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Introducción
La contaminación atmosférica por ozono troposférico (O3) afecta la salud del arbolado urbano; de hecho, dicho contaminante es señalado como un gas fitotóxico importante. En consecuencia, valores altos de O3 troposférico por arriba de un nivel tolerado por el arbolado, provoca daños y causa una afectación en el desarrollo de los árboles (Guidi et al. 2016). El O3 es un gas oxidante que ingresa por los estomas durante el intercambio gaseoso provocando el rompimiento del tejido membranoso, y por ende, la pérdida prematura de las hojas y una reducción en la asimilación de carbono; lo que repercute, en una reducción de la producción de biomasa (Cassimiro y Moraes 2016). Los daños por O3 pueden ser agudos en eventos de corta duración cuando las concentraciones son muy altas, observándose como síntomas visibles en el follaje (Krupa et al. 2007). Por otro lado, una exposición en intervalos de tiempo largos (estrés crónico) a concentraciones bajas de O3 constantes, provoca la caída prematura de las hojas y modificación en el desarrollo de los árboles, en muchos casos, sin manifestar síntomas notorios en el follaje (Jolivet et al. 2016).
La vitalidad del arbolado se define como la habilidad de la respuesta fisiológica de los árboles ante el estrés causado por distintos factores externos (Callow et al. 2018) y se puede estimar con la determinación de la fluorescencia de la clorofila (Fv/Fm), debido a que ésta está relacionada con la actividad fotoquímica y fotosintética de las plantas (Martinez-Trinidad et al. 2012, Pontius y Hallet 2014). Considerando que el O3 se forma por reacciones fotoquímicas en la atmósfera, es factible que en algunas zonas urbanas y periurbanas se presenten niveles elevados; de tal manera, que el arbolado en esas áreas podría manifestar daños por O3 y reducción en su vitalidad (Kim et al. 2007).
En años recientes se han llevado a cabo diversos trabajos para monitorear y modelar geoestadísticamente los niveles de O3. Además, se ha tratado de determinar el umbral de concentración de O3 que causa daños en las plantas, e.g., el índice AOT40 que se basa en la cuantificación de los niveles O3 acumulados por arriba de las 40 partes por billón (ppb) durante las horas de luz (Gerosa et al. 2006); lo anterior, ya que se considera que, alcanzando dicho límite, el arbolado muestran alteraciones en distintas variables fisiológicas (Jackovljevic et al. 2021). El comportamiento del O3 en la atmósfera y la interacción con otras variables ambientales se han predicho con varios modelos (Cano-Baudino et al. 2016); dentro de los cuales se encuentran el Quadratic Rollback Model que provee la predicción de la concentración de los contaminantes usando variables climáticas tales como la precipitación y la temperatura (Hogsett et al. 2008); el modelaje del transporte de las moléculas de O3, tales como la aplicación WRF-Chimere (Blanco-Ward 2019); o el modelaje a través de la distribución de valores extremos (Zolghadri y Henry 2003) como la distribución DAGUM y la distribución DGEV, que examinan el comportamiento del O3 a través del tiempo (Okorie et al. 2019).
La Zona Metropolitana de Guadalajara (ZMG) actualmente presenta niveles de contaminación elevados, debido al incremento constante de la población, al desarrollo industrial sin control, al incremento de número de automóviles, así como a condiciones ambientales (De Quevedo et al. 2017), en particular la contaminación por O3; lo que repercute en problemas de salud humana y vegetal. Por ejemplo, existe evidencia de que, en los días con concentraciones elevadas de O3 y partículas suspendidas, los problemas cardiovasculares aumentan (Figueroa et al. 2016). Por otro lado, se han registrado daños en árboles del género Fraxinus por motivos similares en China (Gao et al. 2016). Sin embargo, no se ha evaluado el impacto de concentraciones altas de O3 en la vitalidad del arbolado urbano en la ZMG. Por tanto, el objetivo del presente trabajo fue identificar las zonas de mayor concentración de ozono en la ZMG mediante un modelo geoestadístico y relacionar tales concentraciones de O3 con el estado de vitalidad de tres especies arbóreas.
