDOM” y estableciendo un intervalo de temperaturas definido por la temperatura máxima y la temperatura mínima, conseguimos que el modelo introduzca cada año una temperatura anual comprendida dentro de este intervalo. Finalmente el factor “a” queda definido por la siguiente ecuación: 76


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

(Ec.44)

Donde: -

“max_mean_anual_temp” es la temperatura media máxima anual

-

“min_mean_anual_temp” es la temperatura media mínima anual

-

Factor “b”

Según el modelo ROTHC-26.3 el factor “b”, que determina el impacto de la humedad del suelo en el modelo”, se obtiene a partir del “TSMD” (“Topsoil Moisture Deficit” o Déficit de Humedad en el Suelo). Según el manual de RothC-26.3., el máximo “TSMD” para un perfil en particular de 0-23 cm de profundidad se calcula a partir de la ecuación hallada en Coleman & Jenkinson (1999):

(Ec.45) Donde “%clay” es el porcentaje de arcilla en el suelo. Por ejemplo, en Rothamsted poseen un “%clay” = 23,4, por lo tanto, el máximo de TSMD es 44,94 Para un perfil de diferente profundidad, el máximo “TSMD” calculado se divide entre 23 y se multiplica por la actual profundidad, en cm. El “TSMD” acumulado se calcula a partir del primer mes en el que la evapotranspiración supera las precipitaciones, hasta que el “TSMD” alcanza el máximo, donde se queda hasta que las precipitaciones superan de nuevo la evapotranspiración y el suelo se vuelve a humedecer. Una vez calculado el “TSMD” acumulado se realiza la siguiente comprobación para asignar un valor del factor “b” (Coleman & Jenkinson, 1999):

77


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

TSMD b

b

(Ec.46)

Donde: -

TSMDmax es TSMD máximo

-

TSMDac es TSMD acumulado

Según los datos disponibles de la zona de estudio (Mikovits, 2009), consideramos un 20% de arcilla y un perfil de 0-23 cm. Para un 20% de arcilla obtenemos un “TSMD” máximo = -42,00. El “TSMD” acumulado de cada mes se calcula a partir de la evapotranspiración potencial, la cual se ha calculado a través de la siguiente ecuación (Thornthwaite, 1948):

(Ec.47)

Donde: -

“fj“ es la duración media de la luz solar por comparación a un mes de 30 y 12 horas de luz.

-

“tj” es la temperatura media mensual

-

“I” es el índice de calor anual, calculándose a partir de:

-

“a” viene expresado por:

Una vez tenemos la ETPj y las precipitaciones de todos los meses, realizamos (Pj-ETPj), obteniendo el déficit hídrico en forma de “TSMD” acumulado cada mes. Aplicando la condición anterior, asignamos a cada mes un factor “b”, y una vez realizado esto, obtenemos una media 78


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

anual del factor “b”, para poder ser introducido, este valor, en nuestro modelo de STELLA 10.0., en el que hay que introducir los datos de forma anual. En la Tabla 13 se ve un ejemplo del cálculo del factor “b” en el año 2003.

mes

P [mm]

ETP

P-ETP

TSMD acum

b clay% 20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

119,8 67,7 57,2 74,4 141,7 103,9 149,9 103,9 132,7 192,4 55,6 75,7

0,0000 0,0000 12,5543 35,4241 100,0053 156,3044 136,9182 127,9989 59,2441 16,7355 9,3456 0,0000

119,8000 67,7000 44,6457 38,9759 41,6947 -52,4044 12,9818 -24,0989 73,4559 175,6645 46,2544 75,7000

0 0 0 0 0 -42 -29,02 -42 0 0 0 0

1 1 1 1 1 0,2 0,64 0,2 1 1 1 1

Tabla 13. Parámetros calculados en el proceso de obtención del factor “b” para el año 2003.

En el ejemplo de la Tabla 13 el factor ”b” medio anual sería 0,84. Una vez calculados todos los factores “b” medios anuales se observa que el valor de este factor se mueve constantemente muy cerca de 1 y nunca baja de 0,84. Por lo que finalmente el convertidor “b” en el modelo de STELLA 10.0. está definido por la orden interna RANDOM entre el intervalo (0,84; 1,0):

(Ec.48)

-

Factor “c”

El factor “c”, de impacto de la cobertura vegetal sobre la descomposición del carbono, disminuye en caso de que existan plantas en crecimiento. Por lo tanto se adjudican los siguientes valores a este factor (Coleman & Jenkinson 1999): 79


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

-

“c”= 0,6 si el suelo esta vegetado.

-

“c”= 1,0 si el suelo está desnudo.

-

Factor “k”

La constante de descomposición “k”, en años, para cada compartimento del suelo (DPM, RPM, BIO y HUM) según Coleman & Jenkinson (1999) es: “kDPM” = 10,0; “kRPM”= 0,3; “kBIO”= 0,66; “kHUM”= 0,02.

Reparto del carbono entre el que se desprende en la respiración y el que pasa a formar parte del “HUM+BIO”

Para calcular qué cantidad de carbono se desprende en la respiración y qué parte evoluciona para formar parte de los compartimentos “HUM” y “BIO”, se ha generado una razón CO2/(BIO+HUM), dependiente del porcentaje de arcilla en el suelo (Coleman & Jenkinson, 1999): (Ec.49) Donde “clay%” es el porcentaje de arcilla y “x” es el ratio CO2/(BIO+HUM). Sabiendo que, la cantidad total de carbono que vamos a repartir entre carbono de la respiración y carbono que migra a “HUM+BIO”, coincide con el carbono que se desprenden de los compartimentos “DPM” y “RPM” en cada caso, podemos utilizar las ecuaciones (Ec.20) y (Ec.21) del apartado 3.3.2.2. para obtener un sistema de ecuaciones que nos permita distribuir en cada caso la cantidad de carbono que va a parar a un lado y a otro. Por lo tanto:

(Ec.50) (Ec.51)

80


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Para la realización de los cálculos utilizaremos la ecuación (Ec.20), correspondiente al flujo “DPM Decline”, a modo de ejemplo, ya que el resultado de este sistema será aplicable a todos los compartimentos.

(Ec.52)

(Ec.53)

Igualando (Ec.52) y (Ec.53):

(Ec.54)

Despejando la “y” en (Ec.54) obtenemos la cantidad que se transforma en “BIO+HUM”:

(Ec.55)

Para hallar la cantidad que se desprende en la respiración sustituimos el resultado de la ecuación anterior (Ec.55), en la ecuación (Ec.52):

(Ec.56)

Simplificando en (Ec.56), obtenemos la cantidad de carbono que se desprende en forma de respiración:

(Ec.57)

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5. Resultados

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5.1. Outputs STELLA En este apartado se mostrarán los resultados y outputs obtenidos con el modelo de STELLA, a partir de los datos de entrada que se han mencionado en el capítulo anterior. El periodo durante el que se ha dejado correr el modelo es de 100 años. A la hora de interpretar estos resultados, hay que tener en cuenta que en el momento de diseñar el modelo, en algunas ecuaciones, se han introducido ordenes de “RANDOM”, lo que provoca que cada vez que se pulsa el botón de “Run” (correr el modelo), los resultados que obtenemos sean ligeramente distintos; pero la diferencia entre estos es mínima y no alterará las conclusiones que se puedan obtener.

Se adjuntarán los gráficos en los que se puede observar la curva de evolución de cada stock.

5.1.1. Módulo de Biomasa aérea 

NPP, C STEM WOOD, LITTERFALL (Producción Primaria Neta, C en Madera de tronco y Residuos)

Producción Primaria Neta C en Madera del tronco Residuos

MgC/ha 378,5 123,7 211,8

m3/ha 575,2

Tabla 14. Valores alcanzados a los 100 años para la producción primaria neta, la madera de tronco y los residuos, en el modelo STELLA 10.0.

