Introducción

Pinus pseudostrobus var. apulcensis es una especie nativa de México, con presencia en bosques templados y en plantaciones comerciales en los estados del centro y sur del país. Tiene gran importancia económica e industrial pues se usa en la fabricación de pulpa para papel, triplay, cajas de empaque, molduras, muebles y artesanías (Conafor 2010). Es una especie de crecimiento rápido y produce madera adecuada para usos diversos, por ello se considera apropiada para el establecimiento de plantaciones comerciales (López-Upton 2002). Su densidad básica varía de 400 kg/m³ a 480 kg/m³. Esta propiedad se relaciona con el producto final, dicha madera es utilizada en celulosa para papel, muebles infantiles, rústicos, arcones, puertas, ventanas, molduras, plataformas para zapatos, artesanías, grabados, cerillos (De la Paz-Pérez y Olvera 1981, Bermejo y Eguiluz 1993). En cuanto a su trabajabilidad, Martínez y Martínez-Pinillos (1996) clasifican esta madera como buena en cuanto a barrenado, buena en escopleado y excelente en moldurado.

Las microfibrillas de celulosa son las unidades básicas que conforman la pared celular de las plantas. Estas microestructuras son paralelas entre ellas, cambiando la orientación de las mismas de un plano al siguiente (Barnett y Bonham 2004). A la inclinación relacionada al eje vertical de la célula se le llama ángulo microfibrilar (AMF) (Lima et al. 2014). Para interpretar los efectos que el AMF tiene en la calidad de la madera es importante usar métodos de medición consistentes y precisos (Chauhan et al. 2006). La microscopía de luz polarizada es un método confiable, tal como lo es la difracción de rayos X (Meylan 1967, Peter et al. 2003).

El primer registro de estudios sobre la inclinación de las microfibrillas data de 1864, cuando el científico alemán Karl von Nägeli observó estriaciones en la pared celular de las traqueidas de Abies excelsa y concluyó que esas estriaciones indican la orientación de las microfibrillas compuestas de celulosa, constituidas a su vez de moléculas de glucosa unidos por enlaces beta‐1,4, alineadas y paralelas entre ellas en micelios cristalinos (Barnett y Bonham 2004). Desde mediados del siglo pasado, se sabe que esta característica influye en la rigidez de la madera (Cave 1968) y que afecta sus propiedades, especialmente en coníferas (Barber y Meylan 1964). En la década de los noventa, Butterfield (1998) concluyó que el AMF es la característica fundamental que explica la baja calidad de la madera sólida de coníferas en plantaciones de rápido crecimiento. En estudios recientes, Donaldson (2008) menciona que la orientación y la organización de las microfibrillas de celulosa contribuyen en explicar las variaciones en las propiedades físicas de la madera y de la fibra procesada. Tabet y Abdul Aziz (2013) afirman que la inclinación de las microfibrillas de celulosa de la pared celular en la madera de coníferas influye significativamente en sus propiedades mecánicas. Por ejemplo, en la madera estructural, el ángulo microfibrilar es determinante en el módulo de elasticidad, en la anisotropía de la contracción, en la resistencia a la compresión de la madera, la contracción longitudinal y como indicador de rigidez; en cuanto a la pulpa para papel, el ángulo microfibrilar se relaciona con la resistencia a la tracción (Treacy et al. 2000, Deresse et al. 2003, Gherardi-Hein y Tarcísio-Lima 2012).

La relación entre el AMF y la calidad de la madera ha quedado demostrada en diversos trabajos. Kojima y Yamamoto (2004) determinaron que la deformación por tracción longitudinal depende en gran medida del AMF, pues su relación es directamente proporcional y Lube et al. (2015) encontraron que el AMF se incrementa debido a las deformaciones de las microfibrillas al reducir el contenido de humedad en el secado. Además, se encontró que el Módulo de Elasticidad en la madera depende de dicha característica (Vanerek et al. 2017). Por tal motivo, es importante estudiar el efecto del AMF en las características tecnológicas de las especies comerciales más importantes, esto permitirá tener conocimiento a nivel microscópico de la madera como materia prima, con lo cual la industria forestal pueda emplearla de forma más eficiente. Determinar el AMF es operacionalmente lento por eso existen mediciones de otras características como lo son la densidad básica, longitud de traqueidas y contracciones lineales, con las cuales de manera indirecta se puede conocer el AMF.

