Servicios ambientales de la vegetación en ecosistemas urbanos en el contexto del cambio climático
Environmental services of vegetation in urban ecosystems in the context of climate change
Eulogio Pimienta-Barrios1, Celia Robles-Murguía1, Servando Carvajal2, Alejandro Muñoz-Urias1, Carla Martínez-Chávez3 y Silvia de León-Santos3
1 Departamento de Ecología. Universidad de Guadalajara. CUCBA. Correo-e: e_pimienta@hotmail.com
]]> 2 Departamento de Botánica y Zoología. CUCBA.3 Estudiante de la carrera de Biología. CUCBA.
Fecha de recepción: 17 de mayo de 2011;
Fecha de aceptación: 28 de marzo de 2012.
RESUMEN
Es abundante la información sobre los problemas ambientales que afectan a las urbes más importantes del mundo, pero es limitada para México. Esta revela que los servicios ambientales proporcionados por la vegetación, particularmente el arbolado, contribuyen a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, por ejemplo; sin embargo, su eficiencia está limitada por la escasez de agua y los contaminantes del aire y se agravará con el cambio climático. Entre los principales efectos de este último destacan la formación de olas e islas de calor y el aumento en la temperatura y en las concentraciones de ozono (O3) en las ciudades, donde dicho gas constituye una amenaza seria a la salud humana y a la de los árboles al interferir en la fotosíntesis, proceso fundamental en la prestación de servicios ambientales. La vegetación urbana puede ser una fuente de contaminación atmosférica al producir compuestos orgánicos volátiles que conducen a la formación de O3. La ciudad de Guadalajara está afectada por el cambio climático porque tiene porcentajes bajos de cobertura vegetal, alta contaminación del aire y la disponibilidad de agua ha disminuido. Estudios de fotosíntesis en árboles que crecen en Guadalajara revelaron amplias diferencias en su eficiencia de secuestrar carbono. Por lo tanto existe potencial para la selección de especies arbóreas con el propósito de usarlas en la reforestación de esta urbe, con el fin de reducir la contaminación del aire y mitigar los efectos del cambio climático.
Palabras clave: Cambio climático, captura de carbono, ecosistemas urbanos, fotosíntesis de árboles, islas de calor, olas de calor.
]]> ABSTRACT
There is abundant information on environmental issues that affect the most important cities of the world, but it is limited in Mexico. This reveals that the environmental services provided by urban vegetation, particularly trees, contribute to reduce emissions of greenhouses gases, temperature as well as the intensity of both heat island and heat weaves, but those environmental services provided by the vegetation are limited by the scarcity of water and air pollutants, situation that will exacerbate with climatic change. The main effects of climatic change in cities is the increase in temperature, the formation of both heat weaves and heat islands, increased concentrations of ozone (O3), where O3 is the main hazard, because it affects both human health and photosynthesis, a process important in providing environmental services. Urban vegetation can be a source of air pollution by producing volatile organic compounds, since they produce O3. Both climatic change and heat weaves accelerate the formation of these volatiles. Guadalajara city is affected by climatic change and is vulnerable because it has low percentages of vegetation cover, high air pollution and declining availability of water. Studies of photosynthesis in trees growing in Guadalajara revealed differences in their ability to sequester carbon. Thus, there is a prospective potential to select tree species to be used for reforestation of this city, with the aim to reduce urban air pollution and to mitigate the effects of climate change.
Key words: Climate change, carbon sequestration, urban ecosystems, tree photosynthesis, heat islands, heat waves.
INTRODUCCIÓN
Durante el siglo XX las ciudades del mundo crecieron de manera desmesurada. En 1900, por ejemplo, 14 % de la población mundial habitaba en ciudades, pero para 1950, 30 % (Wu, 2008) y a principios del siglo XXI alcanzó 50 % (Grimm et al., 2008), y se espera para el 2030 que la cifra aumente a 60 % (Alberti, 2008). En las urbes se trastrocó el ambiente a causa de la actividad humana. Entre las modificaciones que sufrió sobresalen la contaminación del aire, la alteración de los sistemas hidrológicos locales y regionales, los cambios en los ciclos biogeoquímicos (Gill et al., 2007; Grimm et al., 2008), la formación de islas de calor (Alcoforado y Andrade, 2008) y las olas de calor (Campbell-Lendrum y Corvalán, 2007). La vegetación urbana, en particular el arbolado, puede mitigar la mayoría de los problemas ambientales que afectan el desarrollo de las grandes urbes del mundo (Gratani et al., 2000; Yang et al., 2005; Nowak, 2006; Gill et al., 2007).