Los valores obtenidos (Tabla 14) muestran una producción primaria neta que cuyos valores son más del doble del carbono que se ubica en el tronco después de los 100 años del periodo de estudio. Por otro lado, se observa que los residuos totales, es decir, el material vegetal total que se desprende del árbol, es inferior al carbono acumulado en el tronco en los primeros años (Gráfico 2), pero a partir del año 30 aproximadamente empieza a ser superior, hasta acabar prácticamente 90 MgC/ha por encima del carbono acumulado en forma de tronco.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Gráfico 2. Evolución durante 100 años de los compartimetos NPP (Producción Primaria Neta); Stem Wood (Madera de tronco); y Litterfall (Residuos), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

C BRANCHES (C en Ramas) y C COARSE ROOTS (C en Raíces Gruesas)

C en Ramas C en Raíces Gruesas

MgC/ha 16,9 35,6

Tabla 15. Valores obtenidos a los 100 años para las ramas y las raíces gruesas, en el modelo STELLA 10.0.

Los valores obtenidos (Tabla 15) muestran un contenido final de carbono en las raíces gruesas prácticamente del doble del que se obtiene en el contenido en carbono de las ramas al final del periodo de estudio (100 años).

También se observa que ambas curvas son sigmoides (Gráfico 3), aunque en el caso de las ramas, este carácter se encuentra más marcado.

Gráfico 3. Evolución durante 100 años de los compartimentos Branches (Ramas) y Coarse Roots (Ramas Gruesas), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

C LEAVES (C en Hojas) y C FINE ROOTS (C en Raíces Finas)

C en Hojas C en Raíces Finas

MgC/ha 4,5 3,4

Tabla 16. Valores obtenidos a los 100 años para las hojas y las raíces finas, en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 4. Evolución durante 100 años de los compartimentos C. Leaves (C en hojas) y Fine Roots (Raíces Finas) en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

Los valores obtenidos tanto para el carbono acumulado en las hojas, como para el carbono acumulado en las raíces finas al final del periodo de estudio (Tabla 16), son bastante similares.

Ambas curvas presentan un patrón de evolución muy semejante, ya que experimentan un rápido crecimiento al principio, después se estabilizan y acaban con pendiente negativa (Gráfico 4). También observamos que en ambas curvas se refleja el escalonamiento de la función introducida en el crecimiento del tronco (Gráfico 1, apartado 4.1.1.). Esto es debido a que ambos reservorios están definidos como Stock temporal, es decir, que la misma cantidad de carbono que entra un año en el stock, una vez cumplido el tiempo de tránsito, sale del stock. 87


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

ROOTS (C en Raíces) y BIOMASS (C en Biomasa)

Estos dos stocks, que fueron creados para conocer la cantidad de biomasa y raices existentes en el año 100 del estudio, es decir al final del periodo, presentan los siguientes resultados (Tabla 17). El dato de raíces engloba tanto las raíces finas (3,4 MgC/ha) como las gruesas (35,6 MgC/ha) y ha sido hallado para poder realizar comparaciones con los datos de CO2FIX, en donde el dato de las raices viene dado en conjunto (raíces finas + raíces gruesas). El dato de la Biomasa representa la biomasa total (tronco, ramas, hojas, raíces finas y gruesas y madera viva) existente en la masa al final del periodo de estudio (100 años).

C en Raíces C en Biomasa

MgC/ha 38,9 184,3

Tabla 17. Valores obtenidos a los 100 años para las raíces totales y la biomasa, en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 5. Evolución durante 100 años de los compartimentos Biomass (Biomasa) y Roots (Raíces), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

88


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Los valores obtenidos para las raíces y la biomasa (Tabla 17) al final de los 100 años muestran que el contenido en carbono que se encuentra en las raíces es practicamente la cuarta parte del contenido del carbono del total de la biomasa. En la curva de la biomasa si que se observa debilmente una sigmoide, al contrario que en la curva de las raíces, donde podría decirse que es tiene un comportamiento lineal (Gráfico 5).

C LIVE WOOD (C en Madera viva)

C en Madera viva

MgC/ha 0,1

Tabla 18. Valor obtenido a los 100 años para la madera viva, en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 6. Evolución durante 100 años del compartimento Live Wood (Madera Viva), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

Los valores obtenidos para el contenido en carbono de la madera viva, es decir, lo que podría ser el floema, cambium y suber del tronco, muestran la insignificancia de este stock de carbono.

89


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5.1.2. Módulo de Suelo 

DPM (Material vegetal lábil) y RPM (Material vegetal recalcitrante)

Material vegetal lábil Material vegetal recalcitrante

MgC/ha 3,0 19,8

Tabla 19. Valores obtenidos a los 100 años para el material vegetal lábil y el material vegetal recalcitrante, en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 7. Evolución durante 100 años de los compartimentos DPM (Material Vegetal Labil) y RPM (Material Vegetal Recalcitrante), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

Los valores obtenidos en este caso (Tabla 19) muestran una cantidad de carbono acumulado en el material vegetal recalcitrante al final del periodo de estudio (100 años), prácticamente seis veces mayor que el contenido de carbono acumulado en forma de material vegetal lábil.

La curva del material vegetal recalcitrante posee un comportamiento exponencial, mientras que en el material vegetal lábil se observa un crecimiento poco significativo (Gráfico 7) y se intuye el comportamiento aleatorio de alguna de sus variables. 90


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

BIO (C en Microorganismos) y HUM (C en Compuestos Húmicos)

C en Microorganismos C en Compuestos Húmicos

MgC/ha 24,6 48,6

Tabla 20. Valores obtenidos a los 100 años para los microorganismos y los compuestos húmicos, en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 8. Evolución durante 100 años en los compartimentos BIO (Microorganismos) y HUM (Compuestos Húmicos), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

Los valores obtenidos para la acumulación de carbono en forma de microorganismos y compuestos húmicos del suelo (Tabla 20), indican que el contenido de carbono de éste último es el doble del contenido de carbono acumulado en forma de microorganismos, al final de los 100 años.

Ambas curvas presentan un comportamiento prácticamente exponencial (Gráfico 8). Aunque al principio ambas curvas crecen al mismo ritmo, a partir del año 50 se observa un cambio bastante significativo.

91


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Rh’ y Ra’ (C de la Respiración heterótrofa y autótrofa)

Respiración heterótrofa Respiración autótrofa

MgC/ha 83,4 126,2

Tabla 21. Valores obtenidos a los 100 años para la respiración heterótrofa y la respiración autótrofa, en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 9. Evolución durante 100 años de los compartimentos Ra’ (Respiración Autótrofa) y Rh’ (Respiración Heterótrofa), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

Los valores obtenidos en la acumulación de carbono total en forma de respiración autótrofa y heterótrofa (Tabla 21), muestran que el valor de este último es significativamente inferior al de la acumulación de carbono de la respiración autótrofa.

Ambas curvas presentan un comportamiento prácticamente exponencial (Gráfico 9).

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Rt (C de la Respiración total) y C in Soil (C en el suelo)

Respiración total Carbono en el suelo

MgC/ha 204,0 96,2

Tabla 22. Valores obtenidos a los 100 años para la respiración total y el carbono en el suelo, en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 10. Evolución durante 100 años de los compartimentos C in Soil (C en el Suelo) y Rt (Respiración total), en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

Los valores obtenidos para el carbono presente en la respiración total y la acumulación de carbono en el suelo al final de los 100 años del periodo de estudio (Tabla 22), muestran un valor prácticamente del doble en el contenido de carbono de la respiración total, que en la acumulación de carbono del suelo.

Ambas curvas presentan un comportamiento exponencial (Gráfico 10).

93


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Intercambio de C (Atmósfera – Sistema)

Intercambio de C

MgC/ha -174,4

Tabla 23. Valores obtenidos a los 100 años para el balance de C (Atmósfera – Sistema), en el modelo STELLA 10.0.

Gráfico 11. Evolución durante 100 años del balance de carbono entre Atmósfera y Sistema, en el modelo STELLA 10.0. Los valores vienen expresado en kgC/ha.

