2024
304
06032024
03062024
Rachel Martínez Rodríguez victoria20plus@gmail.com
Instituto de Meteorología, Cuba
Arnaldo E. Collazo Aranda
Instituto de Meteorología, Cuba
Rosemary López Lee
Instituto de Meteorología, Cuba
RESUMEN: En la investigación se evaluó el impacto del ozono troposférico (O3) en el cultivo de la papa en San José de las Lajas bajo la influencia de condiciones meteorológicas tipo. La información sobre las concentraciones de O3 se obtuvo de las salidas del modelo SILAM. La clasificación de los tipos de situaciones sinópticas se obtuvo a partir de los mapas del estado general del tiempo del Instituto de Meteorología. Para evaluar el impacto del O3 en el cultivo de la papa se utilizó el índice AOT40. El estudio se realizó para el período comprendido desde enero de 2021 hasta marzo de 2022. Se obtuvo el comportamiento diario y estacional de las concentraciones de O3, así como la variación de estas bajo la influencia de los distintos tipos de situaciones sinópticas. Los meses con mayores concentraciones diarias promedio de O3 coincidieron con el período poco lluvioso. Predominó la influencia de los anticiclones continentales migratorios durante más del 50% de los días analizados. Se observó un aumento de las concentraciones horarias de O3 en los días posteriores al paso de zonas frontales, lo cual evidenció el transporte transfronterizo de contaminantes desde Estados Unidos. La correlación obtenida entre los tipos de situaciones sinópticas y las concentraciones de O3 fue de moderada a baja. Las pérdidas estimadas en la producción de papa debido a la exposición al O3 fueron de 15 a 14 toneladas (4138-3999 USD).
Palabras clave: AOT40, cultivo de la papa, ozono troposférico, San José de las Lajas, tipo de situación sinóptica.
ABSTRACT: In the research, the influence of tropospheric ozone concentrations on potato crop under types of synoptic situations in San José de las Lajas was evaluated. The ozone concentrations data was obtained from the SILAM Model outputs. The classification of the typical synoptic situations was carried out from the synoptic maps of the Institute of Meteorology. For impact assessment of ozone exposure on potato crop AOT40 index was used. The study covered the period between January 2021 and March 2022. The daily and annual progress of the concentrations of ozone and their behavior under the influence of the typical synoptic situations were obtained. Months with the highest daily average ozone concentrations belonged to the season of lesser rains. The influence of continental migratories anticyclones predominated for the 50% of the total days analyzed. The highest daily ozone average concentrations were assigned to these typical synoptic situations. An increase of the ozone hourly concentrations was observed after frontal zones passed, evidencing transboundary transport of pollutants from US. The obtained correlation between tropospheric ozone concentrations and synoptic situations was from low to moderated level. The estimated potato crop losses for tropospheric ozone exposure were from 14 to 15 ton (4138-3999 USD).
Keywords: AOT40, potato crop, tropospheric ozone, San José de las Lajas, type of synoptic situation.
Artículo Original
Impacto del ozono troposférico en el cultivo de papa bajo situaciones sinópticas típicas en Cuba
Impact of tropospheric ozone on potato crop under typical synoptic situations in Cuba
Rachel Martínez Rodríguez victoria20plus@gmail.com
Arnaldo E. Collazo Aranda
Rosemary López Lee
Received: 06 March 2024
Accepted: 03 June 2024
El ozono troposférico (O3) es un contaminante secundario, procedente de las reacciones fotoquímicas de sus precursores o contaminantes primarios (óxido de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles. La naturaleza altamente oxidante de este gas, provoca daños a las especies arbóreas en términos de superficie forestal afectada y su extensión, así como en pérdidas de biodiversidad en los pastizales naturales. El estrés oxidativo del O3 también afecta los cultivos comerciales, debido a que produce una reducción en la cosecha y calidad de estos (Jiménez-Montenegro et al., 2021).
La papa (Solanum tuberosum L.) es el cuarto alimento básico en el mundo y una importante fuente de energía, debido a su alto contenido de carbohidratos (principalmente almidón). Pero la exposición a largo plazo a altas concentraciones de O3 puede causar una caída en su contenido de almidón, lo que conduce a importantes pérdidas de rendimiento (Jiménez et al., 2021).
Desde la década de los 70 del siglo pasado, ya se tiene una gran experiencia acumulada y antecedentes por las investigaciones realizadas por Ramírez (1989, 1992), acerca de los procesos meteorológicos y ambientales, que favorecen el incremento de las concentraciones del ozono troposférico en Cuba. Se tienen estudios más recientes como López et al. (2018) y su evaluación del riesgo por el impacto del O3 sobre la salud y la vegetación.