Las ciudades mexicanas también manifestaron un crecimiento notable en las últimas décadas del siglo XX y, con ello, sus problemas ambientales. A principios del siglo pasado en Guadalajara residían 101 mil habitantes (Oliver-Sánchez, 2003), pero ya en 2010 lo hacían 1.65 millones (INEGI, 2010). Los estudios en este contexto son más bien escasos (Jáuregui et al., 1992; Jáuregui, 1997; Zambrano et al., 1999; Davydova-Belitskaya, 2004); se refieren a las 12 urbes con una población superior a 600 mil personas (INEGI, 2010), que se localizan en regiones de clima cálido, lo que las hace más proclives al efecto del cambio climático que las ubicadas en ambientes templados (Gill et al., 2007).
En el presente ensayo se hace una revisión de la literatura acerca de los problemas ambientales que inciden sobre diversas ciudades del mundo y en particular el Área Metropolitana de Guadalajara (AMG), cuyos objetivos consistieron en reconocer los principales factores ambientales que afectan el funcionamiento de los ecosistemas urbanos, específicamente, los que se magnifican por el cambio climático. Además de, evaluar el potencial de la vegetación urbana en la mitigación del estrés ambiental y la variación en la capacidad fotosintética en especies arbóreas urbanas que crecen en el AMG, con el propósito de identificar especies que remuevan CO2 de manera más eficiente.
Servicios ecosistémicos
]]> Se definen los servicios ecosistémicos como los beneficios ambientales que los organismos obtienen de la fotosíntesis y la transpiración de la vegetación (Chen y Jim, 2008). Entre ellos se distinguen el ahorro de energía, la producción de sombra, el amortiguamiento de la intensidad del viento, la reducción de contaminantes del aire y el ruido, el hábitat para la biodiversidad y el aumento en la captación de agua de lluvia (Gill et al., 2007; Chen y Jim, 2008; Wu, 2008). La fotosíntesis contribuye a disminuir los efectos de la contaminación del aire, en particular el CO2 y el O3 (Nowak et al., 2006), mientras que por la transpiración libera agua a la atmósfera en forma de vapor y actúa como un sistema natural de "aire acondicionado", ya que modifica el microclima de las ciudades (Rowntree, 1986).Las azoteas verdes son una forma de brindar servicios ambientales a las ciudades. Destaca su participación en la regulación del sistema hidrológico (Mentens y Raes, 2006), en la reducción de la temperatura de los edificios y de los efectos de las islas de calor urbanas (Grant, 2006); además, se ha sugerido que proporcionan un hábitat ideal para la conservación de especies raras o amenazadas (Brenneisen, 2006).
Factores ambientales que afectan el funcionamiento de los ecosistemas urbanos
Contaminación del aire. Las ciudades producen el mayor porcentaje de gases de efecto invernadero lo que favorece el cambio climático global. Las 20 metrópolis más grandes de Estados Unidos de América emiten cada año más CO2 a la atmósfera que el total de su área continental (Alberti, 2008). Estos aumentos en la atmósfera se han registrado en Phoenix, en donde la concentración de dicho gas en el invierno es 24 % superior que en las áreas rurales aledañas (Martin y Stabler, 2000). El arbolado de Nueva York secuestra 1.521 t de contaminantes aéreos (Nowak et al., 2006). En Beijing, una población de más de dos millones de árboles removió 1.261 t de contaminantes; de los cuales, las partículas suspendidas entre 5 y 10 μm (PM5 y PM10) fueron las principales (Yang et al., 2005).
Disponibilidad de agua. La mayoría de las plantas (excepto las de metabolismo ácido de las crasuláceas) transpiran grandes cantidades de agua (Salisbury y Ross, 1992). Un árbol deciduo en Carolina del Norte transpira de 200 a 400 L de agua en un día cálido de verano (Kozlowski et al., 1991).
Se sabe que la disponibilidad de agua es baja en las grandes ciudades del mundo (O´Hara y Georgakakos, 2008) y todavía menor en países con poco desarrollo económico (Wilby, 2007). En la república mexicana, dos de las ciudades más pobladas, la Ciudad de México y Guadalajara ya presentan problemas de abastecimiento de agua (von Bertrab, 2003; Romero-Lankao, 2010). Esta escasez se agudizará por el cambio climático, pues se incrementará la ocurrencia y duración de las sequías (Gill et al., 2007).