El valor obtenido para el Intercambio de carbono es un valor negativo (Tabla 23). Al ser un balance de carbono entre la atmósfera y el sistema modelizado está expresando una diferencia entre el carbono que fluye desde la atmósfera al sistema, en el módulo de la Biomasa aérea, y el carbono que es devuelto a la atmósfera por el sistema, a través de la respiración en el módulo de Suelo. Al obtener un valor negativo quiere decir que entra más carbono en el sistema, desde la atmósfera, del que es devuelto a la atmósfera, por el sistema. Es decir, que el suelo funciona como sumidero de carbono.

94


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5.2. Outputs CO2FIX En este apartado se mostrarán los resultados obtenidos mediante el CO2FIX. En los cinco escenarios planteados, este software proporciona una gran cantidad de datos de cada uno de los compartimentos del modelo, pero en este proyecto fin de carrera nos vamos a centrar solamente en la acumulación de carbono en cada uno de los compartimentos y en el caso de la madera de tronco, en el volumen. A continuación se mostraran los resultados de acumulación una vez transcurridos 100 años, en el caso del primer escenario, y 120 años, en el caso de los siguientes cuatro escenarios.

El escenario S1 de control será el que posteriormente se utilizará para comparar con el modelo realizado mediante CO2FIX. Ya que en este escenario se han introducido los mismos datos que se han utilizado en el modelo realizado mediante STELLA.

En los escenarios S2, S3, S4 y S5, en los stocks o reservorios de Madera de Tronco, Biomasa, Ramas, Hojas y Raíces, se van a mostrar los valores correspondientes al año 119, ya que al realizarse, en todos los escenarios, cortas finales, el valor en el año 120 para estos compartimentos es igual a 0 y no se observarían las diferencias buscadas en este proyecto fin de carrera. Además, para estos mismos stocks, en los escenarios S3 y S5, que son los escenarios en los que se realizan cortas cada 40 años, los datos que se muestran son la suma de C producido por cada stock a lo largo del periodo de estudio. Es decir, que se han sumado los valores que aparecen los años 39, 79 y 119.

Al igual que en el apartado 4.1. los resultados irán acompañados de gráficos en los que se podrán observar las curvas de cada compartimento.

95


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5.2.1. Escenario S1_control 5.2.1.1. Módulo de Biomasa aérea 

C en Madera de Tronco y Biomasa

C en Madera de Tronco C en Biomasa

MgC/ha 122,1 149,9

m3/ha 568

Tabla 24. Valores obtenidos a los 100 años para la madera de tronco y la biomasa en el escenario S1_control.

C en Madera de Tronco y Biomasa 160 140

MgC/ha

120 100 80

Madera de Tronco

60

Biomasa

40 20

0 1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101

Años Gráfico 12. Evolución durante 100 años de los compartimentos madera de tronco y biomasa en el escenario S1_control.

Los valores obtenidos (Tabla 24) muestran una diferencia escasa entre el carbono acumulado en el total de la biomasa y el carbono acumulado en forma de madera de tronco.

Ambas curvas presentan un comportamiento sigmoide (Gráfico 12).

96


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

C en Hojas, Ramas y Raíces

MgC/ha 3,4 13,9 10,4

C en Hojas C en Ramas C en Raíces

Tabla 25. Valores obtenidos a los 100 años para hojas, ramas y raíces en el escenario S1_control.

C en Hojas, Ramas y Raíces 16 14

MgC/ha

12 10 Hojas

8

Ramas

6

Raíces

4 2 0 1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101

Años

Gráfico 13. Evolución durante 100 años de los compartimentos hojas, ramas y raíces en el escenario S1_control.

Los valores obtenidos para el contenido en carbono en hojas, ramas y raíces (Tabla 25) muestran un comportamiento muy similar entre las ramas y las raíces, que acaban obteniendo unos valores muy similares. Sin embargo, las hojas, a pesar de estar ligeramente por encima en los primeros años, acaba con una acumulación de carbono mucho menor.

Las curvas de ramas y raíces presentan un comportamiento sigmoide, mientras que la curva de las hojas no (Gráfico 13).

97


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5.2.1.2 Módulo de Suelo 

C en Compuestos húmicos y C en el Suelo

C en Compuestos húmicos C en el Suelo

MgC/ha 58,7 68,5

Tabla 26. Valores obtenidos a los 100 años en compuestos húmicos y carbono en el suelo en el escenario S1_control.

C en Compuestos húmicos y Suelo 140 120

MgC/ha

100

80 60

C.Húmicos

40

Suelo

20 0 1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101

Años

Gráfico 14. Evolución durante 100 años de los compartimentos de compuestos húmicos y carbono en el suelo en el escenario S1_control.

Los valores obtenidos para la acumulación de carbono en el suelo y en forma de compuestos húmicos (Tabla 26) nos muestran un comportamiento que permite alcanzar desde los primeros años y hasta el final de los 100 años unos valores muy cercanos.

La curva de los compuestos húmicos presenta un crecimiento positivo inicial muy leve y a continuación sufre un crecimiento negativo permanente hasta el año 100. Mientras que la curva

98


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

del suelo presenta un crecimiento negativo muy marcado al principio, suavizándose a continuación (Gráfico 14). 

Intercambio de C (Atmósfera – Sistema)

MgC/ha Intercambio de C

-98,3

Tabla 27. Valor obtenido a los 100 años en el intercambio de la atmósfera con el sistema en el escenario S1_control.

Intercambio de C de la Atmósfera con el Sistema 40

20

Axis Title

0 -20

1

11

21

31

41

51

61

71

-40

81

91

101 Atmósfera

-60 -80 -100 -120

Años

Gráfico 15. Evolución durante 100 años del intercambio de carbono entre atmósfera y sistema en el escenario S1_control.

El valor obtenido en este caso (Tabla 27) muestra el intercambio de carbono entre la atmósfera y el sistema (formado por el módulo de Biomasa y de Suelo). Se observa que al principio el sistema cede carbono a la atmósfera, pero enseguida el sistema empieza absorber carbono y continúa con esa dinámica hasta el año 100 (Gráfico 15).

99


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5.2.2. Escenarios para el análisis con el CO2FIX 5.2.2.1. Módulo de Biomasa aérea 

C en Madera de Tronco

Escenarios S2_Ideal 120 S3_Ideal 40 S4_Real 120 S5_Real 40

MgC/ha 175,9 172,4 132,5 153,2

m3/ha 818,4 802,1 616,3 712,6

Tabla 28. Valores obtenidos a los 120 años para madera de tronco en los escenarios S2, S3, S4, S5.

C en Madera de Tronco 200 180 160

MgC/ha

140 120

S2_Ideal 120

100

S3_Ideal 40

80

S4_Real 120

60

S5_Real 40

40 20

0 1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101 111 121

Años

Gráfico 16. Evolución durante 120 años del compartimento madera de tronco en los escenarios S2, S3, S4, S5.

Los valores obtenidos para el carbono acumulado en forma de madera del tronco para los cuatro escenarios (Tabla 28) muestran unos valores más altos para los escenarios ideales (S2 y S3) frente a los escenarios reales (S4 y S5). Si bien, entre los escenarios con una única corta a los 100


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

120 años (S2 y S4) hay bastante diferencia, entre los escenarios con cortas cada 40 años (S3 y S5) la diferencia es mínima. En cuanto a las curvas, S2 y S3 presentan un comportamiento sigmoide. Mientras que en S4 y S5 se observan perfectamente a los 40, 80 y 120 años las cortas a hecho realizadas (Gráfico 16). El gráfico con los volúmenes de madera en m3 es prescindible, ya que sería igual al gráfico16 pero con distinta escala en el eje “y”, ya que el paso de “MgC/ha” a “m 3” se realiza multiplicando por las mismas constantes en todos los casos. 

C en Biomasa

Escenarios S2_Ideal 120 S3_Ideal 40 S4_Real 120 S5_Real 40

MgC/ha 206,6 234,3 158,6 209,8

Tabla 29. Valores obtenidos a los 100 años para la biomasa en los escenarios S2, S3, S4, S5.

