Estimación de emisiones biogénicas de componentes orgánicos volátiles y monóxido de carbono en plantaciones citrícolas de Cuba

Estimation of biogenic emissions of volatile organic compounds and carbon monoxide in citrus plantations of Cuba

Ricardo Manso ricardo.mansojimenez@yahoo.com

Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, Ecuador

Yosdany González

Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, Ecuador

Javier Bolufé

Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, Ecuador

Rosemary López

Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, Ecuador

Israel Borrajero

Centro de Física de la Atmósfera, Ecuador

Juan C. Peláez

Centro de Física de la Atmósfera, Ecuador

Miguel Aranguren

Unidad Científica Tecnológica de Base Jagüey Grande, Ecuador

Las fuentes naturales biogénicas forman parte de los ciclos naturales. Se incluyen las emisiones de Compuestos Orgánicos Volátiles Biogénicos (COVBs), así como las emisiones de óxidos de nitrógeno de microorganismos provenientes del suelo.Es importante señalar que la vegetación y el suelo no son fuentes emisoras de contaminantes, sino que sus emisiones forman parte de los ciclos naturales del planeta.

Los COVBs son de relevancia ya que participan en el ciclo global del carbono, en el equilibrio local y global de la temperatura, en los ciclos bioquímicos del planeta (Guenther et al., 1995) y como un factor químico natural, en el desarrollo de incendios forestales (Ormeño et al., 2009)

Los COVBs son conocidos por tener efectos sobre la calidad del aire (Lee et al., 2010) y el clima (Jiang et al., 2010) No sólo en bosques, sino también en áreas urbanas donde existan áreas verdes (Weber et al., 2014, Masuda. et al., 2017) e intensificar la polución atmosférica durante las olas de calor (Churkina et al., 2018) La composición de árboles en una zona influyen marcadamente en la concentración de COVBs específicos (Antonelli et al., 2020)

En América Latina, se han realizado algunos estudios e inventarios que incluyen emisiones de origen biogénico como los casos de México, Chile, Ecuador y Colombia (Bolaños, 2015).No tenemos referencia de trabajos sobre emisiones de COVBs en Cuba.

La caracterización de las emisiones biogénicas, resulta compleja debido a la diversidad de especies vegetales, así como a la composición y cantidad de COVBs producidos (Velasco, 2003). Los principales COVBs generados por la vegetación son el isopreno y los monoterpenos (Peñuelas & Llusiá, 2003). En el caso de los cítricos su producción y emisión depende directamente del metabolismo fotosintético de las reservas de las hojas. Las especies de cítricos no son una fuente considerable de ciertos COVBs como el isopreno (Fares et al. 2011) en comparación con otros COVBs como los monoterpenos, lo cual corrobra lo investigado con anterioridad (Hampel et al., 2005).

Una alternativa a realizar mediciones in situ es la aplicación de modelos matemáticos. Se requiere conocimiento de las condiciones locales (uso del suelo, distribución de plantas y meteorología), que influyen en el comportamiento de la emisión de la especie vegetal (Camargo et al., 2010). Algunos factores incluyen en las emisiones de COVBs, el índice de área foliar (LAI, por sus siglas en inglés), la temperatura y la radiación solar.

El índice de área foliar (LAI, por sus siglas en inglés), es un número adimensional que representa la relación del área proyectada por las hojas respeto del área del suelo

Este índice describe propiedades fundamentales de la interacción de la planta con la atmósfera .Su valor depende de la especie, fenología y ambiente, pero en general, tanto para árboles de hoja ancha, como coníferas va de 1 a 10. El LAI en cítricos, es un buen indicador del crecimiento vegetativo y de la actividad fotosintética según la Red Interamericana de Cítricos (RIAC, 2006).

En las condiciones del clima tropical de Cuba, estacionalmente húmedo, los cítricos, en especial el naranjo Valencia como especie evaluada presentan valores medios cercanos a 6,4, menores a los encontrados cuando se comparan con plantaciones establecidas en climas subtropicales de la región En el transcurso del período vegetativo, un árbol de naranjo ‘Valencia’ en las condiciones cubanas absorbe como promedio 7,16 kw de radiación solar y una plantación de una hectárea, durante igual período absorbe de un 25 - 30% de la radiación global incidente (Pérez et al., 2003).

