Efecto del cambio en el uso de suelo sobre la dinámica hidrológica y calidad de agua en el trópico húmedo del centro de Veracruz, México Público Deposited

La cuenca alta del río La Antigua (1.325 km²), ubicada en la vertiente oriental de la cordillera Cofre de Perote- Pico de Orizaba (región central de Veracruz, México), es una región biodiversa e hidrológica importante, la cual abastece de agua a ciudades como Xalapa y Coatepec, y sostiene en sus partes bajas actividades agrícolas, recreativas, de pesca, entre otras. El bosque mesófilo de la montaña (BMM), tipo de vegetación dominante en esta región, es un ecosistema de alto valor por los servicios hidrológicos. A pesar de ello, estos bosques han sido poco valorados. Su deforestación causada por la expansión de actividades agropecuarias, ha reducido drásticamente sus superficies en los últimos treinta años. Con el propósito de detener estas tendencias, el programa de Pago por Servicios Ambientales Hidrológicos (PSAH) fue creado y puesto en marcha en el año 2002, por iniciativa de la sociedad civil, Ayuntamiento de Coatepec, gobierno del Estado de Veracruz y la CONAFOR, como una estrategia dirigida a proteger las superficies de BMM no comerciales mediante un esquema de incentivos a propietarios privados y ejidales, con el fin de asegurar la generación de servicios ambientales de estos bosques, en particular la provisión y mantenimiento de agua de buena calidad a pobladores ubicados en la parte baja de la montaña. El conocimiento científico en relación al comportamiento hidrológico y fisicoquímico del BMM y sus efectos por el cambio a otros usos de suelo en cabeceras de cuencas es escaso. En México, los estudios en este tema son prácticamente inexistentes. De manera que la presente investigación se llevó a cabo en microcuencas cubiertas por BMM (maduro y secundario) y pastizal ubicadas en la parte alta de la cuenca del río La Antigua, Ver., con los siguientes objetivos: 1) Conocer la distribución y cambios en el uso de suelo en la cuenca alta del río La Antigua durante el periodo 1990-2003; 2) Evaluar los efectos hidrológicos derivados de la perturbación del bosque mesófilo de montaña y conversión a pastizal, específicamente en el patrón y distribución estacional y anual de los caudales (escurrimientos rápidos y flujos base) a escala de microcuencas; y 3) Analizar el efecto del uso del suelo en la dinámica y exportación hidrológica de solutos en los ríos. A nivel paisaje (cuenca alta), se analizaron los cambios ocurridos en la vegetación y uso de suelo durante el periodo 1990-2003 mediante imágenes de satélite Landsat TM utilizando SIG y técnicas de percepción remota. La caracterización de la heterogeneidad ambiental de la cuenca involucró el entrenamiento de un gran número de píxeles en el proceso de clasificación supervisada de las imágenes. Las exactitudes delas clasificaciones fueron evaluadas a través de matrices de error espectral y real (verificación en campo). Los resultados de las clasificaciones fueron satisfactorios obteniéndose porcentajes totales de 78 y 80 para imagen de 1990-2003, respectivamente. Se incorporó la información del modelo digital de terreno para mejorar la diferenciación entre las clases de vegetación y uso de suelo. El sensor Landsat TM probó ser lo suficientemente sensible para separar los distintos patrones espectrales que caracterizan a un paisaje ambientalmente complejo, como fue el caso. El intervalo de tiempo seleccionado y la escala abordada en este estudio, son adecuadas para establecer estrategias de planeación a nivel regional. De los procesos de cambio registrados en el periodo 1990-2003, la disminución del