C en la Biomasa 250

MgC/ha

200 150

S2_Ideal 120 S3_Ideal 40

100

S4_Real 120 S5_Real 40

50 0 1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101 111 121

Años

Gráfico 17. Evolución durante 120 años del compartimento de biomasa en los escenarios S2, S3, S4, S5.

101


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Los valores obtenidos para la acumulación de carbono en la biomasa en el año 119 (Tabla 29) son muy similares a los datos de contenido de carbono en forma de madera de tronco, en cuanto al comportamiento de sus curvas (Gráfico 17) y de los valores finales. 

C en Ramas

Escenarios S2_Ideal 120 S3_Ideal 40 S4_Real 120 S5_Real 40

MgC/ha 16,7 26,5 13,7 23,8

Tabla 30. Valores obtenidos a los 120 años para ramas en los escenarios S2, S3, S4, S5.

C en Ramas 18 16 14 MgC/ha

12 10

S2_Ideal 120

8

S3_Ideal 40

6

S4_Real 120

4

S5_Real 40

2 0 1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101 111 121

Años

Gráfico 18. Evolución durante 120 años del compartimento de ramas en los escenarios S2, S3, S4, S5.

Los valores obtenidos para el contenido de carbono en ramas (Tabla 30) vuelven a ser bastante similares a los dos casos anteriores en cuanto a comportamiento de las curvas. Cabría destacar, que en este caso las curvas de los escenarios ideales (S2 y S3), presentan un comportamiento sigmoide más marcado (Gráfico 18). 102


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

C en Hojas

Escenarios S2_Ideal 120 S3_Ideal 40 S4_Real 120 S5_Real 40

MgC/ha 2,9 11,3 2,9 10,9

Tabla 31. Valores obtenidos a los 120 años para hojas en los escenarios S2, S3, S4, S5.

C en Hojas 5 4,5 4

MgC/ha

3,5 3

S2_Ideal 120

2,5

S3_Ideal 40

2

S4_Real 120

1,5

S5_Real 40

1 0,5 0 1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101 111 121

Años

Gráfico 19. Evolución durante 120 años del compartimento de hojas en los escenarios S2, S3, S4, S5.

Los valores obtenidos para la acumulación de carbono en las hojas (Tabla 31) muestran una tendencia muy marcada a la estabilidad (Gráfico 19). Tanto las cortas en los escenarios con cortas cada 40 años, como la mortalidad en los escenarios de simulación real, tienen un efecto muy escaso en la tendencia de las curvas. Así mismo, los valores finales son prácticamente los mismos en los cuatro escenarios.

103


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

C en Raíces

Escenarios S2_Ideal 120 S3_Ideal 40 S4_Real 120 S5_Real 40

MgC/ha 10,9 24,1 9,6 21,8

Tabla 32. Valores obtenidos a los 120 años para las raíces en los escenarios S2, S3, S4, S5.

C en Raíces 14 12

MgC/ha

10 8

S2_Ideal 120

6

S3_Ideal 40 S4_Real 120

4

S5_Real 40 2 121

115

109

103

97

91

85

79

73

67

61

55

49

43

37

31

25

19

7

13

1

0 Años

Gráfico 20. Evolución durante 120 años del compartimento de raíces en los escenarios S2, S3, S4, S5.

Los valores obtenidos para la acumulación de carbono en las raíces (Tabla 32) muestran nuevamente comportamientos muy parecidos a los ya observados en madera de tronco, biomasa y ramas, aunque en este caso el se observa un comportamiento sigmoide aún más marcado que en el caso de las ramas para los escenarios ideales (S2 y S3) (Gráfico 20).

104


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

5.2.2.2. Módulo de Suelo 

C en Suelo

Escenarios S2_Ideal 120 S3_Ideal 40 S4_Real 120 S5_Real 40

MgC/ha 76,9 67,3 80,6 69,1

Tabla 33. Valores obtenidos a los 120 años para el suelo en los escenarios S2, S3, S4, S5.

C en Suelo 140 120

MgC/ha

100 80

S2_Ideal 120

60

S3_Ideal 40 S4_Real 120

40

S5_Real 40

20

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121

0 Años

Gráfico 21. Evolución durante 120 años del compartimento del suelo en los escenarios S2, S3, S4, S5.

Los valores obtenidos para el contenido de carbono en el suelo a los 120 años (Tabla 33) muestran un comportamiento muy similar para los cuatro escenarios. Se observa una diferencia entre los escenarios reales (S4 y S5), mientras que los escenarios ideales (S2 y S3) presentan un comportamiento prácticamente idéntico, exceptuando las cortas a los 40 y 80 años (Gráfico 21).

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Intercambio de C de la Atmósfera con el Sistema

Escenarios S2_Ideal 120 S3_Ideal 40 S4_Real 120 S5_Real 40

MgC/ha -145,3 -24,2 -103,9 -9,3

Tabla 34. Valores obtenidos a los 120 años para el intercambio de carbono entre atmósfera y sistema en los escenarios S2, S3, S4, S5.

Intercambio del Sistema con la Atmósfera 100

50

MgC/ha

0 S2_Ideal 120

-50

S3_Ideal 40 -100

S4_Real 120 S5_Real 40

-150

121

115

109

97

103

91

85

79

73

67

61

55

49

43

37

31

25

19

13

7

1

-200

Años

Gráfico 22. Evolución durante 120 años del intercambio de carbono entre la atmósfera y el sistema en los escenarios S2, S3, S4, S5.

Los valores obtenidos para el intercambio de carbono de la atmósfera con el sistema (Tabla 34) muestran una tendencia clara hacia un balance negativo en cuanto a la atmósfera, es decir, que una vez transcurridos los 120 años el suelo ha capturado carbono de la atmósfera. Se observan valores más negativos para los dos escenarios en los que no ha habido cortas (Gráfico 22).

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

6. Discusi贸n

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6.1. El modelo STELLA En el caso del modelo realizado en STELLA se va a realizar una discusión general, sobre la totalidad del modelo, no solamente de los resultados, ya que el propio diseño y realización del modelo es considerado parte del resultado de este proyecto fin de carrera.

6.1.1. Módulo de Biomasa aérea En el apartado de la Biomasa aérea, además de la comparación con los datos objetivo, mencionados en el apartado 3.3.3. del capítulo Materiales y Métodos, se va a comparar con un estudio (Mund, 2002) realizado sobre el crecimiento de la especie Picea abies (L.) Karst en una zona de Alemania con unas características del área de estudio muy similares. En este estudio se han realizado cortas a lo largo de los años (no se especifica turno), por lo que en algunos casos existirán diferencias significativas con los datos del modelo STELLA, sin que signifique necesariamente que los datos obtenidos sean erróneos. En ese estudio (Mund, 2002), aparecen datos para el año 72 y 112, por lo que siempre se hará referencia al intervalo entre los datos obtenidos dichos años.

En general, en el módulo de Biomasa aérea se han conseguido unos resultados bastante realistas que se ajustan bastante a los datos objetivo que se habían tomado como referencia. Esto apunta a que el modelo STELLA ha sido capaz de simular adecuadamente la evolución del carbono en la biomasa aérea, al menos para Picea abies en Achenkirch. 

C STEM WOOD (C en madera de tronco)

El resultado obtenido en este reservorio después del periodo de 100 años (123,7 MgC/ha; 575,24 m3/ha) indica una densidad de masa no muy alta, teniendo en cuenta que es una masa que no ha sido tratada al menos durante 100 años. Esto nos revela la dureza del terreno en el que se ha realizado el estudio. Es un terreno con una pendiente muy acusada y con unas condiciones malas para el desarrollo de la masa.

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El dato objetivo en el caso de la madera de tronco era de 110 MgC/ha, por lo que el resultado obtenido con STELLA se acerca significativamente. Si lo comparamos con el estudio alemán (Mund, 2002), en el que se obtiene un contenido de carbono en forma de madera de tronco entre 78 MgC/ha y 104,5 MgC/ha, los datos obtenidos en STELLA son bastante reales. Las diferencias deben provenir del hecho de que en el estudio alemán (Mund, 2002) se habían realizado cortas durante esos 100 años. 