La Radiación Fotosintéticamente Activa (PAR, por sus siglas en inglés) es la cantidad de radiación integrada del rango de longitudes de onda que es capaz de producir actividad fotosintética en las plantas y otros organismos fotosintéticos. Los valores PAR son importantes como parámetros de entrada de energía en diversos procesos biológicos (Tingey et al., 1980). Puede ser definida como la fracción del espectro solar comprendida entre 0,40 y 0,70 µm, si bien los autores rusos la definen por el dominio 0,38-0,71µm (Guyot, 1992).

De forma general los valores de la Radiación PAR siguen una distribución espacial bastante homogénea debido a que los cambios del régimen de radiación solar incidente son pequeños en Cuba, y cuando existen, se deben a peculiaridades locales del punto de observación, al grado de exposición de las pendientes o al efecto con otros elementos meteorológicos como la nubosidad (Lecha et al., 1994).

La elaboración y aplicación de modelos matemáticos son importantes para conocer la distribución espacial y temporal de estas emisiones, así como las simulaciones de escenarios que permitan prever el comportamiento de los COVBs para condiciones particulares (Camargo et al., 2010).

Uno de los modelos más avanzados es GloBEIS (Global Biosphere Emission and Interaction System) desarrollado por la EPA (2007) y el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas (NCAR, por sus siglas en inglés). Este modelo calcula las emisiones biogénicas de COVBs y del suelo para cualquier escala y dominio (Guenther ,1995). Según el método a utilizar en la estimación de las emisiones biogénicas está en estrecha correspondencia con la escala temporal y espacial a evaluar (Guenther ,2017).

En experimentos de emisiones de COVBs realizadas, en varias especies de cítricos en California (Fares et al., 2011) encontraron que las emisiones que predominaron los compuestos oxidados como la acetona en mandarina y limones, mientras que para las naranjas las mayores emisiones fueron de monoterpenos. Esto comprueba los estudios realizados anteriormente (Hampel et al., 2005), se plantea que en el caso de los cítricos, su producción y emisión, depende directamente del metabolismo fotosintético de las reservas de las hojas (en oposición al almacenamiento provisional en los espacios intercelulares), esto sugiere que las especies de cítricos, no son una fuente considerable de ciertos COVBs como el isopreno en comparación con otros COVBs como los monoterpenos.

Este estudio, es el primero sobre las emisiones biogénicas en Cuba, en particular, en áreas citrícolas de la región occidental de Cuba.

Se obtuvo la información requerida de áreas de plantaciones citrícolas, con los parámetros de entrada principales como LAI, radiación PAR, datos meteorológicos y de uso del suelo para aplicar la modelación de emisiones biogénicas

Se seleccionaron a las plantaciones de cítricos de Jagüey Grande, en el municipio Jagüey de la provincia Matanzas y la de Ceiba en el municipio de Caimito, de la provincia Artemisa por su extensión y calidad de su explotación agrocultural.

El área citrícola de Ceiba, tiene suelos con una cobertura de suelos Ferralíticos principalmente, (Bayón, 2004).En Jagüey Grande, según Aranguren et al. (2015), los suelos son del tipo Ferralítico rojo típico.

Los datos meteorológicos (utilizados, temperatura, nubosidad (cobertura nubosa), humedad, y velocidad del viento) para las corridas del modelo fueron del año 2015 de la estación de Jagüey Grande y Güira de Melena para Ceiba (tomadas del Centro de Clima del Instituto de Meteorología).

El cálculo del índice de área foliar (LAI, por sus siglas en inglés) se realizó según la metodología clásica (Pozo et al., 1994). Estudios realizados, en plantas de lima Persa en Jagüey Grande (Aranguren et al., 2004), (Pérez et al., 2000) que bajo el efecto de diferentes agentes infecciosos llamados viroides, de menos complejidad que los virus, los cuales afectan el área foliar de las plantas en comparación con plantas sanas como testigo.

