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Introducción
El ozono presente en la estratósfera proporciona protección a los seres vivos contra la radiación solar ultravioleta de onda corta, en la troposfera; sin embargo, es un contaminante fotoquímico y de efecto invernadero (Booker et al., 2009). De los numerosos oxidantes existentes en atmósferas contaminadas de todo el mundo, el ozono (O3) fue uno de los primeros contaminantes identificados como responsables de ocasionar daños en cultivos agrícolas (Ashmore, 2005). Treshow y Stewart (1973), determinaron los umbrales de daño por este compuesto químico en 70 especies herbáceas, arbustivas y leñosas, indicaron que la mayor parte de ellas mostraron daños a concentraciones de 15 ppmh. Miller (1992) y Miller et al. (1963, 1992, también detectaron daños por ozono en los bosques de Pinus ponderosa Douglas ex. C. Lawson en Estados Unidos de América, especialmente en taxa sensitivos. En la Costa Mediterránea, Naveh et al. (1980) y Alonso et al. (2003) citaron daños en Pinus halepensis Mill.
Por lo que respecta a México, los primeros registros de daño por ozono en especies forestales datan de la década de 1980 en Pinus hartwegii Lindl. (Bauer et al., 1985; Hernández-Tejeda y Bauer, 1986) y en P. montezumae (Hernández-Tejeda y Bauer, 1982; Hernández-Tejeda y Bauer, 1984) en las zonas boscosas del sur y suroeste de la Cuenca de México. En estudios posteriores, se confirmó el daño por ozono en diversos taxa vegetales del Valle de México (Bauer y Krupa, 1990; Bauer y Hernández-Tejeda, 2007). Al mismo tiempo, una mortalidad sin precedente en Abies religiosa (Kunth) Schtldl. & Cham. se documenta en la misma región (Vázquez, 1987; Alvarado-Rosales et al., 1991, 1993; Alvarado-Rosales y Hernández-Tejeda, 2002;), desafortunadamente, no se contaba con datos provenientes de monitores de ozono durante aquellos años, pero se tenía evidencia de que este contaminante estaba implicado (Bauer y Krupa, 1990). Actualmente, el ozono es reconocido como el contaminante atmosférico más importante en el área urbana y rural, ya que afecta la salud humana y los bienes materiales (Ashmore, 2005).
Entre los daños que provoca el ozono en la vegetación sobresalen la alteración de procesos bioquímicos como la fotosíntesis y la respiración (Guderian, 1985; Fumagalli et al., 2001); biológicos, como la reproducción (Wolters y Martens, 1987; Hernández-Tejeda et al., 2001; Hernández-Tejeda, 2014); así como estructurales (degradación cuticular) Grulke et al., 2004).
Una gran cantidad de evidencias, por lo general de estudios con plántulas, indican que el ozono puede impactar el crecimiento de árboles forestales (Kolb et al., 1997). Bajo condiciones de campo son pocas las investigaciones documentadas, y entre los principales daños que se citan están: la defoliación (Zierl, 2002; Paoletti, 2006; Ferreti et al., 2007a, 2007b) y la disminución del crecimiento radial (Peterson et al., 1991; Somers et al., 1998). Otras invvestigaciones señalan efectos sobre el desarrollo del follaje de árboles de bosques templados; por ejemplo, clorosis foliar, caída prematura de acículas, seguido de un proceso de senescencia prematura, el cual culmina con la muerte parcial o total de los individuos en extensas áreas forestales (Miller et al., 1994; Grulke y Lee 1997; Skelly et al., 1997; Somers et al., 1998; Krupa, 1999; Hernández-Tejeda, 2014).
En Estados Unidos de América, se estiman enormes pérdidas en cultivos debido al ozono (US EPA, 1996), desafortunadamente, se desconocen para el caso de especies leñosas (Chappelka y Samuelson, 1998).