C LEAVES (C en hojas)

En el caso del carbono acumulado en las hojas al final del periodo de 100 años (4,5 MgC/ha), la diferencia entre éste y el valor objetivo (7,2 MgC/ha) es mayor que en el caso anterior. La diferencia (2,7 MgC/ha) supone más de la mitad de la cantidad total de C acumulada en el modelo STELLA, pero aún así se ha considerado un resultado válido, que no desequilibra los resultados totales del modelo. En el estudio alemán (Mund, 2002) se obtienen unos datos entre 8,0 MgC/ha y 8,8 MC/ha, que no difieren mucho con el dato objetivo. Esto es debido a que aunque se hayan realizado cortas en el estudio (Mund, 2002), las ramas y las hojas tienden a ocupar el espacio libre en la masa y aunque se tengan menos pies, la masa de ramas y hojas será muy similar (comunicación personal, Robert Jandl). 

C FINE ROOTS (C en raíces finas) y C COARSE ROOTS (C en raíces gruesas)

El resultado obtenido como suma de la acumulación de carbono en raíces finas y gruesas de nuestro modelo (38,9 MgC/ha), en comparación con el valor objetivo (23,5 MgC/ha), supone un exceso de aproximadamente 15 MgC/ha, lo cual significa menos de la mitad de la cantidad total de carbono acumulado en las raíces, al final de los 100 años del periodo de estudio. Esto supone una divergencia no muy alta, con lo que el resultado se puede considerar satisfactorio. En el estudio (Mund, 2002) se obtuvieron entre 26,9 MgC/ha y 29,2 MgC/ha, valores que se encuentran entre el obtenido mediante el modelo STELLA y el dato objetivo.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

LITTERFALL (Desechos)

Otro de los valores definidos en el apartado 3.3.3. como valor objetivo, es el valor que determina la cantidad de carbono convertida en desechos vegetales a lo largo de los 100 años del periodo de estudio. Siendo el valor objetivo 142,5 MgC/ha, en el modelo STELLA se ha obtenido un valor de 211,8 MgC/ha. Existe una diferencia de prácticamente 70 MgC/ha, que supone la mitad del carbono acumulado en forma de desechos en el valor objetivo. Ésta es una divergencia considerable, que, sin embargo, no redunda negativamente en el balance global logrado con el modelo, ya que el significado de una acumulación de desechos durante 100 años no tiene mucho sentido. Lo que resulta importante realmente es el flujo de desechos que llegan al suelo anualmente. 

NPP (Producción primaria neta) y C BRANCHES (C en ramas)

Estos dos valores, sobre acumulación de carbono en ramas (16,9 MgC/ha) y producción primaria neta de carbono (378,5 MgC/ha), no poseen un valor objetivo con el que compararlos, pero aún así se consideran unos valores bastante realistas. En el caso de las ramas, según el estudio comentado anteriormente (Mund, 2002), a la edad de 100 años, la masa posee una cantidad de carbono acumulado en forma de ramas entre 14,3 MgC7ha y 15,8 MgC/ha, muy similar a lo obtenido en nuestro modelo. La razón para que haya una cantidad similar de ramas en el estudio (Mund, 2002) y en el modelo STELLA es la ya explicada en el caso de las hojas. Dado que en todos los stocks que hemos analizado, hemos obtenido valores coherentes, consideramos que en el caso de la producción primaría neta, que resulta de la suma de los stocks C en madera de tronco, C en hojas, C en raíces finas, C en raíces gruesas y C en madera viva, se obtiene un resultado satisfactorio.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

6.1.2. Módulo de Suelo En el caso del módulo del suelo, solo poseíamos dos valores objetivo, al igual que en el módulo de la biomasa mencionados en el apartado 3.3.3. del capítulo Materiales y Métodos. Se ha calibrado todo el módulo observando las respiraciones objetivo. 

Respiración del suelo

En este caso no vamos a destacar el total de carbono respirado por el sistema según el modelo en la respiración heterótrofa, sino solo el flujo de carbono expulsado en la respiración heterótrofa que se alcanza en el último año (2,4 MgC/ha/año). El valor objetivo que teníamos para el año 100 era de 2,6 MgC/ha/año, por lo que tenemos un error de 0,2 MgC/ha/año. Teniendo en cuenta que este valor depende del funcionamiento de todo el modelo, y que la diferencia entre el valor obtenido y el valor objetivo es mínima, se considera éste un resultado muy satisfactorio. En el caso de la Respiración autótrofa se ha obtenido un valor de 2,6 MgC/ha, pero este valor está introducido directamente mediante una sigmoide gráfica, como se explicó en el apartado 3.3.2.2. del capítulo Materiales y Métodos, por lo que no procede analizarlo. 

Residuos vegetales

Los valores obtenidos para el carbono en forma de material vegetal lábil (3,0 MgC/ha) y para el carbono en forma de material recalcitrante (19,8 MgC/ha) muestran la gran diferencia que existe entre estos dos compartimentos del suelo. Mientras que el material vegetal lábil se descompone fácilmente, el material vegetal recalcitrante se descompone más lentamente, acumulándose en el suelo. 

C en el suelo

En este caso, se puede observar algo muy parecido a lo que ocurre con el material vegetal lábil y el material vegetal recalcitrante. Mientras que el carbono acumulado en forma de microorganismos (24,6 MgC/ha) es más fácil de descomponer, el carbono de los compuestos 111


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

húmicos (48,6 MgC/ha), que resulta mucho más estable, se acumula en el suelo. De esta forma, se observa que el carbono acumulado en los compuestos húmicos resulta el doble del acumulado en los microorganismos al final de los 100 años del periodo de estudio.

6.1.3. El modelo global Como hemos ido viendo por partes, el modelo ha alcanzado un resultado satisfactorio en cada uno de sus módulos, lo que proporciona al conjunto del modelo bastante realismo a la hora de utilizar los datos de entrada.

El balance global de carbono que se observa en el modelo STELLA, es un balance positivo, desde el punto de vista de la captura de carbono por parte del suelo, al obtener una entrada de carbono en el sistema, en forma de producción primaria neta, de 378,5 MgC/ha y una respiración total de 204,0 MgC/ha. Esto quiere decir que entre el suelo y la biomasa aérea han conseguido capturar un total de 174,5 MgC/ha en 100 años, comportándose pues como sumidero de carbono.

Se observa que varias de las curvas de los diferentes stocks del modelo presentan un comportamiento creciente casi lineal y, en otros casos, exponencial. Esto hace pensar que si en vez de dejar correr el modelo 100 años, lo dejásemos correr 130 o 150 años los valores se distorsionarían. Y en efecto así es, pero el motivo por el que sucede esto, es porque el modelo ha sido diseñado para 100 años y dentro de estos límites, el modelo logra unos resultados, como hemos analizado, bastante satisfactorios.

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6.2. Modelo STELLA vs CO2FIX El fin de realizar esta comparación es, suponiendo que el CO2FIX es un modelo ya muy contrastado y validado, testar el modelo realizado mediante STELLA y comprobar su fiabilidad en cada módulo y compartimento.

6.2.1. El C de la Biomasa aérea El resultado del carbono de madera de tronco obtenido en el modelo realizado mediante STELLA (123,7 MgC/ha) y el resultado obtenido con el CO2FIX (122,1 MgC/ha) son muy similares. Esto es debido a que en ambos modelos se ha introducido la misma curva de incremento corriente anual.

Entre los stocks carbono en ramas y carbono en hojas la gran diferencia que podemos apreciar es que la curva de hojas en el modelo STELLA (Gráfico 4, apartado 5.1.1.) presenta un escalonamiento, que no se observa en la curva del CO2FIX (Gráfico 13, apartado 5.2.1.1.). Esto es debido a que el modelo CO2FIX realiza una interpolación de los datos entre los años que no hay datos, mientras que en STELLA se adjudica el mismo valor de crecimiento para cada año de una década.