Las diferentes especies de cítricos no se encuentran desagregadas espacialmente, por lo que no se pueden utilizar los valores de LAI anteriormente determinados para cada una de las especies. Debido a esta limitante, en este trabajo se utilizaron los valores de LAI igual a 6.4 referidos a la naranja Valencia debido a que constituyen el 75 % de las plantaciones de naranja y aproximadamente el 30 % del área sembrada para cítricos en Jagüey Grande.

La radiación PAR se determina a partir de la radiación solar para todo el espectro, sobre la base de relaciones encontradas en trabajos previos realizados en Centro de Física de la Atmósfera del Instituto de Meteorología, precisamente entre la radiación Global de todo el espectro y la Global PAR en función de la altura del sol para las condiciones de Cuba.

En este trabajo, la estimación de la irradiancia solar utiliza el método Heliosat II (Rigollier et al., 2004) basándose en el archivo de imágenes disponibles y la validación del método con mejores mediciones existentes en tierra de estudios recientes (Borrajero et al., 2016).Se aplicó, además el método de GloBEIS, que relaciona nubosidad con radiación PAR para toda la región y cualquier día.

El modelo GloBEIS (Global Biosphere Emission and Interaction System, por siglas en inglés) fue usado en este estudio debido usa factores específicos para varios tipos de vegetación, requiere un mínimo de datos de entrada. Los factores de emisión son los mismos que el MEGAN (Model of Emission of Gas and Aerosols from Nature) pero expresados a nivel de las hojas de las plantas y no al nivel del dosel. (EPA, 2007; Guenther, 2012,).

El modelo requiere como mínimo de 3 archivos de entrada definidos por el usuario, meteorología con variables meteorológicas horarias (temperatura y nubosidad o radiación solar PAR), uso de suelo, definición y ubicación geográfica del dominio o zona de estudio. Los valores obtenidos para la PAR por el procesamiento de las imágenes visibles GOES 13 tienen una resolución espacial de 1 Km x pixel.

Los factores de emisión se encuentran definidos dentro del modelo, pero existe la posibilidad de introducir nuevos factores que se ajusten a la vegetación presente en el dominio definido.

Las corridas del modelo GloBEIS se realizaron puntualmente para las dos zonas citrícolas evaluadas, considerando los valores del índice de área foliar por defecto para las plantaciones citrícolas que contiene el modelo y los valores obtenidos por los trabajos desarrollados en Cuba.

Este modelo calcula las emisiones biogénicas de isopreno, monoterpenos totales, otros compuestos orgánicos volátiles (OCOV), así como las emisiones de los suelos de monóxido de nitrógeno (NO) para cualquier escala y dominio, y tiene la habilidad de modelar periodos prolongados de sequía y altas temperaturas . Este modelo está basado esencialmente en los algoritmos desarrollados (Guenther, 2012).

Tabla 1
Configuración de las corridas del Modelo GloBEIS.

Fuentes: ¹Ministerio de la Agricultura. ²Instituto de Investigaciones en Fruticultura Tropical. ³ Centro del Clima. Instituto de Meteorología

Para Cuba, los cítricos, en especial el naranjo Valencia como especie evaluada presentan valores medios de LAI cercanos a 6,4 (Pérez et al., 2003). Algunas especies de cítricos mostraron mayores variaciones anuales del LAI y de la producción en Ceiba del Agua (Cuba) que en Florida (Estados Unidos), donde el LAI fue más estable y por consiguiente la producción (Aranguren et al., 2015).Estos resultados corresponden a condiciones locales propias de la mayor área de estudio (Jagüey Grande).Este valor es ligeramente superior al calculado por defecto por la corrida del modelo GloBEIS.

Resultados más satisfactorios en la producción de cítricos y mayor homogeneidad en los valores de LAI se pudieran obtener si se aplicaran trabajos científicos (Solano et al., 2004) que muestran un método objetivo que reduce los riesgos climáticos y permite evaluar el crecimiento y desarrollo de las plantas.

El procesamiento de las imágenes visibles de los satélites GOES para determinar la radiación solar permite extender la valoración de la radiación PAR para todo el territorio de Cuba, a partir de regularidades determinadas previamente entre la PAR y la radiación solar con mediciones en tierra.

