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

CASTELLANO La biomasa forestal es una fuente de energia renovable cuyo uso genera beneficios de tipo ambiental, economico y social. En los ultimos anos el cultivo de Eucalyptus nitens (Deane & Maiden) Maiden para produccion de biomasa se han extendido por el Noroeste de Espana. Los objetivos de esta Tesis Doctoral se centran en la modelizacion forestal de plantaciones energeticas de esta especie con el fin de estimar su productividad y proporcionar las herramientas para optimizar la produccion mediante una gestion forestal sostenible. La informacion utilizada en esta Tesis procede de una red experimental de 40 parcelas permanentes ubicadas en el area de distribucion de las plantaciones bioenergeticas localizada en Galicia, en el noroeste de Espana. La recogida de datos en las plantaciones incluyo mediciones dasometricas, muestreo destructivo de la biomasa aerea, analisis de suelos y de nutrientes en los distintos componentes de la biomasa, evaluacion energetica y monitorizacion de la humedad edafica entre otros parametros. Los modelos de crecimiento y produccion son herramientas esenciales para predecir la productividad de las plantaciones bioenergeticas. La precision, el comportamiento y la flexibilidad de dichos modelos varian dependiendo de la metodologia de ajuste y del tipo de ecuacion. En esta Tesis se emplearon diferentes metodologias de ajuste y distintos modelos para el desarrollo de las funciones de crecimiento y produccion. Se desarrollaron distintas herramientas predictivas tanto a nivel de arbol como a nivel de masa para la estimacion de la biomasa de la copa, del fuste y la biomasa aerea: ecuaciones de biomasa, factores de expansion 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 fraccion de copa y la biomasa aerea. Se desarrollo un modelo dinamico de crecimiento compuesto por dos funciones de transicion (altura dominante y area basimetrica) que proporciono un alto grado de precision. Las curvas de crecimiento obtenidas para el indice de sitio fueron 5, 8, 11 y 14 m para una edad de referencia de 4 anos. El incremento medio anual de biomasa aerea vario entre 3,25 y 18,45 Mg ha-1 ano-1 para un turno optimo proyectado entre 6 y 12 anos en funcion de la calidad de estacion. La introduccion de variables ambientales en los modelos aporto una mayor robustez y flexibilidad frente a pequenos cambios ambientales. Se parametrizo y se calibro el modelo de procesos 3-PG para estudiar la produccion de estas plantaciones a nivel de masa. Adicionalmente se aplico a nivel espacial en el area de distribucion de las plantaciones donde se exploro su productividad potencial y se evaluaron distintos escenarios de gestion mostrando que inferiores densidades de plantacion (3000 pies ha-1) y turnos entre 6 y 8 anos pueden ser los mas adecuados para fines bioenergeticos. Complementariamente se concluyo que conviene evitar el uso de datos climaticos medios ya que sobrestima la produccion al no tener en cuenta eventos climaticos extremos. La informacion relacionada con los nutrientes, el carbono y el potencial energetico de la biomasa es esencial en las plantaciones energeticas desde el punto de vista ambiental y economico. Las hojas y la corteza de E. nitens fueron los componentes con mayor concentracion de nutrientes. Sin embargo, al calcular el contenido a nivel de masa, la madera, componente mayoritario al final del turno, fue la fraccion con mayor contenido de carbono y la mayor parte de los nutrientes estudiados. El poder calorifico en la fraccion de madera asi como el resto de las propiedades de la combustion resultaron constantes. Los resultados obtenidos en esta tesis proporcionan informacion esencial en la gestion forestal de las plantaciones energeticas de E. nitens en el noroeste de Espana. INGLES 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.