Materiales y métodos
Área de estudio
La ZMG se sitúa en el estado de Jalisco y está conformada por los municipios: Tlaquepaque, Guadalajara, Tlajomulco, Tonalá, Zapopan, y El Salto (20° 40.0092’ LN y 103° 23.5092’ LO) con una altitud promedio de 1540 m (Macías-Muro et al. 2022). En la ZMG existen 10 estaciones de monitoreo de la calidad del aire (Figura 1). La ZMG posee una superficie de 2 734.1 km2 con el predominio de un clima del tipo templado subhúmedo. La precipitación acumulada media anual es de entre 700 y 900 mm y la temperatura media anual de 21.7°C (33°C máxima y -6°C mínima). Se localiza entre las zonas montañosas del Cinturón Volcánico Transmexicano y la Sierra Madre Occidental; dicha orografía establece de manera parcial una barrera física natural que reduce la dispersión de la contaminación generada en la urbe (Nájera Cedillo et al. 2005). La velocidad del viento es moderada (promedio 1.4 m/s) con vientos predominantes del este en la época de lluvia y del oeste en la época seca (Fonseca-Hernández et al. 2018).
Base de datos de la concentración de O3
Los datos utilizados para este estudio fueron tomados de las observaciones de la concentración de O3 en partes por billón (ppb) de cada hora registradas por la red de monitoreo de calidad del aire de Jalisco durante los años 2015 a 2018. Los datos se analizaron y posteriormente, se modelaron con la distribución de valores extremos generalizada - DGEV (Tobias y Scotto 2005). En casos donde no se obtuvieron registros de datos, se estimó un promedio para las casillas en las que faltaban valores, con respecto al valor anterior y al posterior. De las estaciones estudiadas, la estación de Tlajomulco no contó con mediciones para las variables climáticas, por lo que se decidió no incluirla en los análisis de este trabajo.
Variables atmosféricas
Las estaciones de monitoreo de calidad del aire utilizadas, también registran variables climáticas. Para la modelación y el análisis del presente trabajo se consideró la humedad relativa (%), temperatura (°C), dirección del viento (azimut), y velocidad del viento (m/s) (Zolghadri et al. 2003). Como se reporta que las concentraciones de O3 más elevadas se tienden a presentar en las horas con registros de mayor temperatura (Escarela 2012), se decidió usar en el análisis de las variables climáticas descritas, sus valores máximos.
Datos de los árboles en el estudio
Para la evaluación de la vitalidad del arbolado, se muestreó el follaje de 123 individuos (copa >3 m de diámetro) de tres especies, ubicadas en áreas verdes manejadas cercanas a las estaciones de monitoreo de calidad del aire: fresno (Fraxinus uhdei (Wenz.) Lingelsh.) [51 individuos], eucalipto (Eucalyptus camaldulensis Dehnh.) [31 individuos] y casuarina (Casuarina equisetifolia L.) [41 individuos]. Cinco hojas por árbol se recolectaron entre los meses de septiembre a noviembre de 2018, de la parte externa de la copa a una altura de ocho a 10 metros sobre el suelo. Para evitar un efecto por el corte, se colocaron las muestras en bolsas de plástico, y se transportaron en una hielera para medirlas en menos de 3 horas. La fluorescencia de clorofila se midió con un fluorímetro Handy Pea en una parte de la hoja sin daño visible (Hansatech Instruments, King’s Lynn, Norfolk, UK). Las hojas se aislaron completamente de la luz por un período de 20 minutos, posteriormente se hizo incidir un rayo de luz infrarrojo, para que por el efecto del rebote se determinara la relación Fv/Fm; en la que Fv es la diferencia entre los valores máximo (Fm) y mínimo (Fo) de fluorescencia. Una disminución de los valores de fluorescencia de la clorofila (Fv/Fm) indica generalmente un daño foto inhibitorio provocado por factores de estrés (Johnstone et al. 2012).
Análisis geoestadístico de la base de datos de SIMAJ
Para conocer la variabilidad espacial, primero se realizó un análisis exploratorio de los valores disponibles: la concentración de O3 (variable respuesta), y de la humedad, temperatura, y velocidad del viento (variables explicativas). Para este fin, se utilizaron los paquetes gstat y geoR del Software R (R Core Team 2019). Se estimaron las medidas de tendencia central, las medidas de forma, y la variación; además, se graficó la distribución de los valores máximos de O3. Posteriormente, se ajustó un modelo de valores extremos, utilizando el paquete extremes y VGAM del software R (R Core Team 2019). La distribución de Fisher-Tippett también conocida como el modelo de la distribución de valores extremos generalizada - GEV (Hansen 2020) brinda una base segura para la modelación de valores extremos, que han sido de utilidad en estudios climáticos (Blanco et al. 2014) y sobre contaminación atmosférica (Tobias y Scotto 2005). Se revisaron tres modelos de distribución de valores extremos: Fréchet, Weibull, y Gumbel, y se conjuntaron en el modelo generalizado (Hansen 2020). El modelo generalizado tiene como hipótesis contar con una muestra independiente y aleatoria de los datos. En nuestro trabajo, los datos se utilizaron en bloques usando el valor máximo de cada tres días (Pal y Mazumdar 2015); este procedimiento se empleó para cada estación de monitoreo. Con lo anterior, se generó una muestra aleatoria independiente. Después, se usó la función vectorized generalized additive models (VGAM), para la modelar los parámetros de distribución de valores extremos como funciones lineales de covariables.