bosque mesófilo de montaña (30%; 20,100ha) para su conversión a pastizal y cultivos fue el más importante. A nivel de microcuenca, la aproximación metodológica se basó en la comparación de tres microcuencas (<40 ha) cubiertas por BMM maduro, BMM secundario (regeneración natural), y pastizal inducido. Estos sitios fueron instrumentados para la medición intensiva y seguimiento a detalle de sus procesos ecohidrológicos. El análisis de los escurrimientos generados por la precipitación mostró que sí existe una mayor generación de escurrimientos superficiales en el bosque perturbado y pastizal (4.5 y 6.2% de la precipitación, respectivamente) comparados con el bosque maduro (2.2%). Sin embargo los porcentajes que se obtuvieron fueron muy bajos (< 6% de la precipitación), y sin mayores diferencias cuantitativas entres sitios atribuido principalmente a las propiedades hidrofísicas de los suelos volcánicos, factores climáticos y fisiográficos. De la época de lluvias a la de secas, el bosque secundario y pastizal mostraron una reducción similar en sus caudales, siendo ésta mayor que la del bosque maduro. Debido a una baja generación de escurrimiento superficial del pastizal durante la época de lluvias, a un descenso de sus caudales durante la transición de la época de lluvias a la de secas muy similares a las del bosque secundario, y un menor consumo de agua comparado con los bosques, los resultados mostraron que los rendimientos hídricos del pastizal durante la época de secas son similares, o bien un factor que determinó los volúmenes de agua de los flujos base y caudales observados en los ríos. En este caso, la microcuenca pastizal mostró los flujos base más altos atribuido a su material parental de mayor consolidación y menos permeabilidad que el de los bosques. El disturbio del bosque mesófilo y su conversión a pastizal sí produjeron mayores rendimientos hídricos anuales, atribuido principalmente a un menos consumo de agua (evapotranspoiración). Sin embargo, se observó que los rendimientos hídricos anuales reportados por la cubierta en regeneración por un lapso de 19 años, comienzan a ser similares al del bosque conservado. En cuanto al estudio fisicoquímico, los resultados indicaron que los ríos de macrocuencas investigados son carbonatados y extremadamente diluidos. El sílice fue el elemento más abundante en los ríos, asociado a proceso naturales de intemperización de roca volcánica. Los patrones observados en las concentraciones de material particulado y disuelto en los ríos permitieron separar aquellos que guardan estrecha relación con el componente geológico de los asociados a la cubierta de vegetal y uso de suelo. El río de pastizal comparado con los bosques mostró las más altas concentraciones de iones y material disuelto asociado directamente a su origen y características litológicas. La composición química de los ríos de los bosques fue similar y sin diferencias significativas entre ellos. El río del pastizal mostró las concentraciones más altas de SST comparado con los bosques por ser un tipo de vegetación más propensa a generar escurrimientos superficiales en respuesta a la precipitación, con lo cual se favorece la erosión y pérdida de suelo, en consecuencia los efectos más pronunciados fueron observados durante la época de lluvias. Los ríos de los bosques reportaron las concentraciones más altas de nutrimentos. NOˉ̅₃ particularmente, atribuido a una mayor producción, reciclaje, conservación y disponibilidad de nutrientes asociado a una mayor biomasa vegetal comparado con el pastizal, en el cual los bosques acentuaron sus diferencias con este tipo de vegetación durante la época de “Nortes”.

