ASOCIACIN ENTRE EL FENMENO EL NIO Y LAS ANOMALAS DE HUMEDADDE SUELO Y DEL NDICE NDVI" EN COLOMBIA

Germn Poveda (1), Alvaro Jaramillo (2) y Ricardo Mantilla (1)

(1) Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidrulicos,Universidad Nacional de Colombia, Medelln, Colombia

(2) Centro Nacional de Investigaciones del Caf, CENICAF,Chinchin, Colombia

correo-e: gpoveda@perseus.unalmed.edu.co

RESUMENSe muestra que el fenmeno El Nio amplifica fuertemente las anomalas negativas de humedad de suelo yNDVI (Indice de Vegetacin de Diferencias Normalizado) en Colombia. La variabilidad temporal de lahumedad del suelo se estudi usando datos de reflectometra en el dominio del tiempo, medidos aprofundidades de 20 y 40 cm en tres sitios cubiertos por caf bajo sombra, bosque y caf al sol, en los Andestropicales del centro de Colombia. La evidencia muestra la alta correspondencia de la variabilidad anual einteranual de los datos de humedad volumtrica del suelo (promedios de 10 das), para el perodo 1997-1999,cuando se presentaron eventos fuertes de El Nio y La Nia en el Ocano pacfico tropical. Los resultadosmuestran dficits ms fuertes de humedad de suelo durante el evento El Nio de 1997-98, siendo msintensos durante las estaciones normalmente ms secas que ocurren en Colombia, como resultado de laoscilacin meridional de la Zona de Convergencia Intertropical. As, las anomalas de humedad de suelo sonprofundizadas a la escala de tiempo del ENSO, y son ms fuertes en zonas con caf al sol que en aquellascon caf a la sombra y bosque. La humedad de suelo responde a las anomalas positivas de lluvias durante LaNia 1998-1999, alcanzando valores mximos durante ese perodo. La funcin de distribucin deprobabilidades de los registros de humedad de suelo es altamente asimtrica y presenta diferentes tipos deuni o multimodalidad dependiendo del tipo de cobertura vegetal. El NDVI presenta anomalas negativasdurante todo el ao en eventos El Nio, en particular durante los meses de Septiembre a Noviembre SON(0), y en JJA(0), lo cual se confirma va resultados de anlisis de correlacin con el Indice de Oscilacin delSur. Estos resultados tienen implicaciones importantes para los balances de carbn, agua y energa en lasAmricas tropicales, que incluyen los Andes tropicales y la cuenca Amaznica.

1. INTRODUCCIN

El ciclo hidrolgico anual en Sur Amrica tropical est controlado fuertemente por la oscilacinmeridional de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), exhibiendo variabilidad espacial por lapresencia de la cordillera de los Andes y la cuenca del Ro Amazonas, por la circulacinatmosfrica asociada con los ocanos Pacfico y Atlntico tropicales, y por la interaccin suelo-atmsfera. La regin exhibe anomalas hidro-climticas del mismo signo durante las dos fases delfenmeno El Nio/Oscilacin del Sur (ENSO). Ver Aceitun (1988), Ropelewsky y Halpert (1996).Con pocas variaciones regionales durante El Nio se presentan dficits de precipitacin y caudales,y generalmente lo contrario durante La Nia. Los mecanismos fsicos asociados a estas anomalasse discuten en los trabajos de Hastenrath y Marengo (1993), y en particular para Colombia enPoveda y Mesa (1997, 2000), Poveda et al. (1998, 1999, 2001).

En este trabajo se estudia el efecto de El Nio y La Nia sobre la humedad de suelo (variablefundamental del ciclo hidrolgico) y sobre el llamado Indice Normalizado de Diferencias en laVegetacin (NDVI, por sus iniciales en ingls). El NDVI es una variable que representa laactividad vegetal, que est asociada con alteraciones en la humedad del suelo y laevapotranspiracin (otra variable fundamental del ciclo hidrolgico).