Análisis de la vitalidad del arbolado
Los valores tomados a través del fluorímetro se compararon entre las estaciones. El análisis se llevó a cabo a través del programa R y se empleó un análisis de varianza de una vía de clasificación (Contran et al. 2009). El análisis consideró la comparación para cada especie. Considerando que cerca de la estación Las Pintas sólo se encontró un área verde pública, se descartó dicha estación. Además, se examinó la correlación entre los valores máximos de concentración de O3 y la vitalidad de cada especie arbórea de cada estación (variable respuesta), con la finalidad de conocer de una manera preliminar sí la concentración de O3 presenta una relación con la vitalidad de los árboles registrada.
Resultados y discusión
Concentración de ozono en la ZMG
Los valores de concentración de O3 registrados en la mayoría de las estaciones de monitoreo mostraron que del 20 al 40% de las horas registradas mostraron valores superiores a 40 ppb indicados por el índice de exposición acumulada AOT40 (Tabla 1). Mientras que los valores máximos de O3 en las estaciones analizadas sobrepasaron las 40 ppb (Figura 2). La mayor parte de los días, dicho índice es sobrepasado y, por ende, los árboles están expuestos constantemente a niveles altos de concentraciones de O3. Los resultados indican que los niveles más altos de O3 para los valores máximos (Figura 2), así como de medianas y mínimos, se presentaron al medio día. Con base en la concentración de O3 y en la distribución geográfica de las estaciones de monitoreo, se encontró que los valores máximos mostraron una tendencia hacia la dirección Centro-Norte que incluye a las estaciones de Vallarta y Atemajac; lo que concuerda con los valores registrados a través de la base de datos. Con lo anterior, se asume que la zona con mayor contaminación se confina en los municipios de Zapopan, Tlaquepaque, y noreste de Guadalajara, adyacente a la región de Miravalle (la zona industrial de la ZMG), y se acentúa la situación por las condiciones topográficas que restringe la dispersión de los contaminantes (Fonseca-Hernández et al. 2018).
Tabla 1 Número de horas (#) en las que los registros de ozono superaron el límite de 40 ppb, por estación en el año 2018.
| Estación de monitoreo | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Variable | Atemajac | Águilas | Loma Dorada | Miravalle | Centro | Oblatos | Las Pintas | Tlaquepaque | Santa Fe | Vallarta |
| # horas > índice AOT40 | 962 | 891 | 1096 | 1694 | 1459 | 783 | 1711 | 1352 | 494 | 1738 |
| Porcentaje que representa | 22% | 20% | 25% | 39% | 33% | 18% | 39% | 31% | 11% | 40% |
| Promedio (ppb) | 57 | 52 | 59 | 63 | 59 | 53 | 66 | 68 | 66 | 62 |
Figura 2 Valores máximos promedio de la concentración de O3 (ppb) por hora durante 2015-2018. La línea roja indica el límite del índice AOT40 ppb y cada línea representa a una estación de monitoreo.
Derivado de modelar la concentración de O3 a través de la distribución de valores extremos generalizada, se encontró que los niveles de retorno para tres, cinco y 10 años, así como los valores de los parámetros estimados en el período de 2015 a 2018 varían en cada estación. Cabe indicar que es factible definir los comportamientos en cada una de las estaciones con los parámetros estimados. Con base en el modelo de ajuste, es posible determinar que la estación que presentará un incremento mayor en la concentración de O3 en 10 años, es la estación de Vallarta. Considerando el parámetro de forma (ξ), las estaciones Aguilillas, Miravalle, Atemajac y Centro presentan una distribución cercana a la Weibull, mientras que las estaciones Oblatos, Tlaquepaque, y Loma Dorada se ajustan a la distribución Fréchet; por otro lado, las estaciones Vallarta y Las Pintas se ajustaron a la distribución Gumbell. Cabe señalar, que, en todos los casos, los valores se ajustaron aceptablemente al modelo de valores extremos y que los estimadores de la temperatura en las diferentes estaciones fueron positivos, debido a la relación positiva entre la concentración de O3 y la temperatura; por lo que el aumento de la temperatura durante el día favorece la cinética de formación del O3 (Cano Baudino et al. 2016). Por otro lado, la velocidad del viento tiene parámetros negativos, debido a que se considera que los valores mayores de concentración de O3 se presentan a menores intensidades del viento (Ooka et al. 2011). Considerando los resultados del análisis, la concentración por O3 está en función de variables climáticas (como la temperatura y velocidad del viento).