En la mayoría de los estudios citados, los efectos por los contaminantes y en particular por el ozono, son cualitativos (London, 1985). Tradicionalmente, la medición de las concentraciones de ozono se realiza utilizando medios automatizados, y aunque, su precisión es alta, resultan caros y requieren de un lugar especial para su ubicación, con el fin de protegerlos contra el vandalismo y de las condiciones climáticas; además, se debe contar con una fuente de energía eléctrica permanente para su adecuado funcionamiento.
Lo anterior, hizo evidente la necesidad de un sistema práctico para cuantificar el ozono en áreas remotas, especialmente, en el microclima que domina dentro del dosel. Sistema que emplea monitores pasivos, cuyas ventajas son su bajo costo y que no llaman la atención, por sus pequeñas dimensiones y lo más importante no requieren de alimentación eléctrica constante (Krupa y Nosal, 2001). Todo ello, permite una elevada resolución espacial y los hace muy adecuados para estudios de contaminación atmosférica, con la posibilidad de abarcar grandes superficies de terreno. Por esos atributos, los monitores pasivos se han convertido en una opción atractiva para estimar las concentraciones de ozono en áreas boscosas (Cox y Malcolm, 1999).
No obstante, también existen desventajas, entre ellas su reducida resolución temporal, por lo que no son recomendables en periodos de exposición mensuales o mayores (Ferreti et al., 2007), los límites de detección son aproximados, aunque confiables y el tiempo de análisis en el laboratorio es prolongado.
Uno de dichos monitores, de bajo costo, es el denominado Can Oxy PlateTM (Cox y Malcolm, 1999). El uso de esta tecnología hace posible cuantificar el ozono troposférico en áreas forestales, con el propósito de obtener información real y fehaciente sobre sus concentraciones in situ.
Cabe señalar que el monitoreo de los síntomas desarrollados por la presencia del ozono en la vegetación es de utilidad para determinar el estado actual, los cambios y las tendencias del daño foliar, así como en el desarrollo y crecimiento óptimo de las especies vegetales (Stolte, 1996).
En México, el monitoreo pasivo de ozono en áreas forestales es muy escaso, aunque reciente (González et al., 2010; Hernández-Tejeda, 2014). La información registrada con este tipo de monitores en algunos bosques de la Cuenca, no ha sido publicada formalmente, por lo que hace falta información al respecto, motivo por el cual, se decidió llevar a cabo esta publicación con datos obtenidos hace aproximadamente 10 años.
Con base en que la contaminación atmosférica por ozono ha sido una de las hipótesis para explicar la declinación de los bosques de oyamel y pino en la Cuenca de México (Alvarado-Rosales et al., 1991, 1993; Alvarado-Rosales y Hernández-Tejeda, 2002; Alvarado y Saavedra, 2007), la presente investigación tuvo como objetivos determinar las concentraciones de ozono troposférico in situ en bosques de oyamel (Abies religiosa) y pino (Pinus sp.) de tres áreas boscosas de la Cuenca de México: Desierto de los Leones, Ajusco e Izta-Popocatépetl; además de, conocer la influencia de la altitud, distancia y exposición de las áreas de estudio a la fuente de emisión de los precursores de ozono.
Materiales y Métodos
Áreas de estudio
Fisiográficamente, la Cuenca de México constituye el sur de la Altiplanicie Mexicana, a una altitud de 2 250 a 2 400 m. Rodeada por cadenas montañosas del Eje Neovolcánico que alcanzan alturas de hasta 5 465 metros sobre el nivel de la misma y posee una forma elíptica de norte a sur (125 km) y de oeste a este (90 km), con un área de 8 050 km2. La Cuenca está formada por la Ciudad de México (1 503 km2) y por las regiones sur del estado de Hidalgo, suroeste de Tlaxcala y noreste del Estado de México (Gio-Argáez et al., 1989), en ella se ubica uno de los complejos urbanos más grandes del mundo, donde los problemas por contaminación atmosférica se han agudizado en los últimos años. Dentro de esta extensión se seleccionaron tres áreas boscosas con el fin de monitorear las concentraciones de ozono: El Parque Cultural y Recreativo Desierto de los Leones, El Ajusco y el Parque Izta-Popocatépetl (Figura 1).