En México, el Anuario Estadístico de la Producción Forestal 2017 reporta que, del total de la producción forestal maderable del país, el 70,9 % corresponde al género Pinus spp. con 6,3 millones de m³ rollo y de esta producción el 73,7 % se destina al aserrío (Semarnat 2020). Por tal razón, es importante realizar estudios sobre la microestructura de la madera de este género y examinar la relación que guarda con sus características tecnológicas y calidad. Se requiere conocimiento que explique la influencia que ejerce una microestructura como el ángulo microfibrilar sobre las propiedades físicas y mecánicas de la madera. Por lo anterior, el objetivo de este trabajo fue determinar el efecto del ángulo microfibrilar (AMF) sobre la densidad básica (DB), la longitud de traqueidas (LT) y la contracción volumétrica (CV) de Pinus pseudostrobus var. apulcensis.

Materiales y métodos

Obtención de las muestras

Primero se seleccionaron al azar 10 individuos sanos de Pinus pseudostrobus var. apulcensis de una plantación de 36 años ubicada en la Universidad Autónoma Chapingo en las coordenadas 19° 29’ 33,3’’ de latitud norte y 98° 53’ 36,4’’ de longitud oeste, a 2242 m de altitud (Figura 1).

Después, de cada individuo se extrajo un tarugo de incremento a una altura de 1,30 m del fuste con un taladro de Pressler marca Haglöf (Långsele, Suecia) de 12 pulgadas de longitud y 12 mm de diámetro de corte (Figura 2).

Finalmente, en el Laboratorio de Anatomía de la Madera, cada núcleo se dividió transversalmente cada cinco anillos, para hacer un total de ocho zonas de estudio por cada árbol: anillo1, anillo 5, anillo 10, anillo 15, anillo 20, anillo 25, anillo 30 y corteza (Figura 3). A su vez, cada parte se dividió horizontalmente en dos partes: la parte superior para medir el AMF y la longitud de traqueidas (Figura 3b), mientras que la parte inferior para determinar la densidad básica y la contracción volumétrica (Figura 3c).

Determinación del AMF

Se realizaron cortes tangenciales de 15 µm de grosor. Las mediciones se hicieron en el último anillo de cada sección tomando en consideración la dirección medula - corteza con un microtomo marca Leica Biosystems (Nussloch GmbH) modelo SM 2000R. Los cortes se colocaron en un frasco de vidrio, se les agregó una mezcla en partes iguales de ácido acético glacial y peróxido de hidrógeno y se pusieron en el horno de secado a 60 °C por 24 horas. Posteriormente el material se agitó para disociarlo completamente, y se lavó con agua destilada hasta eliminar la mezcla.

Para medir el AMF se utilizó un microscopio de luz polarizada marca Labomed (Labo America Inc.) LxPOL, con platina móvil y goniómetro graduado de 0° a 360° (Figura 4). Se siguió la metodología propuesta por Preston (1974), que consiste en observar al microscopio de luz polarizada la pared celular de la traqueida y ubicarla en el eje vertical del ocular. Posteriormente se realiza un giro lento de la platina hacia la derecha o izquierda y se detiene cuando la pared celular observada se oscurece completamente. Finalmente, se mide y se registra el ángulo que se identificó con el goniómetro entre estos dos puntos. Se realizaron 30 mediciones por cada zona de observación.

Determinación de longitud de traqueidas

Para determinar la longitud de traqueidas se empleó la metodología de Franklin (1945). Se obtuvieron astillas de cada una de las ocho zonas de observación, se depositaron en un frasco de vidrio, se les agregó una mezcla de partes iguales de ácido acético glacial y de peróxido de hidrógeno. Se colocaron en el horno a 60 °C por 72 horas, posteriormente el material se agitó vigorosamente y se lavó con agua destilada. Las fibras se colocaron en portaobjetos para su observación y medición. Se midieron 30 fibras por zona de estudio, con un microscopio estereoscópico con sistema de microfotografía marca Leica Biosystems (Nussloch GmbH), Modelo EZ4HD, equipado con el software Leica Application Suite versión 3.3.0.

Determinación de densidad básica

Las muestras utilizadas para la densidad básica también lo fueron para la contracción, en ambas propiedades primero se midieron en verde, después se colocaron en la estufa.