Al considerar la dirección del viento dominante de oeste-suroeste, las concentraciones de las áreas ubicadas al suroeste de la ZMG, como Santa Fe, y Loma Dorada, son las que presentan menor concentración de O3 por el movimiento de los vientos (Nájera Cedillo et al. 2005). De tal manera que en estas zonas se presenta en menor cantidad la concentración de contaminantes. Con base en el registro de valores máximos de O3, las estaciones con mayores valores de concentración de O3 en el año 2018 fueron Miravalle, Las Pintas y Vallarta. Asimismo, el análisis de la distribución de valores máximos facilitó la realización de estimaciones de los valores de retorno (Zolghadri et al. 2003).
Análisis de vitalidad de árboles
Trabajos previos indican que valores Fv/Fm mayores de 0.8, representan una vitalidad buena. De los resultados destaca que los árboles de Fraxinus uhdei, presentaron los valores promedio de vitalidad más bajos (Fv/Fm = 0.763); sólo en las estaciones Atemajac y Águilas tuvieron valores por arriba de 0.8. Mientras que la especie Casuarina equisetifolia presentó los valores de vitalidad más altos (Fv/Fm = 0.792). Por otra parte, se puede considerar que el arbolado cerca de la estación Oblatos (0.734) y Las Pintas (0.735), presentaron el arbolado con una vitalidad menor. El valor menor de Fv/Fm para Casuarina fue en la estación Oblatos (0.676) y para Eucalipto en Las Pintas (0.609). No obstante, el resultado del análisis de varianza no mostró una diferencia significativa (P > 0.05) en la vitalidad del arbolado entre las estaciones. Investigación previa ha indicado el efecto de los factores climáticos en la afectación por O3 en algunas especies arbóreas. Por ejemplo, en el trabajo de Contran et al. (2009) donde evaluaron el efecto del O3 en árboles de Fraxinus excelsior L. encontraron que la humedad y la temperatura intervienen en el incremento de daño por O3; muy probablemente por un daño en los estomas. Por otro lado, las características del suelo como la salinidad influyen en el intercambio de gases y, por ende, en la afectación del O3 (Hoshika et al. 2015).
Una razón alterna para no encontrar diferencias en la vitalidad de las especies arbóreas se debe al efecto crónico potencial del O3, que se muestra generalmente como una disminución en la producción de biomasa (Kim et al. 2007). Por tanto, se recomienda, realizar estudios multitemporales con la finalidad de comparar el desarrollo de los árboles y la afectación de contaminantes atmosféricos a través del tiempo. Por último, la correlación con respecto a los valores máximos de concentración de O3 y la vitalidad de los árboles evaluados muestran una correlación más baja para el arbolado de Fraxinus uhdei (-0.071); lo que podría indicar que los árboles de fresno son más sensibles a las concentraciones de O3.
El modelaje de la concentración de O3 con la distribución de valores extremos presentó un ajuste aceptable al usar los datos de las estaciones de monitoreo. Los valores de la modelación determinaron que el área con mayor concentración de O3 se localizó en los municipios de Tlaquepaque, Zapopan y noreste de la ZMG. Las estaciones de monitoreo con los valores de concentración más altos fueron Vallarta y Tlaquepaque. Al considerar la tasa de retorno determinada con base en la distribución de valores extremos, la concentración de O3 en las estaciones de monitoreo estudiadas indican un incremento para los próximos años, de tal manera que es trascendente un monitoreo constante de la vitalidad de los árboles. En consideración al análisis de la vitalidad de los árboles a través de la fluorescencia de clorofila (Fv/Fm) se indica que no se detectó un efecto claro de la afectación de los niveles de O3 en las especies arbóreas estudiadas.