La figura 1 muestra el comportamiento de la radiación PAR para Jagüey Grande durante los meses de abril, junio y diciembre.

Figura 1
Marcha diaria de la Radiación PAR para los meses de abril, junio y diciembre en la estación meteorológica de Jagüey Grande el año 2015.

Los valores máximos obtenidos por la corrida del modelo Globeis a las 12 horas local en junio alcanzan valores entre 450 y 470 W/m², mientras que en diciembre apenas alcanzan entre 300-325 W/m². Durante el mes de junio el sol alcanza una mayor altura cenital y los rayos solares inciden de forma perpendicular, aunque no ocurren los máximos de radiación.

Es necesario señalar que se obtuvieron valores determinados para algunos días bajo las condiciones de cielo despejado fueron obtenidos valores mucho más altos haciendo uso del Modelo de Transferencia Radiativa TUV que permite la determinación de la PAR entre otras facilidades encontrándose una diferencia del 5% en el error medio cuadrático para la PAR determinada por las imágenes de satélites y el TUV como referencia .Las diferencias son notables dado que el modelo proporciona valores mucho más bajos quizás porque el modelo incorporó los datos de nubosidad que disminuyen los valores de radiación, además de que el modelo se ha aplicado fundamentalmente en latitudes medias.

En las tablas 2 y 3 se puede observar el resultado de la ejecución del modelo con los dos LAI (valor por defecto del GLOBEIS y valor determinado). Estos resultados demuestran la influencia tan marcada del LAI sobre las emisiones de COVBs

Tabla 2
Emisiones anuales en toneladas (ton) de emisiones biogénicas en las áreas citrícolas de Jagüey Grande y Ceiba para el año 2015 con el LAI obtenido in situ.

NO: monóxido de nitrógeno, ISO: isopreno, TMT: monoterpenos totales, OCV: otros compuestos orgánicos volátiles, COVBs compuestos orgánicos volátiles biogénicos, EBT: emisiones biogénicas totales

Obsérvese que las emisiones de óxido nitroso no tienen obviamente relación con el valor del LAI, solamente con la superficie que ocupen las plantaciones. En la tabla 3 se mostrara el valor obtenido con el valor que aporta el modelo por defecto que es de 5.

Tabla 3
Emisiones anuales en toneladas (ton) de emisiones biogénicas en las áreas citrícolas de Jagüey Grande y Ceiba para el año 2015 con diferentes LAI como referencias

NO: monóxido de nitrógeno, ISO: isopreno, TMT: monoterpenos totales, OCV: otros compuestos orgánicos volátiles, COVBs compuestos orgánicos volátiles biogénicos, EBT: emisiones biogénicas totales

Los valores obtenidos de las emisiones de los compuestos orgánicos volátiles difieren notablemente, como era de esperar pues dependen fundamentalmente del tamaño de las hojas, además de otras funciones fisiológicas.

Las emisiones biogénicas totales (EBT) de las zonas citrícolas de estudio, para el año 2015, tomando el LAI=6.4 de referencia estuvieron en el orden de las 2654.1 toneladas (ton) anuales, correspondiendo casi en su totalidad a las emisiones de COVBs (99.1 %). Este valor de emisiones anual corresponde a alrededor 7.27 ton por día como promedio, sin considerar el efecto de plagas o factores ambientales.

Respecto a las áreas de estudio, aproximadamente el 66.25 % de las EBT corresponden a Jagüey Grande debido al área mucho mayor dedicada a los cítricos respecto a Ceiba a la cual corresponden el 33.75% restante. Esta proporción se mantiene al analizar los diferentes COVBs y el NO. Las mayores emisiones de los COVBs pertenecen a Otros Compuestos Volátiles (OVC) con un 59.53 %, debido al número considerable de especies comprendidas; seguidas de las monoterpenos (TMT) con un 40.45 %, mientras que las de los isoprenos (ISOP) son prácticamente nulas, con un 0.02 % del total de emisiones de los COVBs, en correspondencia a estudios realizados en diversas especies citrícolas con anterioridad (Fares et al., 2011).