El cálculo de la densidad básica se realizó de acuerdo con el método empírico (Valencia y Vargas 1997). El volumen de las muestras se obtuvo en estado verde por el método de Arquímedes, posteriormente las muestras se depositaron en un horno a 103 °C ± 2 °C hasta alcanzar un peso constante, ambos con una balanza de precisión diezmilésima de gramo. La densidad básica se calculó mediante la fórmula (Ecuación 1):

Donde:

DB = Densidad básica de la madera (kg/m³)

P₀ = Peso anhidro (kg)

V_v = Volumen en estado verde (m³)

Cálculo de la contracción volumétrica

Para obtener la contracción volumétrica se siguió la metodología de Navarro (2005). Se cortaron prismas rectangulares con cortes típicos de cada una de las zonas de estudio, en cada probeta se midió en estado verde el eje tangencial, radial y axial con un micrómetro con precisión de centésima de milímetro y se determinó su volumen. Las probetas se introdujeron en la estufa de secado a 103 °C ± 2 °C hasta alcanzar un peso constante. Estas se midieron nuevamente considerando los tres ejes y se calculó su volumen. El porcentaje de contracción volumétrica se determinó con la siguiente fórmula (Ecuación 2):

Donde:

%β_vt = Contracción volumétrica en porcentaje

V_v = Volumen en estado verde (m³)

V₀ = Volumen en estado anhidro (m³)

Modelo estadístico: Modelo aditivo generalizado

Los modelos aditivos generalizados permiten obtener ajustes no lineales utilizando múltiples covariables. Estos son el resultado de extender un modelo lineal permitiendo que cada elemento del modelo sea una función no lineal de una covariable, manteniendo la propiedad de aditividad. Por lo tanto, son una combinación lineal de funciones no lineales y, al igual que en los modelos lineales, se pueden incorporar tanto covariables continuas como cualitativas.

En general, el modelo tiene una estructura de la forma (Ecuación 3):

Donde y . es la variable respuesta, denota una distribución de la familia exponencial con media y parámetro de escala ɸ y las son funciones de suavizado con covariables (Wood 2017).

Para el análisis de los datos se empleó el software estadístico R (R Core Team 2021), específicamente se usaron los paquetes mgcv y ggplot2, se tomó al AMF como variable respuesta y la densidad básica, la longitud de traqueidas, y la contracción volumétrica como variables explicativas.

Resultados y discusión

Densidad básica

Se encontró que la madera de Pinus pseudostrobus var. apulcensis tiene una densidad básica promedio de 430 kg/m³ (Tabla 1, Figura 5). Sotomayor (2008) la reporta en 550 kg/m³, mientras que Aragón et al. (2020) obtuvieron una densidad básica promedio de 490 kg/m³. Estas discrepancias moderadas entre dichos valores se pueden deber a la calidad de sitio y edad, que son diferentes. Al tomar como referencia la clasificación de la tabla FITECMA, esta madera se encuentra en la categoría de densidad media (Sotomayor 2008) y también se le describe como de densidad moderadamente liviana (Machuca-Velasco et al. 2012).

Longitud de traqueidas

La longitud de traqueidas máxima registrada para esta especie fue de 5328 µm; la mínima de 1750 µm y la longitud promedio de 3516 µm (Tabla 1, Figura 5). Las diferencias entre los valores mínimos y máximos se pueden deber a la presencia de madera juvenil y madura, la cual no se diferenció en este estudio. En comparación, otras especies de pino mexicanas como Pinus patula, reportan una longitud de traqueidas promedio de 3210 µm. (Goche et al. 2011, Escobar-Sandoval et al. 2018). Una investigación realizada sobre seis especies de pino del norte de México reportó los promedios de longitud de traqueidas de Pinus arizonica (3274 µm), Pinus cooperi (4135 µm), Pinus durangensis (3702 µm), Pinus herrerae (4372 µm), Pinus leiophylla, (4486 µm) y Pinus teocote (3859 µm) (de la Paz-Pérez y Dávalos-Sotelo 2016). Como se puede observar, los valores promedios obtenidos para esta característica anatómica de P. pseudostrobus var. apulcensis se acercan al valor promedio de otras especies del género Pinus, en particular a P. arizonica, P. durangensis y P. patula.