Sin embargo, en la actualidad no se cuenta en el país con una red de monitoreo continuo para la medición sistemática de este contaminante y sus precursores. Por tanto, se utiliza, como paliativo, la información que se encuentra disponible con libre acceso de las salidas de los modelos globales, tal es el caso del modelo Global:System Integrated for ModeLing of Atmospheric CoMposition (SILAM), de utilidad para la vigilancia de la composición química de la atmósfera nacional.
SILAM (Sistema Integrado para el Modelación de la Composición Atmosférica) es un modelo de dispersión atmosférica de escala global a meso desarrollado por el Instituto Meteorológico de Finlandia (FMI, siglas en inglés ). Proporciona información sobre la composición atmosférica, la calidad del aire y el humo de los incendios forestales (PM2.5) y también puede resolver el problema de la dispersión inversa. El FMI proporciona mediante SILAM un pronóstico de contaminantes atmosféricos globales con 5 días de antelación (SO2, NO, NO2, O3, PM2.5 y PM10) basado en TNO-MACC (emisión global) e IS4FIRES (incendios forestales) (FMI, 2022).
En la legislación ambiental de Cuba se encuentra vigente la NC 1020:2014 que establece las concentraciones máximas admisibles (CMA) de contaminantes en el aire en zonas habitables, así como los valores guías (VG) de calidad del aire (ONN, 2014; OMS, 2021). Esta norma establece 100 µg/m3 como CMA de O3 en 8 horas. En el país no existen normas de calidad del aire para los ecosistemas. Sin embargo, otros autores (López et al., 2018) han usado como referencia los valores guías secundarios recomendados por la OMS (Calderón, 2011), que sugiere 80 µg/m3 como CMA de O3 en 1 hora.
El índice AOT40, se utiliza para cuantificar la superación de los valores de O3 por encima del fondo natural (por encima de 40 ppb) durante el periodo de crecimiento de un cultivo (estandarizado a 3 meses). El AOT40 se ha utilizado tanto en Europa (Sánchez, 2021) como en Estados Unidos y en el caso de Cuba este índice fue utilizado por López et al. (2018) para un análisis de riesgo en La Habana.
La clasificación de los tipos de situaciones sinópticas (TSS) constituye una necesidad para poder realizar la climatología de los procesos atmosféricos que influyen sobre una región o país. La forma más simple para clasificar los TSS es mediante la agrupación de patrones isobáricos similares que aparecen en los mapas del tiempo, conformando grupos con los mapas donde predominan situaciones sinópticas con estructuras y distribuciones semejantes (Torres et al., 2020). Lapinel (1988) utilizó un criterio subjetivo de clasificación de los tipos de situaciones sinópticas influyentes sobre Cuba (tabla 1), que tenían una relación definida con la ocurrencia o no de precipitaciones en el territorio nacional. Lapinel(1988) clasificó los TSS para Cuba de la siguiente forma:
En Cuba la papa representa uno de los principales tubérculos consumidos en el país (Martín, 2019), y Mayabeque constituye la principal provincia productora de papa en Cuba (ONEI, 2021). San José ocupa el tercer lugar en la producción de papa de dicha provincia occidental, y es el municipio más poblado de la misma (ONEI, 2021).
El nivel de calidad del aire en San José de las Lajas puede considerarse deficiente. Con 7 fuentes de contaminación, es el municipio más contaminado de la provincia de Mayabeque (Cuesta et al., 2019). Sin embargo, son escasos los estudios que relacionan las concentraciones de O3 con el rendimiento agrícola del cultivo de la papa, así como con la salud de la población residente en dicho municipio, los cuales podrían contribuir a la elevación de la calidad de vida de la población residente en este municipio, así como un mejor rendimiento de la producción agrícola.
Poe rodo esto, el objetivo general de la investigación fue evaluar el impacto del O3 en la producción de papa en San José de las Lajas bajo la influencia de condiciones meteorológicas tipo.
La base de datos utilizada abarca el período desde enero de 2021 hasta marzo de 2022. Se seleccionó como área de interés el municipio de San José de las Lajas, en la provincia de Mayabeque (figura 1), ubicado en los 22°58′05″ latitud norte y los 82°09′21″ longitud oeste.