La baja disponibilidad de agua propicia estrés hídrico en la vegetación urbana, lo que acorta la longevidad de los árboles y es una causa importante de la muerte de árboles jóvenes cuando se llevan a cabo proyectos de forestación y reforestación en ciudades (Whitlow et al., 1992). La sequía se agrava porque el pavimento y la compactación del suelo disminuyen la infiltración de agua al sistema radical (Foster y Blaine, 1978), lo que da lugar a que los árboles que crecen en las calles sean los más afectados (Whitlow et al., 1992).
El efecto de la sequía urbana se va a acentuar por la contaminación del aire, en particular por la presencia de ozono (O3), ya que este disminuye la eficiencia de la fotosíntesis (Reich y Amundson, 1985) y, como consecuencia, es menor la remoción de gases de efecto invernadero (Davies et al., 2011).
El arbolado urbano puede desempeñar un papel preponderante para enfrentar sequías prolongadas causadas por el cambio climático (Gill et al., 2007), por su capacidad de almacenamiento de agua (Scholz et al., 2007) al permitirle mantener la transpiración y la captura de contaminantes del aire. Por lo tanto, un arbolado denso y sano reduciría el consumo de energía y la emisión de gases de efecto invernadero que producen los equipos de aire acondicionado (Wu, 2008).
]]>Islas de calor
Las islas de calor urbanas (ICU) son un ejemplo de los cambios microclimáticos provocados por los humanos (Grimm et al., 2008). Se forman por alteraciones en el intercambio de energía como consecuencia de la disminución de las áreas verdes, y son la principal razón de que la temperatura del aire en las metrópolis sea superior al ambiente rural circunvecino (Alberti, 2008).
Desde finales del siglo pasado, la mayoría de las ciudades presentaron el fenómeno de ICU, porque las temperaturas fueron de 5 a 11 °C, valores superiores a los del entorno rural (Aniello et al., 1995). Oleson et al. (2011) reconocieron que su aumento se producía por el incremento en las temperaturas máximas nocturnas, y esto daba lugar a que las ICU fueran más intensas por la noche. Se estima que de 3 a 8 % de la demanda de energía eléctrica en Estados Unidos de América se utiliza para compensar los efectos de las ICU (Wu, 2008).
Al incrementar en 25 % el arbolado en Sacramento y Phoenix, sus temperaturas disminuyeron entre 3.3 y 5.6 °C en verano (Akbari, 2002), pues bajo el dosel de los árboles los valores se reducen de 1.7 a 3.6 °C, con respecto a zonas carentes de ellos (Georgi y Zafiriadis, 2006).
Olas de calor
El incremento en la temperatura se manifiesta a través de la periodicidad e intensidad de las olas de calor urbanas (OCU). Las OCU se verifican con mayor frecuencia en ambientes cálidos con baja cobertura vegetal. Aumentan la morbilidad humana, los alérgenos aéreos y las infecciones transmitidas por vectores; por otro lado, propician cambios en la estructura de la vegetación al favorecer la introducción y desarrollo de especies exóticas y la modificación de los tiempos de ocurrencia de las fenofases en las plantas (McMichael et al., 2006; Alcoforado y Andrade, 2008). Gill et al. (2007) consignaron que el cambio climático aumentará los días secos consecutivos y las OCU serán más largas. En Europa durante el verano de 2003 se formaron OCU imputadas al cambio climático, que causaron 35 000 muertes en dos semanas (Stott et al., 2004). Las OCU en Alemania entre 1990 y 2006 provocaron tasas altas de decesos en Berlín (Gabriel y Endlicher, 2011).
Cambio climático
El Grupo Intergubernamental en Cambio Climático definió a este como "una modificación del clima en el tiempo, que puede ser causado por variabilidad natural o como resultado de la actividad humana" (IPCC, 2007). Es un fenómeno se manifiesta mediante el aumento en la temperatura. Su promedio en la superficie del planeta se ha incrementado entre 0.30 y 0.61 °C desde finales del siglo XIX (Nowak et al., 2002); dicho ascenso es más alto en la superficie terrestre que en los océanos, y se acentúa más durante el invierno en el hemisferio boreal (Alberti, 2008). No obstante, aunque disminuyan las emisiones de gases invernadero, el incremento de la temperatura por el calentamiento global no va a reducirse en al menos 1 000 años (Solomos et al., 2009).