En el caso de las raíces observamos una gran diferencia entre ambas curvas. Mientras que en el modelo CO2FIX la curva posee un comportamiento claramente sigmoide (Gráfico 13, apartado 5.2.1.1.), en el modelo STELLA, se comporta de una manera prácticamente lineal (Gráfico 5, apartado 5.1.1.) . Este es el motivo por el que una vez transcurridos los 100 años del periodo de estudio, se obtiene una diferencia tan alta entre ambos valores.

En el caso del carbono en la Biomasa no se observa una gran diferencia entre los valores de STELLA y CO2FIX. Esto es debido a que la Biomasa es la suma de los anteriores compartimentos del módulo de Biomasa aérea, por lo que se refleja la igualdad que hemos encontrado en los demás compartimentos. La diferencia que aparece hace relación al

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desequilibrio que hemos visto entre las raíces del modelo STELLA y del CO2FIX. Esta diferencia era considerable para las raíces, pero para el conjunto no es significativa.

6.2.2. El C del Suelo En el caso de los compuestos húmicos, los datos finales son bastante similares. Sin embargo, sus curvas son completamente diferentes, Mientras la curva del modelo STELLA arranca desde 0 y crece exponencialmente (Gráfico 8, apartado 5.1.2.), la curva del modelo CO2FIX comienza con una cantidad de compuestos húmicos alrededor de 80 MgC/ha, experimenta un pequeño crecimiento, pero enseguida empieza a disminuir suavemente (Gráfico 14, apartado 5.2.1.2.). Esto es debido a que el modelo que se ha realizado mediante STELLA se ha diseñado para arrancar desde cero, es decir, sin poseer carbono inicial en ningún compartimento del suelo, mientras que el software de CO2FIX funciona con unos valores iniciales de carbono en el suelo, como se ha descrito en el capítulo de Material y Métodos en el apartado 3.4.2.. Por otro lado y como se observará a continuación en el caso de C en Suelo, se intuye una gran diferencia del método de cálculo de los flujos de carbono en el suelo entre el modelo realizado mediante STELLA y el software CO2FIX.

Al igual que pasa con los compuestos húmicos del suelo las curvas que sigue el carbono acumulado en el suelo en el modelo STELLA (Gráfico 10, apartado 5.1.2.) y en el modelo CO2FIX (Gráfico 14, apartado 5.2.1.2.) son completamente diferentes, por el motivo que se acaba de explicar. Además, en este caso, la diferencia entre los valores finales de ambos modelos es mayor que en los compuestos húmicos. En el caso del intercambio de carbono Atmósfera – Sistema, los valores del modelo STELLA (174,8 MgC/ha) y del escenario planteado en CO2FIX (-98,3 MgC/ha) son muy distantes. Aunque se obtiene una gran diferencia entre ambos valores, observando el gráfico 11 del apartado 5.1.2. y el gráfico 15 del apartado 5.2.1.2. nos damos cuenta de que las curvas poseen un comportamiento muy similar. En el modelo de STELLA las pendientes son más marcadas, y en la curva del CO2FIX existe un incremento inicial inexistente en la curva del modelo STELLA. Sin embargo, se comportan de una manera muy parecida. Debido a esto, en ambas 114


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

curvas se tiende a un aumento del intercambio de carbono Atmósfera – Sistema, en el sentido de que, si ampliase el periodo temporal de estudio, acabarían apareciendo resultados positivos; es decir, en bosques muy maduros, tal y como ambos modelos están planteados, se produciría emisión de carbono a la atmósfera.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

6.3. Análisis del efecto del turno de corta y la mortalidad mediante CO2FIX En este apartado vamos a comparar los escenarios realizados en CO2FIX. Se va organizar en función de los módulos y sus compartimentos. Iremos viendo uno a uno cada compartimento y dentro de cada uno analizaremos los cuatro escenarios, primero los escenarios ideales, después los reales y por último se realizará un comentario sobre las diferencias entre los escenarios ideales y reales.

6.3.1. Módulo de Biomasa aérea 6.3.1.1. El C de la Madera del tronco En relación a los escenarios ideales, se observa que, al no haber mortalidad, el escenario S2 en el que solo se realiza una corta final, presenta mayor cantidad de carbono en madera del tronco al final de los 120 años del periodo de estudio (175,9 MgC/ha), que el escenario S3 en el que se realizan tres cortas cada 40 años (172,4 MgC/ha). Aunque la diferencia es mínima, ya que es solamente de 3,5 MgC/ha, que frente a 170 es un valor despreciable.

Al contrario que en el caso anterior, en los escenarios reales, observamos como la cantidad de carbono presente en la madera del tronco al final de los 120 años de periodo de estudio, en el escenario en el que se han realizado cortas cada 40 años (153,2 MgC/ha), es mayor que en el escenario en el que solo se realiza una corta al final de los 120 años (132,5 MgC/ha). Además, la diferencia es mayor (96,3 MgC/ha). Aun así, no es una diferencia excesiva (14%) y esto se debe a que el turno de corta de 40 años no está pensado para un rendimiento máximo en cuanto cantidad de madera, sino que está pensado para proporcionar en el menor tiempo posible, la mayor cantidad de biomasa posible, para el uso energético.

Además de lo ya comentado, se observa que en estos escenarios, donde no hay mortalidad, se obtiene una mayor cantidad de carbono en forma de madera de tronco. 116


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

6.3.1.2. El C de las Ramas En el caso de las ramas, el carbono acumulado a lo largo de 120 años en los escenarios ideales, realizando una única corta a los 120 años, es 9,8 MgC/ha menor que en el escenario en el que se realizan cortas cada 40 años (37% menor). Esto tiene sentido, ya que los arboles tienden a extender sus ramas ocupando el espacio libre en la masa, generando gran cantidad de ramas al principio; después de una corta, a partir de una edad, mantienen el número de ramas más o menos constante y la curva de crecimiento va disminuyendo su pendiente. Por lo que, como se observa en el gráfico 18 del apartado 5.2.2.1., en el escenario en el que se realizan cortas (S3) la pendiente de la curva siempre es mayor.

En el caso, en el que los escenarios contemplan la existencia de mortalidad, encontramos prácticamente el mismo comportamiento que en el caso anterior, en el que no había mortalidad.

En el caso de las ramas, como acabamos de comentar, el comportamiento con mortalidad y sin mortalidad es prácticamente idéntico, ya que, aunque en los escenarios ideales, se obtiene una mayor cantidad de carbono en forma de ramas que en los escenarios reales, la diferencia es mínima (3 MgC/ha). Por lo que deducimos que la mortalidad no es un factor muy influyente en la cantidad de carbono presente en las ramas existentes en la masa.

6.3.1.3. El C de las Hojas El caso de las hojas es

muy particular, ya que en los escenarios ideales se observa un

crecimiento inicial muy fuerte que a partir del año 50 aproximadamente empieza a descender. Esto provoca la gran diferencia que existe entre el carbono acumulado en el escenario con cortas a 40 años y el escenario con una corta final a los 120 años. Esta diferencia es de 8,3 MgC/ha, que es casi cuatro veces la cantidad de carbono de las hojas que encontramos en el escenario con una única corta final a los 120 años. Este comportamiento es debido a que, como pasaba con las ramas, desde el primer año de vida el árbol genera muchas hojas porque es un órgano vital para la supervivencia de la planta. De este modo se generan hojas muy rápidamente hasta que se ha cubierto el espacio libre en la masa. El descenso observado a partir del año 50 en el gráfico 19 117


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

del apartado 5.2.2.1., es debido a que las copas de los árboles han llegado a cubrir toda la superficie y están en contacto, de esta forma los árboles se desprenden de las hojas de las ramas inferiores a las que no llega la luz.