Se descargaron los archivos (en formato NetCDF), provenientes del modelo global de Calidad del aire (SILAM). Luego, se procedió a extraer los valores de las concentraciones del ozono troposférico (promedio diario cnc_mean_day_O3 y máximo en 8 horas cnc_max_day_O3) en el área de estudio (territorio nacional) y se obtuvo la serie diaria de las concentraciones de O3 para el área y periodo del estudio.
Se confeccionó una base datos sobre los TSS (Catálogo que comprende 9 tipos principales y 20 subtipos), a partir de los Estados Generales del Tiempo (EGT) y los mapas sinópticos que se confeccionan con el software Digital Atmosphere, emitidos por el Centro Nacional de Pronóstico del tiempo del Instituto Nacional de Meteorología de Cuba. Con esta base de datos se pudo identificar y clasificar el TSS para cada día del período que abarcó el estudio, utilizando las clasificaciones hechas Lapinel (1988).
Para estimar el impacto de la exposición al O3 en las plantas se utilizó el índice AOT40 (1) (Sánchez, 2021; Mills et al., 2007; Hollaway et al., 2012). El AOT40 se obtuvo mediante la suma de la diferencia entre la media horaria de las concentraciones de O3 y 40 ppb, para cada hora con luz solar (8 a.m.- 8 p.m.) donde las concentraciones sobrepasaron los 40 ppb, durante un período de tres meses:
Donde es el número de horas () en las cuales las concentraciones de ozono fueron superiores a 40 ppb.
El rendimiento relativo del cultivo (RY) (2) se obtuvo utilizando las funciones exposición-respuesta a la exposición al O3 para el caso de la papa. Se emplearon las funciones obtenidas para países europeos (Mills et al., 2007; Hollaway et al., 2012), las cuales dan una relación exposición-respuesta linear como función del AOT40.
Donde es el rendimiento relativo.
Para la estimación de la reducción del rendimiento relativo del cultivo () (3) teórico, sin tener en cuenta las afectaciones debido al O3 se utilizó la siguiente ecuación:
La estimación de la pérdida relativa en el rendimiento de la producción del cultivo () (4) se calculó de la siguiente forma:
Donde es el rendimiento del cultivo en la producción del mismo.
Para estimar la pérdida económica promedio () (5) debido a los daños provocados por el O3 se utilizó la siguiente ecuación:
Donde es el precio medio de la tonelada del cultivo en dólares y está expresado en toneladas.
Para el análisis estadístico de los datos se utilizó el software OriginPro (2016). Se asumió la no normalidad de los datos. Por tal motivo, se aplicó la prueba no paramétrica U de Mann-Whitney (Wayne, 1991) para analizar las diferencias de las concentraciones de O3 entre el período lluvioso (mayo - octubre) y el poco lluvioso (noviembre-abril). El coeficiente de correlación de rangos de Spearman (Jolliffe & Stephenson, 2003), se aplicó para determinar la correlación entre los TSS y las concentraciones de O3.
Se estimaron las concentraciones horarias promedio de O3. Se muestran en la figura 2.
El comportamiento de las concentraciones de O3 es semejante al obtenido por López et al. (2018) y Ramírez (1989), el cual evidencia la marcada relación entre las concentraciones de O3 y la radiación solar. Se observaron valores mínimos a las 12:00 a.m. y también a las 7 a.m. y a partir de ese horario, las concentraciones comenzaron a aumentar. Esto se debe al incremento de la radiación solar, que es un factor determinante en la formación de O3 troposférico a partir de los precursores NOx (NO y NO2) y COVs (Seinfeld & Pandis, 2006; Lou et al., 2015).
El valor máximo estuvo como promedio cerca de las 4 p.m., momento a partir del cual las concentraciones comenzaron a descender, siguiendo la declinación solar. Sin embargo, los valores máximos están desplazados una hora con respecto al promedio de las observaciones de las fuentes tomadas como referencia (López et al., 2018; Ramírez, 1989). Esto puede deberse a la diferencia de los períodos de tiempo y localidades que se tuvieron en cuenta para cada estudio.
Se determinó la concentración media mensual de O3 para todos los meses estudiados (figura 3).
Las concentraciones promedio más altas se presentaron durante el período de noviembre a abril. Estos meses coinciden con la etapa poco lluviosa del año en Cuba. Los valores medios mensuales más bajos se exhibieron en los meses desde mayo a octubre, meses que corresponden al período lluvioso. Este comportamiento estacional de las concentraciones de O3 también ha sido obtenido por otros autores, en la Florida y en África (Ramírez, 1989) y en Cuba (López et al., 2018). El comportamiento descrito del O3 troposférico pudo ser resultado del aporte local de sus precursores y la permanencia de las masas de aire procedentes de Norteamérica que favorecen el incremento de O3; además por las condiciones de buen tiempo asociadas, con días secos y cielo despejado que provocan la destrucción acelerada de NO2 (Ramírez, 1989; Collazo, 2011; López et al., 2018).