2. DATOS Y METODOLOGA

Mediante la tcnica de reflectividad en el dominio del tiempo se tomaron registros diarios decontenido de humedad volumtrica en el suelo y se promediaron cada de 10 das, durante el perodoMarzo 1997- Agosto de 1999. En ese perodo se presentaron El Nio y La Nia en el Pacficotropical. Las mediciones se efectuaron en tres sitios experimentales, localizados en parcelas delCentro Nacional de Investigaciones del Caf, en Chinchin, zona cafetera de Colombia (500N,7536O, 1425 m de altura sobre el nivel del mar), sobre la vertiente occidental de la cordilleracentral de los Andes. Los tres sitios experimentales se localizaron bajo diferente cobertura vegetal:(i) arbustos de caf rodeados de rboles ms altos de guamo (Inga edulis mart), la cual sedenominar de aqu en adelante como caf en sombra (ii) bosque secundario (con regeneracin dediversas especies nativas), y (iii) arbustos de caf sin ms vegetacin (caf al sol). Los tres sitiosestaban localizados a una distancia de 200 m entre ellos. La humedad volumtrica del suelo fueregistrada a 20cm y 40 cm de profundidad de la superficie del suelo (los datos los denominaremoscomo HVS-20 y HVS-40 en adelante). La topografa del sitio exhibe pendientes entre moderadas ygrandes, con suelos profundos derivados de cenizas volcnicas, y que presentan alta estabilidadestructural, permeabilidad moderada, baja densidad y ricos en contenido de materia orgnica. Engeneral, en estas vertientes los niveles freticos estn muy profundos. El suelo del cafetal a libreexposicin presenta un primer horizonte con muy bajo contenido de materia orgnica. Los registrosde precipitacin sobre el rea fueron obtenidos mediante el promedio de dos estaciones de medicininstaladas alrededor de los tres sitios de medicin de humedad del suelo. Se efectuaron anlisisestadsticos de los registros de la humedad de suelo, incluyendo correlaciones con la precipitacinlocal, as como autocorrelacin de las series, estimacin de las funciones de distribucin deprobabilidades y kurtosis.

Los datos de Indice Normalizado de Diferencias en la Vegetacin (NDVI) para el norte delcontinente Suramericano fueron obtenidos de los registros del instrumento Advanced Very HighResolution Radiometer (AVHRR), instalado en el satlite Ambiental de rbita polar (POES, ThirdGeneration C-Level) de la Administracin de la Atmsfera y el Ocano (NOAA) de EstadosUnidos. Los registros corresponden al perodo Abril 1985-Diciembre 1997, y la escala espacialcorresponde a 8 minutos de arco (NOAA, 1998). Se estimaron las anomalas del NDVI sobre laregin, durante los eventos de El Nio y se efectuaron mapas de las correlaciones estacionales entreel Indice de Oscilacin del Sur (IOS) y los registros de NDVI sobre Colombia y el norte de SurAmrica.

3. Variabilidad de la Humedad de Suelo

Resultados de conocidos modelos de Reanlisis Climtico, como GEOS-1 de NASA yNCEP/NCAR, evidencian que durante El Nio ocurren dficits de humedad de suelo en el trpicode Sur Amrica [Poveda y Mesa, 1997; Poveda et al., 1999; 2001]. Aunque la humedad de suelo esuna variable derivada en esos modelos (no medida), tales anomalas negativas son consistentescon las de precipitacin y de caudales de ros. Por ello, hemos medido la humedad de suelo en lazona cafetera Colombiana, en el perodo abril 1997-agosto 1999, cuando se presentaron eventos deEl Nio y La Nia en el Pacfico tropical. En la Figura 1 se muestra la evolucin temporal de lahumedad volumtrica del suelo a 20cm de profundidad. Para estos suelos volcnicos la humedad desuelo alcanza valores mximos de 50-52% (generalmente justo despus de una tormenta muyintensa), pero estos valores se mantienen por muy poco tiempo debido a la textura, a las altas tasasde percolacin y al contenido de materia orgnica (Saxton et al., 1996). Los anlisis de la evolucinde la HVS-20 revelan varios hechos. Las reducciones en la humedad del suelo son evidentesdurante los eventos El Nio. Los registros de HVS-20 llegan a lmites superiores del orden de 45%para caf a la sombra, 40% para bosque y de 30% para caf al sol. Los datos a 40 cm (HVS-40)

Figura 1. Evolucin decadal (promedios de 10 dias) de la humedad del suelo a 20 cm deprofundidad en la regin central de Colombia bajo tres coberturas vegetales diferentes: Caf a lasombra, Caf al sol y bosque natural, durante el periodo Marzo de 1997 a Agosto 1999.