Los estudios de cambio climático en 100 de las áreas urbanas más extensas del mundo de 1950 a 2009 revelaron que las temperaturas en esos lugares son hasta 4 °C por encima de las zonas rurales. Diferencia que se atribuye más al cambio climático regional que a los efectos locales de la urbanización (Mishra y Lettenmaier, 2011). Es aquí donde el arbolado ofrece un alto potencial para moderar el aumento en las temperaturas en áreas urbanas (Georgi y Zafiriadis, 2006), y reducir la emisión de gases de efecto invernadero (Nowak, 2006), además coadyuvaría a la adaptación de las ciudades al cambio climático (Gill et al., 2007).
]]> Las altas concentraciones de ozono (O3) son, probablemente, la principal consecuencia del cambio climático en las metrópolis. El aumento en la temperatura y los niveles altos de irradiación catalizan las reacciones fotoquímicas que forman O3 (Alberti, 2008), el cual es un agente oxidante agresivo, que en el humano afecta la función de los pulmones y causa problemas respiratorios (Lefohn et al., 2010). Esta es una de las razones por las que el cambio climático es una amenaza para la salud (Campbell-Lendrum y Corvalán, 2007). El arbolado urbano reduce de manera significativa las concentraciones de O3 (Nowak et al., 2006).Contaminación del aire por fuentes biogénicas
Peñuelas y Llusia (2001) consignaron que la vegetación terrestre libera compuestos orgánicos volátiles biogénicos (COVB), que son intercambiados entre la biósfera y la atmósfera, que afectan las características químicas y físicas de esta última (Peñuelas y Staudt, 2010). El cambio climático acelera la formación de COVB (Peñuelas y Staudt, 2010), lo mismo que las olas de calor (Wilby, 2007). Los COVB contribuyen con dos terceras partes de las emisiones globales de gases (Guenther et al., 1995), entre los más importantes destacan los isoprenoides, los carbonilos, los alcanos, los alquenos, los esteres, los éteres y los ácidos (Kesselmeier y Staudt, 1999). El isopreno y los monoterpenoides son muy reactivos en la parte baja de la atmósfera y ejercen una fuerte influencia en la producción fotoquímica de O3 (Guenther et al., 1995). Algunas especies forestales emiten COVB; por ejemplo, Fagus sylvatica L. (König et al., 1995); Eucalyptus sp. (Nunes y Pio, 2001) y Quercus suber L. (Pio et al., 2005). El segundo género está muy bien representado en el arbolado de las ciudades de México y Guadalajara (Benavides-Meza, 1992; López-Coronado y Guerrero-Nuño, 2004).
Ciudad de Guadalajara
El Área Metropolitana de Guadalajara (AMG) es la segunda zona urbana más grande de México por el número de habitantes, que, en la actualidad, es cercana a cuatro millones y se pronostica que para 2025 será de siete millones (von Bertrab, 2003); incluye cuatro municipios: Guadalajara, Zapopan, Tlaquepaque y Tonalá (INEGI, 2010). Está situada en la región central oeste de México con un clima templado subhúmedo con lluvias en verano. El bosque La Primavera y el de Los Colomos son dos áreas verdes importantes que junto con el Lago de Chapala participan en la regulación del clima de la zona conurbada (Davydova-Belitskaya, 2004).
Factores ambientales que afectan a la ciudad de Guadalajara
Vegetación y agua. Desde 1960 comenzaron a reducirse las áreas verdes de la ciudad de Guadalajara (Gómez-Sustaita, 2002). A principios del siglo XXI cubrían únicamente 3.5 % de la superficie, lo que resulta insuficiente, ya que debe existir al menos 20 % (Chávez-Anaya et al., 2010). A finales del siglo XX el abastecimiento de agua para la ciudad se convirtió en una crisis generalizada, porque el Lago de Chapala (su principal fuente) registró disminuciones significativas en sus volúmenes de agua almacenada (von Bertrab, 2003).