Este comportamiento de las emisiones de los TMT evidencia la influencia que tiene la temperatura en ambos procesos de emisión de estos COVBs, puesto que a medida que aumenta la temperatura de las hojas de las plantas aumentan las emisiones de estas especies como fue explicado con anterioridad en el análisis de las emisiones mensuales.

Las emisiones de TMT ocurren también de noche a diferencia del isopreno que no se acumula en las hojas (Camargo et al., 2010) aunque en una tasa menor a la que se presenta durante el día

Figura 2
Emisiones horarias promedios (kg) de TMT en Ceiba y Jagüey Grande para el año 2015

En las emisiones generadas por los suelos como causa de procesos de nitrificación y desnitrificación producidas por bacterias, se observa que al igual que ocurre con las emisiones de COVBs, las emisiones de NO se ven influenciadas por la temperatura (Williams et al 1992), en este caso del suelo, alcanzando su máxima emisión entre las 12 y las 14 horas debido a la relación directa entre acción bacteriológica y temperatura. (Guenther, 2017).

En el caso del NO, las emisiones muestran un comportamiento más homogéneo a lo largo del año, con un aumento sostenido a partir de abril alcanzando los máximos valores en julio y agosto, coincidiendo con los meses de mayor temperatura tanto del aire como del suelo

Los suelos en ambas plantaciones, no son iguales, pero para el modelo GloBEIS responden como semejantes .En conjunto con poca diferencia significativa de la temperatura del aire (no se dispone de datos de temperatura del suelo), condiciona que la extensión del área sembrada sea la variable determinante en las emisiones.

Figura 3
Emisiones mensuales de NO en Ceiba y Jagüey Grande.

Este comportamiento de las emisiones de los TMT evidencia la influencia que tiene la temperatura en ambos procesos de emisión de estos COVBs, puesto que a medida que aumenta la temperatura de las hojas de las plantas aumentan las emisiones de estas especies como fue explicado con anterioridad en el análisis de las emisiones mensuales.

Las mayores emisiones se alcanzan en el horario de las 17 horas debido a que la relación de la radiación solar y por tanto de la PAR, no es directa con las emisiones (Guenther et al., 1991) y que también dependen del régimen de temperatura al que las hojas han estado expuestas en horas previas (Velasco &Bernabé, 2004)

Estos análisis nos muestras como puede variar la composición química de la atmosfera y que generalmente no son considerados. Este estudio fue en una zona rural, pero en caso de zonas urbanas e industriales nos llevaría a un estudio más complejo con muchos procesos de interacción y retroalimentación si quisiéramos abarcar además las emisiones antrópicas.

La estimación de emisiones biogénicas varia aproximadamente en 21.9% según se aplique el valor del índice de área foliar para los cítricos utilizado como parámetro de entrada del modelo GLOBEIS o el calculado in situ en Jagüey Grande.

Los métodos utilizados para la determinación de la radiación fotosintéticamente activa, a partir de la radiación solar incidente y la nubosidad, permiten permite extender el cálculo de esta variable para todo el territorio de Cuba.

Las emisiones biogénicas para el año 2015 para las plantaciones citrícolas de Jagüey Grande y Ceiba, estuvieron en el orden de las 2654.1 toneladas anuales, correspondiendo casi en su totalidad a las emisiones de Compuestos Orgánicos Volátiles Biogénicos (99.1%).Aproximadamente el 66 % del total de emisiones corresponde a Jagüey Grande debido a su mayor superficie cultivada.

Las emisiones de monoterpenos totales (40.45%) y de otros Compuestos Orgánicos Volátiles Biogénicos (59.53%) fueron muy superiores a las emisiones de isoprenos, prácticamente nulas (0.02%).

En el caso del monóxido de nitrógeno las emisiones muestran un comportamiento más homogéneo en el transcurso del año con un incremento a partir de abril con máximos valores en Julio y agosto correspondiendo con las mayores temperaturas del aire y el suelo. Este estudio, es el primero que calcula las emisiones biogénicas en Cuba y la metodología descrita puede ser aplicada para otros cultivos y plantaciones.

Realizar mediciones in situ de variables meteorológicas y factores fisiológicos lo nos acercamos más a la realidad