alcanzan lmites superiores del orden de 45% para caf a la sombra y de 40% para bosque y paracaf al sol. Tpicamente, los valores promedio de HVS son mayores a 40 cm (25%-46%) que a 20cm (18%-42%); para caf a la sombra, las HVSa las dos profundidades son similares (oscilandoentre 25-48%). Para caf al sol, la humedad de suelo promedio a 35 cm (8%-40%) es ms alta que a20 cm de profundidad (8%-30%), excepto durante los perodos de sequa del ciclo anual normal,aumentados por El Nio, en los cuales los datos de HVS-20 y HVS-35 declinan a valores similares(alrededor de 8%). La humedad en la profundidad indica una menor capacidad de este ltimo tipode cobertura vegetal para retener agua en la columna de suelo. El hecho de que la HVS sea mayor amayores profundidad tanto para el bosque como para caf al sol, se puede explicar en trminos deuna mayor tasa de evaporacin cerca de la superficie, la cual puede ser controlada ms fcilmentepor los procesos radiativos en el caf en sombra. Todas las series de HVS exhiben un notabledecrecimiento durante la poca de Julio-Septiembre de 1997, as como durante Diciembre 1997-Marzo 1998, como resultado de la disminucin de la precipitacin, a su vez por efecto de El Nio.Las pocas ms secas corresponden a las bien conocidas pocas de menores lluvias en la regin,que se presentan como resultado de la oscilacin meridional de la ZCIT sobre Colombia, pero eneste caso el dficit de humedad de suelo es intensificado debido a los mecanismos fsicos queoperan en la regin durante El Nio, incluyendo la retroalimentacin en el sistema suelo-atmsfera(Poveda y Mesa, 1997). La precipitacin durante el perodo Diciembre-Enero-Febrero (DEF) 1997-1998 tambin disminuy en tales pocas como consecuencia del desplazamiento de la ZCIT al sur-oeste de su posicin normal durante los eventos de El Nio, pero DEF 1998-99 se presentaronanomalas positivas de precipitacin como consecuencia de la ocurrencia de la fuerte ocurrencia dela fase opuesta, el fenmeno de La Nia. El coeficiente de correlacin entre los registros deprecipitacin y la primera componente principal de la HVS-20 alcanza un valor mximo de 0,53(P=0,01) cuando la precipitacin antecede la humedad de suelo en 20 das. Estos resultados indicanque la variabilidad de la humedad de suelo como de la lluvia tropical a escalas anual e interanualestn altamente acopladas en el tiempo.La estimacin de la funcin de distribucin de probabilidad (FDP) para HVS-20 y HVS-40 (verFigura 2) permite concluir que exhiben asimetra, as como uni o multi-modalidad, dependiendo dela cobertura vegetal. La humedad de suelo en caf al sol exhibe un coeficiente de asimetra ms alto(-1,52 para HVS-20 y 1,36 para HVS-40) que aquel para los otros dos tipos de coberturas. Ntese

0

10

20

30

40

50

Apr

-97

Jun-

97

Aug

-97

Oct

-97

Dec

-97

Feb

-98

Apr

-98

Jun-

98

Aug

-98

Oct

-98

Dec

-98

Feb

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Apr

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Jun-

99

Date

Hum

edad

de

suel

o vo

lum

tric

a (%

)

0

100

200

300

400

500

600

Pre

cipi

taci

n (

mm

)

Bosque C. SombraC. Sol Precipitacin

Figura 2. Grficos de las funciones de densidad de probabilidad para las series de humedad delsuelo a 20 y 40 cm de profundidad bajo distintas condiciones de cobertura vegetal en la regincentral de Colombia.