Fuente: Modificado de Marín et al., 2002.
Figura 1 Localización de las áreas boscosas donde se llevó a cabo el monitoreo de las concentraciones de ozono in situ.
El Ajusco (AJU). Bosque que se yergue 38 km al sur del centro de la Ciudad de México y culmina con el Pico del Águila a 3 930 m de altitud, cuya superficie es de 920 hectáreas. El clima depende de su latitud (19º12´30” N) y de la altitud del grupo de picos que la conforman y, localmente, de la presencia de otras grandes cumbres como la Sierra de Las Cruces. Los climas dominantes son Cw, templado con lluvias en verano; Cf, templado con lluvias todo el año en las regiones altas; y Et, (clima de tundra que predomina en las zonas más elevadas (3 000 m), con precipitación media anual superior a 1 200 mm y temperatura media de 13 ºC (White et al., 1990; Reyes, 1981).
Desierto de los Leones (DDL). Parque que se localiza a 25 km, al suroeste de la Ciudad de México, entre las coordenadas 19º20’18” y 19º15’40” latitud norte, 99º17’45” y 99º20’00” longitud oeste y cuenta con una superficie de 1 529 ha (Conanp-Semarnat, 2006). Su intervalo altitudinal es de 2 700 a 3 700 m. Predomina un clima templado, frío y húmedo con lluvias en verano. La modificación realizada por García (2004), lo agrupa en un clima templado subhúmedo con lluvias en verano. La temperatura media anual oscila entre 7 y 15 ºC (Alvarado-Rosales et al., 1991), y la precipitación promedio anual es de 1 200 mm (Cibrián, 1989). Por efecto de la insolación, el período con mayores temperaturas se presenta de abril a junio (Melo, 1978).
Parque Izta-Popocatépetl (IZP). Área que se ubica en el Eje Neovolcánico, a 70 km al sureste de la Ciudad de México. Se localiza geográficamente entre las coordenadas 18°59’00” - 19º16’25” latitud norte y 98º34’54”- 98º42’08” longitud oeste y posee una superficie de 25 679 ha (UACH-Semarnat, 1999 ). La altitud varía de los 2 600 a 3 600 m hasta el sitio Paso de Cortés, pero existen puntos de mayor altura (>5000). La zona cuenta con dos tipos de clima: a) muy frío con lluvias en verano y temperatura media anual menor de -2 ºC; y b) semifrío subhúmedo con temperatura media anual de 5 a 12 ºC y el mes más frío de 3 a 18 ºC. La precipitación media anual es de 928 mm, y el área ocupa parte de varios municipios de los estados de Puebla, Estado de México y Morelos (Melo, 1977).
Monitoreo pasivo
Las mediciones de ozono se llevaron a cabo en tres sitios a diferentes altitudes sobre el nivel del mar durante un período de 14 meses, comprendido del 10 de noviembre de 2004 al 20 de enero de 2006, en las tres áreas boscosas seleccionadas (DDL, AJU e IZP). Los monitores pasivos de ozono empleados fueron CanOxy Plate TM (Cox y Malcolm, 1999). En cada área, se establecieron tres sitios permanentes de monitoreo ubicados a diferentes altitudes (alta, media y baja) y diversas exposiciones a los vientos procedentes de la Ciudad de México (Cuadro 1).
Cuadro 1 Área boscosa, paraje, altitud y exposición de los nueve sitios de monitoreo de ozono, en la Cuenca de México.
Cada monitor (uno por sitio) se colocó a una altura de 2 m dentro del dosel, con remplazo cada tres semanas. Para evitar sesgos por oxidación natural (no atribuible al ozono) del reactivo usado en los monitores, se expusieron monitores pasivos testigo, completamente sellados; así, los valores obtenidos en los monitores expuestos en campo se ajustaron con base en los valores registrados en los sellados.