The La Antigua upper watershed (1,325 km²) is located on the Eastern and northern slopes of the Cofre de Perote and Pico de Orizaba volcanoes, respectively (central Veracruz, Mexico). It is a región of high biodiversity and great hydrological importance, which plays an important role supplying wáter downstream to main urban centres, such as Xalapa and Coatepec, and providing wáter for agricultural puposes, and supporting local fisheries and recreational activities, among others. The dominant vegetation cover in the región is tropical montane cloud forest (TMCF), which is generally considered a valuable ecosystem because of the hydrological services it provides. However, due to the expansión of crops and pasture lands, the área covered by TMCF has been greatly reduced during the last 30 years. In order to reduce these tendencies, a Payments for Hydrological Services program, developed through joint efforts of the civil society, the municipaity of Coatepec, the state government of Veracruz, and the national forest commission (CONAFOR), was started in 2002. The program consists of anual payments to the Highland forest owners and communities in order to protect the forests and threby maintain a stable supply of good quality wáter to the lowlands communities. Scientific information about the hydrological behaviour of TMCF and the effects of its conversión to other land uses is scarce, particularly in the case of Mexican TMCF. The present study aimed to address this knowledge gap by studying three small watersheds in the upper part of the La Antigua watershed covered with, respectively, undisturbed cloud forest, 19-year old regenerating cloud forest, and pasture, with the following objetives:1) Determine the land use and land cover in the La Antigua upper watershed and changes therein during the period 1990-2003; 2) Evaluate the hydrological effects of TMCF disturbance and its conversion to p pasture, with emphasis on anual and seasonal disstribution of streamflow (baseflow and stormflow); and 3) Determine teh effects of land use on river solute transport and seasonal dynamics therein. Land use/cover (LUC) and changes between 1990 and 2003 in La Antigua river upper watershed were analysed with Landsat TM images using a GIS-RS approach. A large set of training pixels was used for the supervised classification to optimize the representation of environmental heterogeneity. Classification accuracy was assessed with spectral and field-checked error matrices. Overall classification accuracy for the 1990 (78.2%) and 2003 (79.7%) imgaes was satisfactory. Ancillary data (DEM) was incorporated to improve discrimination between LUC categories. The Landsat TM sensor proved sensitivie enough to separate the different spectral patterns related to the LUC clases in this complex landscape. The time interval and scale selected are suitable for strategic planning purposes. Depletion of TMCF (30%; 20,100 ha), and its conversión to pasture and agricultura, was by far the most important LUC change over the period of study. The hydrological effects of TMCF disturbance and its conversión to pasture were studied by cmparing hydrological measurements made in three small watersheds (<40 ha) covered with, respectively, undisturbed cloud forest, regenerating cloud forest, and pasture. Although stormflow was higher in the regenerating forest and pasture e(4.5 and 6.2 % of rainfall, respectively) tan in the undisturbed forest (2.2%), the values observed in all three watersheds were very low (<6% of rainfall), which was attributed to the hydraulic properties of the volcanic soils and climatic and physiographic factors. The reduction in streamflow from the wet to dry season was similar for the regenerating forest and pasture, while it was lower for the undisturbed cloud forest. Due to low stormflow generation during the wet season, a reductiron in streamflow during the dry season similar to that of teh regenerating forest, and lower evapotranspiration, dry season wáter yield from the passture was similar, ore ven somewhat higher, tan that from the forests. Annual wáter yield was lowest for the undistrubed cloud forest, mainly due to the greater rainfall interception. The wáter yield from the regenerating cloud forest was nearly similar to that from undisturbed cloud forests, indicating that the forest i son its way to pre-disturbance levels. The geology appeared to be an important factor in determining baseflow levels. Because the parent material in the pasture watershed was more consolidated and less permeable that in the forest watersheds, baseflow in the forrmer was much higher tan in the latter. The wáter chemistry analysis showed that streams investigated were carbonated and highly diluted. Silicate, formed mainly by weathering of the volcanic rock, was the most abundant element in the streams. The observed seasonal patterns of particualte and disolved material concentrations allowed separating between contributions by geology and land use/cover. The pasture stream had the highest concentrations of ions and disolved materials that were associated directly with the lithology of the watershed. The chemistry of the stream wáter of the undisturbed and regenerating forest was very similar. In particular during the wet season, the pasture stream showed the highest concentrations of SST, presumably due to higher levels of overland flow that may have promoted erosion of the soil Surface. The forest streams sowed the highest concentrations of nutrients, in particular NO¯₃, which was attributed to a higher production, recycling, retention, and availability of nutrientes due to the greater biomass as compared to the pasture. These differences were largest during the dry season, when many tree species change their leaves.

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