el comportamiento uni-modal en la FDP para caf al sol y el comportamiento multi-modal parabosque y para caf a la sombra. Este tipo de comportamiento puede estar asociado con una mayorintermitencia de la humedad de suelo en caf al sol. La intermitencia se puede cuantificar mediantela estimacin de la FDP de la serie estandarizada [dx(t,t)=(x(t+t)-x(t))/s], que posee varianzaunitaria. Se utiliza el coeficiente de kurtosis, k4, como una medida de la intermitencia, ya que ellamodifica la forma de la FDP de una Gaussiana (k4=3) a una distribucin ms aplanada (k4>3)(Batchelor y Townsed, 1949; Bruno et al., 1999). En la Tabla 1 se muestran los resultados, y seconcluye que los valores ms altos de k4 corresponden a la humedad de suelo en caf al sol, enparticular para t=1, lo cual confirma la mayor intermitencia de la humedad de suelo en caf al sol,en comparacin con el bosque y el caf a la sombra. Esto, a su vez, indica una menor capacidad delsuelo en caf al sol, para regular las oscilaciones hidrolgicas, en particular aquellas que ocurrendurante las sequas ms intensas asociadas con El Nio. La profundidad de las races, las tasas deevapotranspiracin y los balances locales de agua y energa juegan un papel fundamental en ladefinicin del menor grado de intermitencia de la humedad de suelo en el bosque y en el caf a lasombra. Por tanto, concluimos que la cobertura vegetal modula fuertemente la variabilidadhidrolgica en el tiempo (y espacio) en el trpico. Las pocas crticas de sequa, particularmenteaquellas asociadas con El Nio, pueden ser reguladas (disminuidas) mediante el uso de la tierra.

Tabla 1. Estimacin del coeficiente de kurtosis, k4, para los registros promedios de 10 das de humedadvolumtrica del suelo a 20cm (HVS-20) y a 40cm de profundidad (HVS-40), para los datos originales y paralas series estandatrizada dx(t,t)=(x(t+t)-x(t))/s, y para diferentes valores de t, y en tres coberturasvegetales diferentes en los Andes de Colombia Central, durante el perodo Marzo 1997- Agosto 1999.

HVS-20 HVS-40Cobertura Vegetal

Serie

original

t=1 t=2 t=3 Serie

original

t=1 t=2 t=3

Bosque 0.64 0.85 0.12 0.16 -0.34 2.03 2 8 2.43

Caf en sombra -0.16 0.73 0.48 0.64 -0.31 0.71 1.17 1.19

Caf al sol 1.04 6.29 3.51 3.74 0.46 5.48 3.9 4.41

0

5

10

15

20

25

30

35

-3 -2 -1 0 1 2

Desviaciones EstandarF

recu

enci

a (%

)

Forest 20 Shade coffee 20 Sun coffee 20

Forest 40 Shade coffee 40 Sun coffee 40

4. NDVILos resultados presentados en la seccin anterior ponen de presente los fuertes vnculos

existentes entre la hidrologa superficial y la vegetacin en los Andes tropicales. El ndice de NDVIse usa como una medida de la actividad fotosinttica de las plantas, ya que es afectada por laabsorcin de la radiacin solar por la clorofila. El NDVI se define como la relacin entre lostrminos (NIR-Red) y (NIR+Red), en donde NIR es la respuesta espectral en la banda del cercanoinfra-rojo (0.73-1.1 m), y Red es la respuesta espectral en la banda del Rojo (0,55 0,68 m)(Tarpley et al., 1984; Szilagyi et al., 1998). Aqu hemos usado los datos de NDVI de NOAA (1998),durante el perodo Abril 1985-Diciembre 1997. La Figura 3 muestra los mapas estacionales de lasanomalas (desviaciones de la media, en porcentajes) de NDVI durante los eventos El Nio de1986-87, 1991-92, 1994-1995, y 1997. Observamos anomalas negativas significativas durante loseventos El Nio histricos, particularmente durante Septiembre-Octubre-Noviembre del ao (0), ascomo en JJA(0), del orden de 30%. La Figura 4 muestra los mapas de correlaciones estacionalesentre el Indice de Oscilacin del Sur (SOI, que representa el fenmeno ENSO mediante ladiferencia entre las anomalas estandarizadas de las presiones atmosfricas superficiales en Tahit yDarwin), y las anomalas de NDVI sobre el trpico de Sur Amrica. Los resultados muestran fuertescorrelaciones positivas (0,7-0,9) en el rezago cero (simultneas), en particular durante los trimestresde DEF del ao (+1), y correlaciones significativas con un mes de rezago entre el SOI en SON y el

Figura 3. Mapas de las anomalas promedio de NDVI registradas durante los episodios El Nio deof 1986-87, 1991-92, 1994-95, and 1997. La anomala se expresa como el cambio porcentual de lamedia de NDVI registrada en los aos El Nio y la de los dems aos del periodo de registro (1985- 1997).