La prueba no paramétrica U de Mann-Whitney sugirió que las muestras correspondientes al período poco lluvioso y lluvioso presentaron diferencias estadísticamente significativas con un nivel de confianza del 95%. Esto significa que las concentraciones de O3 variaron en un período respecto al otro.
El valor máximo de concentración de ozono que se obtuvo fue de 125,55 µg/m3, el cual se presentó durante el mes de marzo de 2021. Este período se caracterizó por la influencia de anticiclones continentales migratorios. Varios días durante los meses invernales se caracterizaron por concentraciones horarias superiores a los 80 µg/m3. Esto puede deberse al predominio de las altas presiones continentales migratorias, que favorece el transporte transfronterizo (Collazo, 2011).
La figura 4 muestra la distribución de frecuencia de las concentraciones de O3 para las horas que se analizaron. Puede apreciarse que predominaron las bajas concentraciones, las cuales representan el 89% del total de horas analizadas.
Las concentraciones superiores a los 80 µg/m3 representan el 10% y las superiores a 100 µg/m3 representan el 8%. Las concentraciones mínimas, que son inferiores a 13.53 µg/m3 representan el 7% de los datos del estudio.
Los meses que presentaron más horas con concentraciones de O3 que superaron la CMA para la vegetación fueron, en orden descendente, marzo, enero y noviembre de 2021. Durante estos meses se presentaron más de 245 horas en las cuales las concentraciones de O3 superaron los 80 µg/m3 (Tabla 2). Cabe resaltar que tanto el mes de enero como el de marzo se corresponden con el cultivo tardío de la papa (Martín, 2019). Se contabilizaron 1942 horas donde las concentraciones superaron los 80 µg/m3.
Se analizaron los mapas de EGT y se obtuvo el TSS para los días desde el primero de enero de 2021 hasta al 31 de marzo de 2022 (figura 5).
El TSS que con mayor frecuencia influyó en la mitad occidental del país durante el período que abarcó el estudio fue el TSS VIII, situación que se presentó durante 246 días. El TSS VIII se caracteriza por la presencia de altas típicas polares continentales de Norteamérica, asociadas a una masa de aire polar subsidente, que tienden por lo general, a desplazarse hacia el sudeste y luego al este, hacia el Atlántico (Lapinel, 1988).
Cuando las altas continentales migratorias irrumpen activamente hacia bajas latitudes, entonces Cuba puede quedar bajo la influencia de temperaturas bajas y vientos de región norte. En su progresivo avance, al internarse estos anticiclones en zonas marítimas, ya sea por el golfo de México o por la costa atlántica de los Estados Unidos, presentan un rápido proceso de transformación debido a la fuerte humectación, pudiendo tener lugar una fusión con el anticiclón del atlántico o bien un desplazamiento del mismo (Torres et al., 2020).
El comportamiento anual de los TSS observado en 2021 fue atípico en comparación con el comportamiento climático que caracteriza a la mitad occidental de Cuba. Durante los meses correspondientes al período poco lluvioso, la mitad occidental del país es mayormente influenciada por anticiclones migratorios continentales (Torres et al., 2020). Sin embargo, en 2021 esta situación predominó durante 10 meses del año. Esto provocó que durante los meses del período lluvioso no predominara la influencia del anticiclón del Atlántico, excepto en el mes de junio.
Se calculó el porciento que representó cada TSS del total de días de 2021 que se analizaron (figura 6a). Se realizó el mismo procedimiento para el primer trimestre del 2022 (figura 6b).
Las diferencias del comportamiento de los TSS en el 2021 con respecto al 2022 mostradas en la figura 6a y figura 6b están asociadas principalmente al período que abarcó el estudio. Los TSS V y IX no se presentaron en ninguno de los días estudiados.
El TSS V corresponde a la influencia de zonas de convergencia. Este TSS suele afectar la mitad occidental del país principalmente en los meses correspondientes al período lluvioso, pero con baja frecuencia. La ausencia de días con el TSS IX pudo deberse a que los pocos casos de difícil comprensión fueron reexaminados y asignados a un subtipo específico (Torres et al., 2020).
Los meses durante los cuales se presentaron mayores concentraciones horarias de O3 se caracterizaron por la influencia de masas de aire continental, ya sea por la presencia de anticiclones migratorios continentales, bajas extratropicales o frentes fríos. Además, las mayores concentraciones de O3 correspondieron a los meses del período poco lluvioso.
