Producción de biomasa en plantaciones intensivas de Eucalyptus spp. en Uruguay

Abstract

La producción de biomasa con especies de eucaliptos muestra un alto potencial, teniendo en cuenta los altos niveles de crecimiento que tienen estas especies en los diferentes suelos de prioridad forestal de Uruguay. La biomasa de estas especies (en particular la madera) presentan características interesantes desde el punto de vista tecnológico teniendo en cuenta la densidad básica, la homogeneidad de la composición química, el bajo contenido de azufre, cenizas y nitrógeno y un poder calórico relativamente alto. Estas características determinan que las plantaciones intensivas de estas especies puedan ser una alternativa interesante en sistemas de producción cuyo objetivo sea la obtención de distintos tipos de biocombustibles. Los cultivos de altas densidades y corta rotación tienen particularidades que merecen especial atención desde el punto de vista productivo, tecnológico y ambiental teniendo en cuenta la falta de información que hay sobre los mismos en los suelos forestales de Uruguay. En función de estas necesidades se instalaron en la primavera de los 2010 dos ensayos a campo en dos localizaciones (Tacuarembó-NE, y Paysandú-SW), con tipos de suelos representativos de los suelos predominantes en las regiones litoral y norte del país. Fueron evaluadas tres especies de eucaliptus (Eucalyptus benthamii, E. dunnii y E. grandis) establecidas con cuatro densidades de plantación (2220, 3330, 4440 y 6660 árboles por hectárea) en un diseño de parcelas divididas con tres repeticiones. El Capítulo 1 presenta un contexto general de la matriz energética en Uruguay y la conceptualización de la biomasa forestal y, en particular, de los cultivos energéticos; además de su posible adaptación a las condiciones del país y su potencial como materia prima para la obtención de combustibles. En función de ese contexto se plantean el objetivo general y los específicos los cuales se relacionan directamente con los capítulos de la presente tesis. En el Capítulo 2 se justifica la elección de las especies de eucaliptos y se analiza la distribución potencial de E. grandis y E. dunnii en los distintos tipos de suelos de prioridad forestal del país. E. benthamii no fue incluida en este primer análisis ya que no se contaban con datos suficientes de inventario por ser una especie de uso relativamente reciente por las empresas productoras de pasta de celulosa. Los resultados permitieron identificar los parámetros de suelo, topografía y clima que mayor asociación muestran con el crecimiento de estas especies y, por tanto, generar una cartografía de las regiones con mayor potencial para el crecimiento de ambas especies. Los modelos de predicción de hábitat ajustados mostraron un grado elevado de precisión, y también permiten visualizar la distribución a futuro de estas especies en función de diferentes escenarios de cambio climático. El Capítulo 3 analiza la evolución de la sobrevivencia y su relación con las especies y densidades de plantación en los primeros 5 años de crecimiento. La evolución de la sobrevivencia también es analizada en función de las variaciones de la temperatura y precipitaciones ocurridas durante el período de evaluación en ambos sitios, así como de las condiciones de preparación previo e inmediatamente posterior a la plantación. Fueron analizados los efectos de la competencia entre individuos y sus efectos sobre el volumen individual y por hectárea. La evolución de las curvas de crecimiento indica el momento óptimo de cosecha para cada caso. En el Capítulo 4 se presenta la dinámica de la densidad de la madera a lo largo de los ciclos de cultivo, la cual muestra un comportamiento diferente en ambas localizaciones para las especies y densidades de plantación en las diferentes edades evaluadas. El análisis del peso individual mostró un comportamiento similar al del volumen en cada una de las densidades de plantación. El análisis del efecto de la competencia en las diferentes densidades de plantación se manifiesta de forma similar al del volumen individual determinando diferencias en la productividad por hectárea de las especies en cada uno de los espaciamientos. Con estos resultados es posible identificar las especies y densidades de plantación con una productividad más elevada, y el momento óptimo de cosecha en cada caso. Al mismo tiempo, se observó la relación del espaciamiento y del turno de cosecha. Fueron identificadas las variables que permiten estimar con mayor precisión tanto del volumen como el peso individual para cada localidad, especie y densidad de plantación. En el capítulo 5 se analizan los siguientes parámetros energéticos: poder calórico superior, densidad de la madera, densidad energética y rendimiento energético por hectárea y por año. Fueron analizados los efectos de la localidad, la edad, la especie y la densidad a partir de los parámetros descritos, a los efectos de identificar la combinación de factores que maximiza la producción de energía por unidad de superficie y de tiempo. A su vez, fueron analizadas las relaciones entre la densidad de la madera y el poder calórico, y el peso relativo de estas en la densidad energética. Finalmente fue estimada la superficie plantada necesaria para abastecer una planta de generación de energía eléctrica de 10 MWh en cada localidad estudiada. En el Capítulo 6 se evalúan los niveles de producción de biomasa considerando todas las fracciones aéreas del árbol (madera, corteza, ramas y hojas), para cada especie y densidad de plantación. Se estudian los efectos de la competencia entre árboles sobre la proporción del peso de cada fracción con respecto a la biomasa total. Se analizan las concentraciones de nutrientes (P, Ca, Mg, K y N) de las fracciones madera, corteza y hojas en cada especie y densidad de plantación. Los contenidos de nutrientes entre fracciones muestran la relación de proporciones entre las mismas debido a las diferencias en la actividad fisiológica de cada una. El estudio de las concentraciones de nutrientes en cada fracción también permite visualizar la diferente distribución de estos en los diferentes componentes de la biomasa y las implicancias de extracción considerando las fracciones madera versus el árbol entero. La estimación de los kg de nutrientes extraídos para cada especie y densidad de plantación dan una idea clara de la fertilización que sería necesario reponer en el suelo para conseguir la sostenibilidad de este tipo de sistemas de producción. La cantidad de nutriente extraído versus la cantidad de biomasa producida da una idea de la eficiencia con que son utilizados los diferentes nutrientes en cada combinación especie, densidad de plantación y sitio. El balance del stock de cationes en el suelo versus las cantidades de nutrientes extraídos determina el número de rotaciones en los que sería posible mantener los actuales niveles de crecimiento asumiendo turnos de cosecha próximo a los seis años. Esto, a su vez, muestra cuál de los tres cationes evaluados (Ca, Mg y K) se tornarían restrictivos para el crecimiento en el corto y mediano plazo. En el Capítulo 7 se presenta la discusión general de la tesis y señalando nuevas interrogantes que surgen en este tipo de cultivos energéticos en los turnos siguientes a la primera cosecha teniendo en cuenta las particularidades de estos en esas etapas de crecimiento. Finalmente, en el Capítulo 8 se puntualizan las principales conclusiones obtenidas.