Contracción volumétrica

Schulgasser y Witztum (2015) realizaron un estudio sobre la relación entre la densidad y la contracción de la madera en un rango efectivo entre 300 kg/m³ y 700 kg/m³ en el cual llegaron a la conclusión que cuando la densidad básica es muy baja, la contracción volumétrica se aproxima a 4 %. En el caso de Pinus pseudostrobus var apulcensis se encontró de acuerdo con esa afirmación pues el valor mínimo de contracción volumétrica fue de 5,8 % en la zona del anillo 1, que tuvo la menor densidad básica (330 kg/m³). El valor promedio fue de 10,3 % (Tabla 1, Figura 6). A manera de comparación, para Pinus ayacahuite se reportó una contracción volumétrica promedio de 12,59 % (Goche-Telles et al. 2000) y Riesco y Diaz (2007) reportaron la contracción volumétrica de tres especies de pino: Pinus pinaster (13,8 %), Pinus radiata (10,7 %) y Pinus sylvestris (12,3 %).

Ángulo microfibrilar

De acuerdo con los resultados obtenidos del ángulo microfibrilar, en Pinus pseudostrobus var. apulcensis se encontró una marcada tendencia decreciente de médula a corteza (Figura 3a; Figura 6). El AMF máximo fue de 48,5°; el ángulo mínimo fue de 16,2° y el ángulo promedio de 28,8° (Tabla 1, Figura 6). Estos valores son semejantes a los que Peter et al. (2003) obtuvieron en Pinus taeda con un AMF de entre 5° y 50° y en una investigación más reciente realizada por Winck et al. (2015) se encontró un mínimo de 19,2° y un máximo de 44,8° para la misma especie. Erasmus et al. (2018) encontraron un ángulo mínimo de 7° y un ángulo máximo de 31° para Pinus patula. Por último, en el trabajo de Donaldson y Xu (2005) para Pinus radiata se encontraron valores de AMF de 1° a 59°. Dichos valores son acordes a lo que sugieren Treacy et al. (2000) de que los árboles de crecimiento rápido tienen los ángulos de microfibrillas más grandes tanto en madera juvenil como en madera madura.

En la Figura 7 se puede observar el comportamiento radial de las características y propiedades de la madera de Pinus pseudostrobus var. apulcensis.

Relación entre la densidad básica y el AMF

De acuerdo con Clark y Daniels (2004) y Watt et al. (2011) es común observar una correlación negativa entre el AMF y la densidad básica; sin embargo, Donaldson (2008) reportó que esa correlación suele ser variable. Para determinar la influencia de la inclinación de las microfibrillas sobre la densidad básica de la madera en esta especie, se ajustó un modelo aditivo generalizado entre la DB y el AMF. El modelo aditivo generalizado resultó significativo (Anexo I) lo cual implica que la densidad básica permite explicar el comportamiento del ángulo microfibrilar; en términos de la devianza se tiene que el 55,9 % de la variabilidad total presentada en el ángulo microfibrilar es explicada por la densidad básica.

El modelo mostró claramente una tendencia negativa entre la DB y el AMF (Figura 8). Sin embargo, aún se considera que tal variable no explica satisfactoriamente el comportamiento del AMF. Winck et al. (2012) reportaron una correlación para un modelo lineal entre el AMF y la densidad básica en Pinus taeda (R=-0,59) y para la misma especie, Isik et al. (2008) afirmaron que la densidad básica se comportó como un predictor variable del AMF y explicó únicamente el 36 % de la variabilidad total de la variable respuesta. En la Figura 8 se presentan los valores ajustados y los valores observados entre la densidad básica y el AMF. En tal figura, se puede observar una tendencia no lineal descendente y después de alcanzar una densidad básica de aproximadamente 600 kg/m³, el AMF tiende a mantenerse estable.

Relación entre la longitud de traqueidas y el AMF

Se ha demostrado que el AMF tiene una correlación de moderada a fuerte con la longitud de traqueidas (Bonham y Barnett 2001, Chiu et al. 2005, Fabisiak et al. 2012, Schimleck et al. 2018). El modelo aditivo generalizado ajustado para esta variable (Figura 9) resultó ser significativo con un nivel de significancia de 0,05 (ver Anexo I). El cual, de acuerdo con la devianza, explica el 83,3 % de la variabilidad total que presenta el AMF; por lo tanto, resultó ser mejor modelo que el anterior (DB). Al igual que en el caso anterior, el AMF presentó una tendencia no lineal negativa (Figura 9). Es evidente que, aproximadamente, después de una longitud de 4500 µm el AMF no presenta grandes cambios, por lo que se puede inferir que se estabiliza en los 21º.