Se colocaron un total de 252 monitores durante el desarrollo del estudio. Todos los colectados en campo se transportaron y almacenaron en bolsas de plástico cerradas herméticamente, que contenían carbón activado en una bolsita de malla. El análisis de los monitores pasivos, tanto testigos como expuestos se realizó en el laboratorio del Dr. Roger M. Cox, en Fredericton, New Brunswick, Canadá.
Análisis de la variación espacial y estacional en la concentración de ozono
Los datos de ozono registrados, se analizaron con el paquete estadístico SAS (versión 9.4), mediante el procedimiento de análisis de varianza de medidas repetidas (Moser et al., 1990; Gumpertz y Brownie, 1993); esto es, mediciones en diferentes fechas, en los mismos sitios considerando localidad (L) y altitud (E), con el modelo propuesto por Hernández-Tejeda (2014):
Donde:
Yijkl = Valor observado en la l-ésima fecha en la k-ésima repetición en la j-ésima elevación de la i-ésima localidad
µ + Li+ Ej(i)+ αk(ij) = Representan los efectos entre localidades, con
µ = Media de la concentración de ozono
Li = Efecto de la i-ésima localidad
Ej(i) = Efecto de la j-ésima elevación dentro de la i-ésima localidad
αk(ij) = Error asociado a la k-ésima repetición en la j-ésima elevación dentro de la i-ésima localidad
Fl+ (F*L) li+ F* E(L)li(j)+ βijkl = Representan los efectos dentro de sujetos (localidades) asociados a la concentración de ozono, con
Fl = Efecto de la l-ésima fecha de monitoreo;
(F*L)li = Efecto de la interacción de la l-ésima fecha de monitoreo con la i-ésima localidad
F* E(L)li(j) = Efecto de la interacción de la l-ésima fecha de monitoreo con la j-ésima altitud dentro de la i-ésima localidad
βijkl = Error de muestreo asociado a cada fecha de monitoreo
Se decidió utilizar este modelo estadístico, debido a la necesidad de determinar si hubo diferencias en las concentraciones de ozono registradas entre y dentro de las tres localidades consideradas. El modelo contempla las fechas de monitoreo y las altitudes donde se hizo el monitoreo pasivo de ozono.
Se calculó la concentración mínima y máxima de ozono durante el período de estudio. Con las concentraciones medias, se definió el área boscosa y la época con las mayores concentraciones, a lo largo de los 14 meses de evaluación. Por medio del programa estadístico SAS® (Statistical Analysis System), Versión 9.4, se obtuvieron las concentraciones de ozono totales, máximas, mínimas, promedio y otros estadísticos descriptivos para las 21 fechas de monitoreo, en las tres áreas boscosas, con el fin de determinar si había o no diferencias significativas entre ellas. Además, de acuerdo a su exposición a los vientos procedentes de la Cd. de México, se compararon las concentraciones promedio de ozono para cada uno de los nueve sitios de monitoreo. Por último, con el fin de conocer el papel de la altitud y distancia a la fuente de emisión de los precursores de ozono, se compararon las concentraciones de ozono para cada uno de los nueve sitios de monitoreo.
Resultados y Discusión
Concentraciones de ozono durante el período de estudio
En todas las fechas de monitoreo, se registró la presencia de ozono. Las concentraciones máximas, mínimas y medias de ozono (ppb), y otros estadísticos para el período comprendido entre noviembre 2004 a enero 2006, con valores mínimos y máximos que oscilaron entre 15.41 y 53.8 ppb, respectivamente (Cuadro 2).Las concentraciones promedio de ozono fluctuaron entre 21.05 y 40.36 ppb.
Cuadro 2 Principales estadísticos descriptivos de las concentraciones de ozono (ppb) registradas en las diferentes fechas de monitoreo (noviembre 10, 2004-enero 20, 2006).