Production of biomass from eucalyptus species shows a high potential taking into account their high levels of growth in the different forest priority soils in Uruguay. The biomass from these species (particularly wood) presents interesting characteristics from the technological point of view considering basic density, homogeneity of the chemical composition, the low content of sulphur, ash and nitrogen and a relatively high caloric power. These characteristics determine that these species could be an interesting alternative in production systems whose production objective is to obtain different types of biofuels. High density and short rotation plantations have particularities that need special attention from the productive, technological and environmental points of view, taking into account there is a lack of information on them in Uruguayan forest soils. Based on these needs, two field trials were installed in the spring 2010, at two sites with soil types which were representative of the predominant ones in the coastal and northern regions of the country. Three species of eucalyptus (Eucalyptus benthamii, E. dunnii and E. grandis) were evaluated in four planting densities (2220, 3330, 4440 and 6660 trees per hectare) in a split plot design with three replications. Chapter 1 presents a general context of the energy matrix in Uruguay and the conceptualization of forest biomass and, in particular, of energy crops as well as their possible adaptation to the country's conditions as well as their potential as raw material for fuels. Depending on this context, the general objective and the specific ones are established, which are directly related to the chapters of this thesis. In Chapter 2 the choice of eucalyptus species is justified and the distribution potential of E. grandis and E. dunnii is analysed in the different types of forest priority soils in the country. E. benthamii was not included in this first analysis since there was not enough inventory data as it is a relatively recent species used by pulp producers. Results allowed to identify the parameters of soil, topography and climate that show a greater association with their growth and therefore a mapping of regions with greater potential for the growth of both species. The models for adjusted habitat prediction showed a high degree of precision and also allowed to visualize a future distribution of these species depending on different climate change scenarios. Chapter 3 analyses survival evolution and its relationship with species and planting densities in the first 5 years of growth. The evolution of survival is also analysed according to the variations in temperature and rainfall during the evaluation period in both sites and also from the point of view of soil preparation conditions prior to and immediately after planting. Competition effects between individuals and their effects on individual volume and per hectare were analysed as well. The evolution of the growth curves indicates the optimum harvest time in each case. In Chapter 4, dynamics of wood density are presented. A different behaviour is shown on both sites for the species and planting densities at the different evaluated ages. The analysis of the individual weight showed a similar behaviour to the volume in each of the planting densities. The analysis of the competition effect on the different densities of plantation manifests in a similar way to the individual volume, determining differences in the species productivity per hectare in each of the spacings. Based on these results it is possible to identify the species and plantation densities with higher productivity levels as well as the optimum harvest time in each case. At the same time, a relationship between spacing and harvest time was observed. The variables that allow to estimate with greater precision both volume and individual weight for each species site and density of plantation were identified. Chapter 5 discusses the following energy parameters: higher caloric power, wood density, energy density and energy yield per hectare and per year. The effects of site, age, species and density were analysed with each of these parameters in order to identify the combination of factors that maximizes energy production per area and time. In turn, relationships between wood density and caloric power and their relative weight in determining energy density were analysed. Finally, it was estimated the planted área needed to supply a 10 MWh power generation plant for each site. In Chapter 6, levels of biomass production are evaluated considering all the tree aerial fractions (wood, bark, branches and leaves) for each species as well as plantation density. It has also studied the effects of competition among trees with the proportion of each fraction weight in respect to the total biomass. The nutrient concentrations (P, Ca, Mg, K and N) are analysed in wood, bark and leaf fractions in each species and planting density. The nutrient contents in fractions show the proportion relationships among them due to the differences in the physiological activity of each one. The study of nutrient concentrations in each fraction also allows to visualize the different distribution pattern of these in the different components of the biomass and the extraction implications considering wood versus whole tree fractions. The estimation of kg of nutrients extracted for each species and plantation density gives a clear idea of mineral magnitudes that would be necessary to replenish the soil in order to achieve the sustainability of this type of production system. The amount of nutrient extracted versus the amount of biomass produced provides an idea of the efficiency with which different nutrients are used in each species combination, planting density and site. Balance of cations stock in the soil versus the amounts of extracting nutrients determines the number of rotations in which it would be possible to maintain current growth levels, assuming turns close to six years. This, in turn, shows which of the three evaluated cations (Ca, Mg and K) would become restrictive for growth in the short and medium term. Chapter 7 presents the general discussion of the thesis and points out new questions that arise in this type of energy crops in the turns following the first harvest, considering their particularities in those stages of growth. Finally, in Chapter 8 the main conclusions obtained are highlighted.