También se analizó la distribución de las concentraciones medias diarias (figura 7) de O3 según el TSS. Las concentraciones medias diarias de O3 más elevadas correspondieron al TSS VIII, seguida la VII y I. Las mayores dispersiones también se obtuvieron para el TSS VIII. Este resultado puede deberse a la prevalencia de dicho TSS durante el período estudio. El TSS al cual estuvieron asociados los valores más bajos de concentraciones de O3, así como las menores desviaciones fue el III.
Las concentraciones máximas diarias (figura 8) más altas correspondieron al TSS VIII, así como las mayores desviaciones. Este resultado puede deberse a la prevalencia de dicho TSS durante el período estudio. Al igual que en el caso de las concentraciones medias diarias, los valores mínimos correspondieron al débil gradiente bárico. Este TSS también presentó las menores desviaciones.
El valor de los coeficientes obtenidos sugiere una correlación (tabla 3) que va de baja a moderada entre las concentraciones de O3 y los TSS. Los valores de los coeficientes obtenidos pueden ser explicados debido al corto período de tiempo que abarcó el estudio, lo que no permite que sea representativo del comportamiento de las condiciones climáticas en la mitad occidental del país. La prevalencia de la influencia anticiclónica continental durante casi todo el período analizado es también una de las causas por las cuales no se pudo establecer una alta correlación entre las concentraciones de O3 y los TSS.
De forma general las concentraciones de O3 aumentaron durante los días posteriores al paso de una zona frontal, lo cual se corresponde con lo planteado por Ramírez (1989), Collazo (2011) y López et al. (2018). El aumento de las concentraciones de O3 se debe a la contaminación transfronteriza, evidenciada en el transporte de contaminantes procedente de Norteamérica por la masa de aire continental que sucede al paso de la zona frontal.
Durante el período de estudio Cuba fue afectada de forma directa por 17 frentes fríos. Se analizaron las concentraciones medias diarias, máximas y mínimas de O3 antes, durante y después del paso de los frentes fríos. De forma general las concentraciones de O3 fueron inferiores días antes del paso del frente frío respecto a los días posteriores al paso del frente.
La figura 9 muestra la marcha diaria de O3 correspondiente al 4 de marzo de 2021, día durante el cual una zona frontal afectó la mitad occidental del territorio cubano. Puede apreciarse el aumento de las concentraciones horarias de O3 durante los días posteriores al paso del frente frío respecto a los días anteriores y al propio día del paso de este.
La tabla 4 muestra los resultados obtenidos para el análisis del impacto de la exposición al O3 troposférico en el cultivo de la papa de enero a marzo en 2021 y 2022.
El valor de AOT40 obtenido para el primer trimestre de 2021 superó los 6000 µg/m3.h, que es el umbral a partir del cual las afectaciones en los cultivos pueden ser superiores al 5% (Sompriti et al., 2022). Durante el período analizado de 2022 el valor del AOT40 no superó los 6000 µg/m3.h.
Los valores de AOT40 para el primer trimestre de 2021 y 2022 permitieron estimar una pérdida de rendimiento relativo del cultivo de 1.4 % y 1.3% respectivamente. Debe tenerse en cuenta que la papa es un cultivo moderadamente sensible al O3 (Mills et al., 2007). Además, las concentraciones medias de O3 en Cuba son inferiores a las obtenidas por otros autores en otras latitudes (Mills et al., 2007; Hollaway et al., 2012). Por tanto, las estimaciones de los daños obtenidos en este estudio son inferiores a las sugeridas por otros autores para el caso del cultivo de la papa (Mills et al., 2007; Hollaway et al., 2012; Suganthy and Udayasoorian, 2020).
Se tuvieron en cuenta los datos de la cantidad de hectáreas sembradas de papa en San José de las Lajas, la cantidad de toneladas cosechadas, el rendimiento en toneladas por hectáreas (ton/ha.) del cultivo y el valor de la producción. A partir de estos valores se determinó la CPL y la EL para el primer trimestre de 2021 y 2022. Los resultados se muestran en la tabla 5.
Las mayores pérdidas económicas estimadas correspondieron al primer trimestre del año 2021. Esto se debe a que en dicho período se superó la CMA para la vegetación durante mayor cantidad de horas que en el trimestre analizado de 2022.
*Autor para correspondencia: Rachel Martínez Rodríguez. E-mail: victoria20plus@gmail.com