1E.E. = Error estándar; 2CV = Coeficiente de variación.
Se observaron dos picos de máxima concentración en El Ajusco, uno en agosto (47.64 ppb) y otro en noviembre, ambos del 2005 (50.28 ppb); sin embargo, los valores registrados en las otras dos áreas boscosas, también fueron considerables en fechas cercanas (Figura 2).
Figura 2 Concentraciones promedio de ozono registradas en las diferentes fechas de monitoreo para las tres áreas boscosas (noviembre 2004-enero 2006).
Las concentraciones de ozono correspondientes a las fechas de octubre-noviembre del 2005 y enero del 2006 resultaron ser significativamente mayores al resto (p< 0.0001) (Figura 3).
(Letras distintas indican diferencias significativas con p< 0.0001).
Figura 3 Concentraciones promedio de ozono y error estándar asociado a las diferentes fechas de monitoreo (noviembre 10, 2004-enero. 20, 2006).
Los niveles de ozono in situ concuerdan con los registros que indican altos niveles de este contaminante para la región de El Ajusco y Desierto de los Leones, especialmente durante el invierno, cuando los eventos de lluvia son menos frecuentes (Miller et al., 1992), y en la estación seca cuando la temperatura del aire es alta y la radiación solar es más intensa, como ocurre en la capital del país (noviembre - abril) (Schreffler y Evans, 1982; Jáuregui, 1993b). Jáuregui (1971) señala que en la Ciudad de México predomina la atmósfera oxidante en los meses de abundante insolación, mientras que en los meses de lluvia (mayo-octubre) se incrementan los agentes reductores sobre los oxidantes.
Concentraciones de ozono promedio por área boscosa e influencia de la exposición
La concentración promedio de ozono de las tres áreas boscosas estuvo por arriba de 28 ppb (Cuadro 3).
Cuadro 3 Principales estadísticos descriptivos de las concentraciones de ozono en ppb registradas en las tres áreas boscosas de la Cuenca de México.
AJU = Ajusco; DDL = Desierto de los Leones; IZP = Izta-Popocatépetl; 1D.E. = Error estándar
Estadísticamente, las concentraciones del AJU fueron superiores (p<0.0001) a las otras dos localidades. Hernández-Tejeda (2014) determinó, en esa misma área, un valor más alto (49 ppb), con el mismo tipo de monitores, de julio de 1997 a noviembre de 1998. Existe la posibilidad de que con la mejora en la calidad de las gasolinas, así como con algunas acciones del Gobierno de la Ciudad de México en favor del ambiente, se hayan reducido las concentraciones de ozono en dicha localidad. Sin embargo, la sintomatología que muestran los pinos del área, específicamente Pinus hartwegii, es una evidencia más de que los niveles de ozono registrados son la principal causa del daño foliar.
En el DDL, a pesar de que las concentraciones fueron más bajas que en El Ajusco, estudios como el de González et al. (2010) apoyan la hipótesis de que la declinación del oyamel se debe, en gran medida, a los niveles crónicos de ozono. Desafortunadamente, este es el único estudio que se ha realizado en el Desierto de los Leones con monitores pasivos que se intercambiaban cada 2 o 3 semanas en 31 sitios de monitoreo, durante el periodo de agosto 2001 a enero 2003; los autores citan una media de 18 ppb. En el presente trabajo, las medias para las tres áreas boscosas de la Cuenca variaron entre 20 y 40 ppb, los cuales son ligeramente superiores a las documentadas por González et al. (2010) .
En el DDL las concentraciones no fueron tan altas como las del AJU, la principal razón para explicar esto es la exposición de dos de los tres sitios de monitoreo (El Pantano y Presa Oyameles), ambas ubicadas en sotavento (Figura 4); es decir, no recibían directamente los vientos de aire contaminado procedentes de la Ciudad de México. Sin embargo, Miller et al. (1994), con medios electrónicos automatizados registraron concentraciones de ozono del orden de 16 a 88 ppb promedio por hora, de mayo de 1990 a abril de 1991 en el DDL.