Relación entre la contracción volumétrica y el AMF

Considerando la contracción volumétrica como variable explicativa, nuevamente, el modelo ajustado resultó significativo con un nivel de significancia de 0,05. En este caso, de acuerdo con la devianza, la contracción volumétrica explica el 61,2 % de la variabilidad total del AMF, siendo mejor que el obtenido con la densidad básica y peor que el obtenido con la longitud de traqueidas. El comportamiento del modelo ajustado se presenta en la Figura 10. Tal comportamiento es semejante al encontrado con la densidad básica y la longitud de traqueidas, descendente no lineal. En donde, después de una contracción volumétrica de aproximadamente 14 %, los cambios en el AMF son pequeños. Lo anterior resultó acorde con lo que reportan algunos autores; por ejemplo, Donaldson (2008), menciona que uno de los parámetros más importantes que afectan la contracción en la madera es el AMF. Por otra parte, Schulgasser y Witztum (2015) concluyeron que la contracción volumétrica de la madera se incrementa conforme aumenta la densidad, lo cual se debe a su microestructura.

Relación del AMF con la densidad básica, longitud de traqueidas y contracción volumétrica

El AMF es, junto con la densidad, una de las propiedades más importantes para determinar el uso final de la madera (Auty et al. 2013). Diversos trabajos se han hecho con el objetivo de relacionar esta característica ultraestructural con sus propiedades tecnológicas (Jäger et al. 2011, Auty et al. 2013, Essien et al. 2018, Vega et al. 2020). Considerando que las tres características tecnológicas (DB, LT y CV) resultaron significativas de manera individual para explicar el comportamiento del AMF, se ajustó un modelo aditivo generalizado con las tres covariables (DB, LT y CV) para obtener un modelo más adecuado para modelar el comportamiento del AMF. Los resultados obtenidos (Ver Anexo I) indican que el modelo fue significativo con un α = 0,05 y explica el 88,2 % de la variabilidad total que presenta el AMF, de tal manera que resultó ser mejor modelo para explicar el comportamiento del AMF comparado con los modelos ajustados con cada una de las características tecnológicas estudiadas. En la Figura 11 se muestra el comportamiento del AMF en función de la LT y la CV, manteniendo la DB y la LT fija, respectivamente. En tal figura se observa que el cambio del AMF es pequeño después de 4500 µm y 13 % respectivamente. Lo anterior implica que a partir de las zonas de estudio cercanas a la corteza (anillos 30 a 36), el AMF se mantiene estable.

Conclusiones

Para finalizar, se exponen las conclusiones derivadas del trabajo de investigación con el propósito de presentar los principales resultados y áreas de oportunidad para el desarrollo de investigaciones futuras.

Este trabajo mostró que el AMF se correlaciona con las características tecnológicas de la madera de Pinus pseudostrobus var. apulcensis. Esta correlación se observa claramente con el modelo aditivo generalizado con tres covariables (DB, LT y CV) pues resultó ser el mejor para explicar su comportamiento en comparación con los modelos ajustados en los que se consideró solo una de las tres covariables en función del AMF.

Si se tuviera que elegir un modelo con solo una característica tecnológica (DB, LT o CV), la variable que el AMF explica mejor es la longitud de traqueidas. Sería interesante observar si este comportamiento se presente en otras especies de pinos mexicanas. De ser así, se podría hacer un modelo general el cual permita calcular el AMF con una alta precisión en función de la LT, por lo tanto, determinar fácilmente esta característica microscópica, cuya medición directa requiere de equipo complejo.

A partir de estos resultados, es posible deducir que el ángulo de las microfibrillas es un indicador directo de diversas propiedades físicas y mecánicas y por lo tanto se debe conocer su magnitud, tanto por mediciones, como es el caso del método de medición por microscopía de luz polarizada o estimado mediante variables independientes que son más fáciles de determinar, como la densidad.

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Notas de autor

^♠Autor de correspondencia: mborjad@chapingo.mx