NDVI en DEF. Tales correlaciones positivas entre el SOI y el NDVI indican unadisminucin en la actividad vegetal durante El Nio, consistentemente con las anomalas negativashalladas en la precipitacin y en los caudales (Poveda et al., 1998), as como en la humedad desuelo (seccin anterior). Tal comportamiento dinmico del NDVI es altamente importante paraentender el ciclo del Carbono en el trpico Americano, incluyendo la cuenca Amaznica, y nospermite formular la siguiente hiptesis sobre el comportamiento de la evapotranspiracin. Hayevidencias que indican: (i) una fuerte correlacin entre el NDVI mensual y la evaporacin estimadadel mes precedente (Szilagyi et al., 1998), y (2) que las limitaciones de agua (como es el casodurante El Nio), imponen condiciones de stress hdrico an sobre bosques tropicales (Oren etal., 1996). Por tanto, en ausencia de mediciones extensas en reas extensas del trpico Americano,conjeturamos que se presentan anomalas negativas en evaporacin real durante las pocas mssecas asociadas con El Nio en Colombia, y consistentemente anomalas positivas en evaporacinpotencial, si nos apoyamos en la complementariedad que se da entre ambos tipos de evaporacinpara bajos contenidos de humedad en el sistema suelo-planta (Morton, 1978, Brutsaert y Parlange,1998).

Figura 4. Mapas de correlacin estacional entre las anomalas del ndice de Oscilacin del Sur(IOS) y el NDVI sobre Colombia. Fuente de los datos: NOAA (1998).

5. Conclusiones

Se muestra evidencia sobre el acoplamiento entre la variabilidad anual e interanual de lahumedad del suelo en la zona cafetera Colombiana. Esto significa que El Nio intensifica msfuertemente las pocas de sequa (normales dentro del ciclo anual) y que La Nia disminuye losdficits de humedad de suelo. Durante La Nia 1998-1999, los datos de humedad de suelo noreflejaron el carcter bimodal que exhibe normalmente el ciclo anual de esta variable. La humedadde suelo a 40cm es mayor que a 20cm en caf a la sombra y en bosque. Para caf al sol, la humedadse deprime a los mismos valores en las pocas de sequa ms intensa asociadas al evento El Nio.La estimacin de la funcin de densidad de probabilidades de los registros de promedios de 10 dasde humedad de suelo revela fuertes asimetras. El caf al sol presenta mayor intermitencia, mayorcoeficiente de asimetra y una FDP unimodal, y los otros dos tipos de cobertura exhibenmultimodalidad en las FDP. Esta multimodalidad en la humedad de suelo ha sido modeladamediante ecuaciones diferenciales no lineales forzadas por ruido estocstico (Rodrguez- Iturbe etal., 1991), o alternativamente, mediante la representacin probabilstica de la variabilidad climticaacoplada a modelos de la vegetacin distribuida en el espacio (Rodrguez-Iturbe et al., 2000).Nuestros resultados sugieren que la multimodalidad de la FDP de la humedad del suelo estasociada con el papel que juega el sistema hidrologa superficial-vegetacin, cuando est sujeto aun forzamiento climtico similar. Hemos confirmado, mediante mediaciones detalladas, que lavegetacin y la cobertura vegetal modulan fuertemente la variabilidad espacio-temporal de lahidrologa del trpico Americano Los perodos de sequa ms crticos pueden ser reguladosmediante una cobertura vegetal adecuada.

Los resultados del comportamiento del NDVI muestran fuertes anomalas negativas durante todo elao cuando ocurre El Nio, particularmente durante Septiembre-Octubre-Noviembre (del ao 0,SON 0), JJA (0) y DEF(+1), lo cual es confirmado por las correlaciones positivas muysignificativas con el Indice de Oscilacin del Sur. El decrecimiento en la actividad vegetal (NDVI)durante El Nio es totalmente consistente con las anomalas negativas encontradas en laprecipitacin, los caudales de los ros y en (conjeturamos) evaporacin real sobre la regin.

Estos resultados y el trabajo de Poveda et al. (2001) apuntan a desarrollar un marco conceptualhidrolgico consistente, necesario para entender el acoplamiento no lineal entre la variabilidadanual e interanual del ciclo hidrolgico de la regin, as como su conexin con el balances deenerga y la vegetacin en el trpico Americano, una regin que comprende los Andes tropicales, elpunto caliente o sitio de la tierra donde la biodiversidad est siendo agotada ms rpidamente(Myers et al., 2000), y la cuenca Amaznica, una de las regiones hidrolgicamente ms importantesdel planeta.

Referencias

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