Letras distintas indican diferencias significativas con p<0.0001.
Figura 4 Análisis estadístico de las concentraciones promedio de ozono (±error estándar) registradas en los nueve sitios de monitoreo localizados a diferente altitud en la Cuenca de México.
Para el caso del IZP se carece de publicaciones previas.
Influencia de la altitud y distancia de la fuente de emisión
En todos los sitios de monitoreo se obtuvieron concentraciones de ozono promedio por arriba de 24 ppb. Los principales estadísticos por sitio se presentan en el Cuadro 4. Al comparar los valores de los nueve sitios de monitoreo, se observó una influencia del gradiente altitudinal, ya que las concentraciones de ozono fueron mayores en la medida que este se incrementó. Dicho comportamiento se evidenció en los tres sitios localizados a mayor altitud de las tres áreas boscosas, donde al menos dos de los sitios de monitoreo localizados a menor altitud (El Pantano y La Plantación) tuvieron concentraciones significativamente inferiores a dos de los sitios con más altitud (Cruz de Coloxtitla y Valle del Tezontle) (Figura 4). Se ha indicado que esta variable es determinante para una mayor producción de ozono troposférico, pues de acuerdo con Miller et al., (1994) y Jáuregui (1993b) a una altitud superior existe más cantidad de luz ultravioleta en la atmósfera, a disposición para que las moléculas por absorción aumenten su reactividad fotoquímica (flujo actínico).
Cuadro 4 Principales estadísticos descriptivos de las concentraciones de ozono promedio registradas en los nueve sitios de monitoreo localizados a diferentes altitudes en la Cuenca de México (noviembre 10, 2004-enero 20, 2006).
AJU = Ajusco; DDL = Desierto de los Leones; IZP = Izta-Popocatépetl; 1E.E = Error estándar; 2C.V = Coeficiente de variación.
Es importante destacar que los niveles de ozono medidos en los sitios de monitoreo de IZP fueron semejantes a los de DDL, a pesar de su lejanía de la Ciudad de México (70 km). Se ha demostrado que las características meteorológicas y la presencia de numerosas fuentes de emisión tienen una fuerte influencia sobre la formación y transporte de O3, y es común que las masas de aire con los más altos niveles de oxidantes fotoquímicos se localicen viento abajo de la fuente original de emisión (Corona y Calva, 1989; Treshow y Anderson, 1989; Bauer y Hernández-Tejeda, 1986). También, se ha evidenciado que el ozono puede ser transportado a cientos de millas de las áreas donde se ubican los precursores originales (Miller et al., 1994; US EPA, 1984).
Con base en los resultados obtenidos, es evidente que la altitud y el patrón de vientos dominantes que circulan de nor-noreste a sur-suroeste en la Cuenca de México (Jáuregui et al., 1981; Jáuregui, 1993a; Miller et al., 1994; Bravo y Díaz, 1996; Raga et al., 1999; Bravo et al., 2001; Jáuregui, 2002) desempeñan un papel crucial en la concentración e incremento de los niveles de ozono en el área bajo estudio (Jáuregui et al., 1981; Jáuregui, 1993a; Miller et al., 1994; Bravo y Díaz, 1996; Raga et al., 1999; Bravo et al., 2001; Jáuregui, 2002).
Conclusiones
Las concentraciones de ozono registradas en las tres áreas boscosas incluidas en el presente estudio, varían de 15.41 a 53.8 ppb, con dos periodos de alta concentración: agosto y noviembre, 2005.
En el Ajusco, se presentan las concentraciones superiores y las más bajas en Izta-Popocatépetl y Desierto de los Leones.
En Izta-Popocatépetl, a pesar de su lejanía de la Ciudad de México, las concentraciones de ozono son similares a las del Desierto de los Leones, ello demuestra la importancia de la dirección del viento en el acarreo de sus precursores.
