Modelización de la producción de biomasa de Eucalyptus nitens (Deane & Maiden) Maiden en corta rotación para cultivo energético

Abstract

La biomasa forestal es una fuente de energía renovable cuyo uso genera beneficios de tipo ambiental, económico y social. En los últimos años el cultivo de Eucalyptus nitens (Deane & Maiden) Maiden para producción de biomasa se han extendido por el Noroeste de España. Los objetivos de esta Tesis Doctoral se centran en la modelización forestal de plantaciones energéticas de esta especie con el fin de estimar su productividad y proporcionar las herramientas para optimizar la producción mediante una gestión forestal sostenible. La información utilizada en esta Tesis procede de una red experimental de 40 parcelas permanentes ubicadas en el área de distribución de las plantaciones bioenergéticas localizada en Galicia, en el noroeste de España. La recogida de datos en las plantaciones incluyó mediciones dasométricas, muestreo destructivo de la biomasa aérea, análisis de suelos y de nutrientes en los distintos componentes de la biomasa, evaluación energética y monitorización de la humedad edáfica entre otros parámetros. Los modelos de crecimiento y producción son herramientas esenciales para predecir la productividad de las plantaciones bioenergéticas. La precisión, el comportamiento y la flexibilidad de dichos modelos varían dependiendo de la metodología de ajuste y del tipo de ecuación. En esta Tesis se emplearon diferentes metodologías de ajuste y distintos modelos para el desarrollo de las funciones de crecimiento y producción. Se desarrollaron distintas herramientas predictivas tanto a nivel de árbol como a nivel de masa para la estimación de la biomasa de la copa, del fuste y la biomasa aérea: ecuaciones de biomasa, factores de expansión de la biomasa (BEFs) y ecuaciones de BEF. Las ecuaciones ajustadas explicaron un alto porcentaje de la variabilidad de los datos mientras que los BEFs constantes proporcionaron estimaciones menos precisas para todos los componentes, por ello se recomienda evitar su uso siempre que sea posible al menos para la fracción de copa y la biomasa aérea. Se desarrolló un modelo dinámico de crecimiento compuesto por dos funciones de transición (altura dominante y área basimétrica) que proporcionó un alto grado de precisión. Las curvas de crecimiento obtenidas para el índice de sitio fueron 5, 8, 11 y 14 m para una edad de referencia de 4 años. El incremento medio anual de biomasa aérea varió entre 3,25 y 18,45 Mg ha-1 año-1 para un turno óptimo proyectado entre 6 y 12 años en función de la calidad de estación. La introducción de variables ambientales en los modelos aportó una mayor robustez y flexibilidad frente a pequeños cambios ambientales. Se parametrizó y se calibró el modelo de procesos 3-PG para estudiar la producción de estas plantaciones a nivel de masa. Adicionalmente se aplicó a nivel espacial en el área de distribución de las plantaciones donde se exploró su productividad potencial y se evaluaron distintos escenarios de gestión mostrando que inferiores densidades de plantación (3000 pies ha-1) y turnos entre 6 y 8 años pueden ser los más adecuados para fines bioenergéticos. Complementariamente se concluyó que conviene evitar el uso de datos climáticos medios ya que sobrestima la producción al no tener en cuenta eventos climáticos extremos. La información relacionada con los nutrientes, el carbono y el potencial energético de la biomasa es esencial en las plantaciones energéticas desde el punto de vista ambiental y económico. Las hojas y la corteza de E. nitens fueron los componentes con mayor concentración de nutrientes. Sin embargo, al calcular el contenido a nivel de masa, la madera, componente mayoritario al final del turno, fue la fracción con mayor contenido de carbono y la mayor parte de los nutrientes estudiados. El poder calorífico en la fracción de madera así como el resto de las propiedades de la combustión resultaron constantes. Los resultados obtenidos en esta tesis proporcionan información esencial en la gestión forestal de las plantaciones energéticas de E. nitens en el noroeste de España. INGLÉS Forest biomass is a renewable energy which generates environmental, economic and social benefits. In recent years the use of Eucalyptus nitens (Deane & Maiden) Maiden woody crops for bioenergy has extended across Northwest Spain. The objectives of this Thesis are focused on modeling E. nitens bioenergy plantations to predict biomass productivity and provide useful tools in order to implement the most appropriate management of plantations. The information used in this work came from an experimental network of 40 permanent plots located across the distribution area of the bioenergy stands in Galicia in Northwest Spain. Data collection included stands measurements, destructive sampling of trees, soil and biomass nutritional analysis, energy evaluation and soil moisture monitoring, among other parameters. Growth and yield models are essential tools for predicting productivity of these bioenergy stands. The accuracy, behaviour and flexibility of the model vary depending on the fit methodology and the equation type. In this Thesis different methodologies were used to develop growth and yield models. Above-ground biomass prediction tools were developed at tree and stand level for crown, stem and above-ground biomass: constant Biomass Expansion Factors (BEFs), biomass and BEF equations. The models explained a high percentage of data variability, although constant BEFs resulted in the worst estimations for all components and should thus be avoided whenever possible, at least for crown and above-ground biomass. A dynamic stand growth model formed by two transition functions (dominant height and basal area) was developed and it reached high values of accuracy. The site index growth curves had values of 5, 8, 11 and 14 m for a base age of 4 years. Biomass Mean Annual Increment varied from 3.25 to 18.45 Mg ha-1 y-1 at the end of the rotation which was projected from 6 to 12 years according to site quality. The inclusion of environmental variables in the models provided more robustness and flexibility under slightly changing conditions. The 3-PG process-based model was parameterised and calibrated at plot scale for E. nitens plantations to estimate stand production. In addition, the model was also applied at spatial level in a selected area in Northwest Spain to quantify potential productivity and to evaluate different management scenarios. The results showed that lower stockings (3000 trees ha-1) and shorter rotations, from 6 to 8 years, are more suitable for bioenergy production. Complementarily the use of mean climate data should be avoided because it produces overestimation in productivity predictions. Information related to nutrients, carbon and energy potential is essential in bioenergy plantations, both from the environmental and economics point of view. Leaves and bark were the E. nitens tree components with the highest nutrient concentration although stemwood, the principal tree component at the end of the rotation, had the highest carbon and nutrient content, except for N and Ca where leaves and bark were, respectively, the most important components. Wood calorific value and combustion properties were quite constant showed low ash content. The results obtained in this Thesis provide valuable information for the optimization of sustainable forest management in E. nitens woody crop plantations in Northwest Spain.