En cuanto a los escenarios reales, el caso es prácticamente idéntico al caso anterior, en el que no existía mortalidad. Los valores, tanto del escenario en el que se realizan cortas cada 40 años, como en el escenario en el que se realiza una única corta final a los 120 años, son prácticamente los mismos y la diferencia entre ellos es de 8,0 MgC/ha (74%).

Según los datos que hemos obtenido para los distintos escenarios, queda patente que el factor mortalidad no tiene ninguna relevancia a la hora de determinar la cantidad de carbono acumulado en forma de hojas.

6.3.1.4. El C de las Raíces Analizando los escenarios ideales se observa que pasa algo similar a lo que pasaba con el carbono de las ramas. Al principio experimenta un rápido crecimiento y a partir de los 70 u 80 años se estabiliza, incluso comienza a descender. La razón de este comportamiento es que al poseer, la Picea, un sistema radical somero, estas tienden a ocupar lo más rápido posible el terreno libre. Una vez ocupado el terreno, no pueden continuar con su crecimiento e incluso algunas raíces mueren, provocando el descenso que se observa en el gráfico 20, del apartado 5.2.2.1. Esto provoca que en el escenario en el que se realizan cortas cada 40 años se obtengan 13,1 MgC/ha más que en el escenario en el que se realiza una única corta final a los 120 años. Esta diferencia supone que el escenario con cortas cada 40 años posea más del doble de la cantidad de carbono en forma de raíces existente en el escenario ideal con turno de corta de 120 años.

En el caso de los escenarios reales los resultados son muy similares al caso ideal, obteniéndose prácticamente los mismos valores. La diferencia entre el escenario en el que se realizan cortas a 40 años y el escenario en el que se realiza una única corta a 120 años es un poco menor que en el

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

caso anterior (12,3 MgC/ha). Esto supone, como en el caso anterior, que en el escenario con cortas cada 40 años se obtiene más del doble del carbono existente en el escenario S4 (Real 120).

Al igual que pasaba con las hojas, en el caso de las raíces, tenemos datos muy similares entre los escenarios ideales, sin mortalidad y los escenarios reales, con mortalidad. En ambos escenarios (a 40 años real y a 120 años real) los valores de carbono acumulado en las raíces son menores que en los escenarios ideales. Sin embargo, varía más entre los escenarios con cortas a 40 años que entre los escenarios con una única corta final a los 120 años.

Para realizar estos comentarios se ha tenido en cuenta, naturalmente, que en las cortas se elimina por completo el contenido de raíces, por lo que se realiza destoconado con extracción completa de las raíces.

6.3.1.5. El C de la Biomasa En el caso de la biomasa, en los escenarios ideales se observa que se obtiene un valor mayor para la cantidad de carbono acumulado en la biomasa en el escenario con cortas cada 40 años (234,3 MgC/ha), que en el escenario con una única corta final a los 120 años (206,6 MgC/ha). Esta diferencia es de 27,7 MgC/ha, lo cual no es muy significativo respecto al orden de magnitud de estos valores.

En el caso de los escenarios con mortalidad, el escenario con cortas cada 40 años contiene, en forma de carbono acumulado en la biomasa, 51,1 MgC/ha más que el escenario en el que se realiza una única corta a los 120 años. Lo que supone prácticamente un tercio del carbono acumulado en forma de biomasa en el escenario S4 (Real 120). En este caso la diferencia supone una ganancia considerable de biomasa entre realizar cortas cada 40 años y no realizarlas.

Como ya se ha dicho anteriormente, la elección del turno de corta para los escenarios en los que se realizan cortas a lo largo del periodo de estudio, se ha realizado con un criterio energético, es decir, para extraer el máximo de biomasa posible en un periodo de tiempo lo más corto posible.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Por lo que no nos importa que no obtengamos un buen rendimiento en madera, como es costumbre.

Si nos fijamos, observaremos que no obtenemos una gran diferencia en los escenarios reales, entre la masa tratada y sin tratar, en cuanto a madera de tronco se refiere. Sin embargo, si nos fijamos en ramas, hojas y raíces, obtenemos grandes diferencias entre el escenario con cortas cada 40 años y el escenario con una única corta final a los 120 años. Este punto es el que determina, finalmente, que exista esa gran diferencia entre la biomasa extraída en el escenario con cortas con criterio energético y el escenario sin tratar.

Se observa que la diferencia entre el escenario S3_Ideal y el S5_Real, que son los escenarios con cortas cada 40 años, la diferencia de biomasa no es excesiva y por lo tanto la mortalidad natural no influye en gran medida, como pasaba en Hojas, Raíces y Ramas, que son los puntos clave para la obtención de biomasa.

6.3.2. Módulo del Suelo 6.3.2.1. El C del Suelo En el gráfico 21 del apartado 5.2.2.2., se observa que el contenido en carbono del suelo, tanto en el escenario ideal con una única corta final a los 120 años, como en el escenario ideal con cortas cada 40 años, siguen prácticamente la misma curva. En el único momento en el que difieren ambas curvas es en el que se dan lugar las cortas (años 40, 80 y 120). En las cortas del año 40 y 80, el contenido en carbono del suelo del escenario Ideal 40 aumenta, esto es debido a que en el momento de la corta, todos los restos de corta que se dejan en el monte, se incorporan al suelo, realizando una gran aportación de carbono al mismo. Sin embargo, en la corta final observamos como el contenido en carbono del suelo en escenario Ideal 120 aumenta en mayor grado que el contenido en carbono del suelo en el escenario Ideal 40. Esto se debe a que en ese momento la biomasa presente en el monte es mayor en el escenario Ideal 120, por lo que se realiza mayor aportación de carbono al suelo en dicho escenario.

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Este los escenarios en los que existe mortalidad los resultados de carbono presente en el suelo es muy similar a los escenarios sin mortalidad. Los motivos por los que aparecen los picos de aportación de carbono al suelo en el escenario en el que se realizan cortas cada 40 años, son los mismos. Sin embargo, en este caso se observa que las curvas no siguen exactamente la misma trayectoria, sino que la correspondiente al escenario Real 40 desciende más rápidamente. Esto es debido a que, a pesar de que el índice de mortalidad es más alto en los primeros años de vida, es decir, al principio y después de cada corta, y por lo tanto mueren más árboles, las dimensiones de éstos son mucho menores que las de los árboles que no se han cortado nunca y siguen creciendo. Por este motivo, en el escenario Real 120 existe una mayor aportación de carbono al suelo debida a la mortalidad que en el escenario Real 40.

Se observa, que en los escenarios reales existe una mayor acumulación de carbono en el suelo, que en los escenarios ideales, en los que no se contempla la mortalidad. Esto es debido, precisamente al factor que los diferencia. Al no haber mortalidad no poseen la aportación de carbono procedente de los árboles muertos. Se nota en el escenario Real 40, en el que el efecto de la mortalidad es menor, el valor de acumulación de carbono al final de los 100 años del periodo de estudio en este escenario es mayor que en el escenario Ideal 40, pero la diferencia es mínima.

6.3.2.2. El balance de C, Atmósfera – Sistema En los escenarios ideales se observa un balance más negativo en el escenario en el que se realiza una única corta final a los 120 años, encontrando una curva que es descendiente desde el año 5 aproximadamente, en adelante (Gráfico 22, apartado 5.2.2.2.). Sin embargo, en el escenario ideal en el que se realizan cortas cada 40 años, se observa un balance menos negativo, ya que en cada corta se desprende carbono a la atmósfera. Existe una diferencia entre los balances de ambos escenarios al final de los 120 años del periodo de estudio de 121 MgC/ha, la cual es muy significativa. Cabe destacar, que un balance negativo en el intercambio Atmósfera – Sistema, significa que el sistema captura el valor absoluto del carbono que se indica en los valores. Es decir, que un 121


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

balance negativo equivale a un resultado positivo en la fijación de carbono y que la masa forestal actúa, por tanto, como sumidero de carbono.

El caso de los escenarios reales se comporta de una manera muy similar al caso de los escenarios ideales. Sin embargo, en los escenarios reales el balance Atmósfera – Sistema es menos negativo que en el caso de los escenarios ideales. Esto es motivado por la influencia de la mortalidad, ya que como se observa en el gráfico 22 del apartado 5.2.2.2., la perdida de biomasa, provoca emisiones de carbono a la atmósfera. Viendo estos resultados sobre el balance de carbono Atmósfera – Sistema, podría decirse que si el objetivo es fijar carbono, lo que mejor funcionaría es dejar el monte sin realizar trabajos selviculturales. Aunque también observamos que según va llegando el final de nuestro periodo de estudio (120 años), la curva del escenario Real 120 se va estabilizando, lo que da pie a pensar que si se hiciera un estudio en un periodo de tiempo más amplio, esta curva podría ascender hasta llegar a valores positivos.

Estas sospechas se confirman en el grafico 11 del apartado 5.1.2. en el capítulo de Resultados. En este gráfico podemos observar como la curva a partir del año 80 empieza a ascender.

Otro ejemplo que nos puede indicar un comportamiento similar es el de un estudio realizado por la Oficina Federal para el Medio Ambiente de la Confederación Suiza sobre los efectos del CO2 en los bosques suizos y la economía maderera. El estudio está realizado sobre la totalidad del terreno suizo, por lo que simula todo tipo de masas, adultas, jóvenes, plantaciones, etc.

En el grafico 22 podemos observar el comportamiento del carbono en los distintos escenarios planteados en este estudio.

122


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Gráfico 22. Variación en la acumulación anual en los bosques suizos (masa viva, sin influencia de la mortalidad natural y de los residuos (Hofer, 2007).

Donde: -

Zuwachs optimiert -> Crecimiento optimizado

-

Kyoto optimiert -> Optimizado por el protocolo de Kyoto

-

Baseline -> Linea base

-

Reduzierte Waldpflege -> Cuidado del bosque reducido

En el gráfico se puede observar como la curva que representa el escenario de reducida intervención en los bosques, comienza descendiendo, pero enseguida empieza a ascender hasta acabar por encima de todos los demás escenarios.

123


Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

7. Conclusiones

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

7.1. Conclusiones En cuanto a los datos obtenidos con el modelo desarrollado mediante STELLA 10.0. para una masa de Picea abies en Achenkirch (Austria) y de la comparación con el modelo CO2FIX y la bibliografía, se han alcanzado las siguientes conclusiones:

-

El modelo desarrollado mediante STELLA 10.0., para un periodo de estudio de 100 años, alcanza un nivel de satisfacción aceptable.

-

Si el periodo de tiempo se quiere alargar a más de 100 años, el modelo no respondería con resultados coherentes.

-

El módulo de la Biomasa aérea del modelo desarrollado mediante STELLA 10.0. alcanza una mayor precisión en cuanto al contenido final de los stocks comparado con los datos obtenidos con el CO2FIX, que el módulo de Suelo.

-

Según el modelo desarrollado mediante STELLA 10.0., la zona estudiada se comporta como un sumidero de carbono en un periodo de 100 años sin realizarse ningún tipo de gestión forestal.

-

A la vista de la experiencia obtenida con el software STELLA 10.0. se concluye que es un software sencillo e intuitivo para la modelización del ciclo de carbono, pero sin embargo le falta potencia para soportar la carga de ecuaciones y comandos que requiere la modelización del ciclo del carbono.

Respecto a los datos obtenidos en la comparación de los distintos escenarios, con distintos turnos y ausencia o presencia de mortalidad, planteados en CO2FIX se han alcanzado las siguientes conclusiones:

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Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

-

El turno de 40 años elegido para conseguir mayor rendimiento energético mediante la obtención máxima de biomasa en el menor tiempo posible ofrece un resultado muy satisfactorio.

-

El factor de mortalidad natural dentro de la masa no es un factor determinante a la hora de realizar una gestión con fin energético.

-

Las masas con menor mortalidad y con menor cantidad de trabajos de gestión de la masa, secuestran mayor cantidad de carbono de la atmósfera en un periodo de 120 años.

-

En periodos de tiempo mayores de 120 años, se intuye un mayor equilibrio en el balance de carbono Atmósfera – Sistema, en las masas gestionadas que en las masas sin gestionar.

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Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

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8. Bibliograf铆a

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ANEXOS

139


Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

ANEXOS Tabla 1: Tabla de inventario del estudio UBA Carbon (Dirnb枚ck & Mirtl, 2009) (Pagina 137). Tabla 2: Tabla de rendimiento del estudio (Marschall, 1975) (Pagina 138).

140


Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Biomass Soil

Mass IP1 ha

IP3 (2007 bzw. 2009)

IP3 (2007 bzw. 2009) ha

per ha

on sampling plot

per ha

IP1 2003 on sampling plot

number of trees

106

479

53

mean tree height [m]

24

27

29

mean diameter [cm]

37

42

42

Carbon: stem wood

30106

136022

18108

121157

19625

131308

Carbon branches [kg/ha]

3424

15468

2094

14010

2173

14537

Carbon in needles and leaves [kg/ha]

1807

8163

956

6398

974

6520

Carbon roots [kg/ha]

11117

50226

6210

41552

6398

42807

Carbon aboveground biomass [kg/ha]

35337

159653

21159

141565

22773

152365

Carbon total biomass [kg/ha]

46453

209878

27369

183117

29171

195172

Stem area (Grundfl盲che) m2

14

62

8

51

8

53

wood volume (m3/ha)

196

884

110

734

118

793

IP3 on sampling plot

mean aboveground litterfall (1994-2004) [kg/ha] mean belowground litterfall (1994-2004) [kg/ha] Soil Forest floor material 0-20 cm 20-50 cm total

IP3 ha

IP1 on sampling per ha plot

10206 79303 30455 119963 6300

5700

2205

1995

4095

3705

IP1 2007 ha

per ha

355

9004 79126 45918 134048

2

CO emission autotroph (35% of total) [kg C/ha] 2 CO emission heterotroph (35% of total) [kg C/ha]

per ha

IP1 2007 on sampling plot

2000-2300 157

2

CO emission [kg C/ha]

IP1 2003 ha

141


Modelización del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

Masa remanente

Edad 30

Altura (m) 7,3

Altura media (m) 5,3

Diámetro medio (cm) 7,3

Factor de forma 0,286

N/ha 4402

masa extraída

Area basimétrica volumen (m2/ha) (m3) ADZ 18,4240727 28 0,93

masa extraída en cada década (m3)

masa total extraída (m3)

%

16

14

35

17,7

58

20,4

84

22,5

110

24,2

136

25,5

161

26,6

184

27,4

205

28

223

28,4

11 40

10,3

8

10,9

0,454

2844

26,5382615

95

2,39 19

50

13,1

10,5

14,2

0,471

2054

32,5287226

161

3,23 23

60

15,7

12,9

17,3

0,469

1584

37,2337917

226

3,76 26

70

18

15,1

20,2

0,464

1280

41,0206549

287

4,1 26

80

20,1

17,1

22,8

0,459

1072

43,7677641

344

4,3 26

90

21,9

19

25,2

0,455

922

45,9856028

397

4,41 25

100

23,5

20,6

27,4

0,452

813

47,9381812

445

4,45 23

110

25

22,1

29,3

0,449

731

49,2881479

488

4,44 21

120

26,2

23,4

31

0,447

668

50,418478

527

4,4 18

130

27,4

24,5

32,5

0,446

621

51,5167199

562

4,33

masa total tasa de crecimien to por década (m3 stem crecimiento wood / total (m3) yr) 33 7,8 111 8,5 196 8,8 284 8,7 371 8,4 454 7,9 533 7,3 606 6,6 672 6 733 5,3 785

media de la tasa de crecimiento (m3 stem wood / yr) 1,1 2,8 3,9 4,7 5,3 5,7 5,9 6,1 6,1 6,1 6 142


Modelizaci贸n del Ciclo de Carbono en una masa de Picea abies (L.) en Achenkirch (Austria) mediante STELLA 10.0.

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Proyecto Fin de Carrera Carlos Plaza Cabezas