Contaminación del aire. A partir de las últimas décadas del siglo XX se agravó la contaminación del aire en el AMG (Michel, 1983). Las principales adiciones de compuestos al aire son CO2, CO, SO2 y O3 además de las partículas suspendidas mayores de 10 μm (PM10) (Semades, 2011). En 2007 la emisión de contaminantes a la atmósfera fue de 1 millón 400 mil toneladas por año, lo que se atribuye al considerable aumento en el número de automóviles que circulan en el AMG, que en 2011 llegó a 1.7 millones (SEMADES, 2011) y al bajo porcentaje de áreas verdes (Chávez-Anaya et al., 2010).
La distribución de áreas verdes en Guadalajara no es homogénea, pues la zona oriental reúne cerca de 4 % de la vegetación urbana, mientras que la occidental, 22 % (Chávez-Anaya et al., 2010); esta diferencia podría explicar la mayor concentración de O3 en el oriente del AMG durante casi todo el año (Semades, 2011).
Los registros de la concentración de CO2 que se realizaron en febrero de 2007, en diferentes puntos del AMG mediante el uso de un analizador de gases en el infrarrojo (LI-COR LI-6200) revelaron que la concentración promedio fue 20 % superior (461 ppm) al de las áreas rurales periféricas (370 ppm). Idso et al. (2001) consignaron que el aumento de ese gas en las ciudades es un factor que favorece la captura de más calor. Es probable que dicho aumento contribuya a la elevación de la temperatura nocturna en el AMG.
]]> Islas de calor urbanas. La primera información sobre ICU en Guadalajara data de 1880 (Bárcena, 1954), al identificar que en las áreas circunvecinas la temperatura fue 2 °C inferior a la del centro de la ciudad. Michel (1983), en los años 80 del siglo pasado definió que esta zona era más calurosa que en los alrededores.En la última década del siglo pasado se estudiaron las ICU en la AMG por Jáuregui et al. (1992) y Jáuregui (1997). Registraron que la temperatura del aire mostró una tendencia creciente desde 1931 hasta 1970, de 0.03 °C año-1. La mayor tasa de calentamiento (0.7 °C por década) se produjo durante los años 60, cuando hubo un crecimiento de la población considerable.
Davydova-Belitskaya (2004) dio a conocer tres ICU en el AMG, en zonas con baja cobertura vegetal. Una fue localizada en el centro de la ciudad y las dos restantes en Miravalle y Tlaquepaque. La diferencia de temperatura mínima diaria en el centro y periferia de la isla alcanzó 6 °C en los meses húmedos y hasta 9 °C en los meses secos.
Cambio climático. Estudios recientes sugieren que el cambio climático está afectando al AMG. Las evidencias que confirman lo anterior consisten, por un lado, el análisis del total anual de precipitación estimado para periodos climáticos representativos de 1881 a 2010 reveló incrementos a partir de los años 30 del siglo XX, con una tasa de 22.05 mm por década (Davydova-Belitskaya, 2004). Además, el promedio de temperatura mínima mensual, de alrededor de 0.3 °C por cada diez años, se incrementó en las últimas décadas del siglo pasado. El aumento fue mayor de enero a mayo, de 0.2 a 0.5 °C. En contraste, el promedio de temperatura máxima mensual disminuyó hasta 0.2 °C por década (Figura 1 a, b, c, d, e).
Ecofisiología vegetal. Con respecto al microclima presente en algunos parques de la AMG, en un estudio realizado al final de la estación seca (junio) y con las lluvias (julio) establecidas durante 2010, se consideró la irradiación, la temperatura del aire y la humedad relativa en el interior de los parques y calles o avenidas aledañas.
La temperatura del aire diaria promedio en los parques fue 2 °C±0.45, menor que fuera de ellos. La humedad relativa no presentó diferencia significativa entre los parques y su entorno, lo cual se atribuye a tasas bajas de transpiración de la vegetación de los parques y, en consecuencia, a una baja eficiencia de enfriamiento. La irradiación fue la variable microclimática que presentó mayor disminución (54-69 %) en el interior de los parques (Cuadro 1).
La eficiencia de captura de carbono (C) fue estimada en árboles adultos del AMG en abril y julio de 2008, con un sistema portátil para medir fotosíntesis (LI-COR LI-6200), cada dos horas desde la salida del sol hasta su puesta, para obtener datos diarios. El valor más alto en este contexto se obtuvo en una especie exótica, Schefflera actinophylla (Endl.) Harms, seguido de una endémica de México, Populus mexicana Wesm. ex DC., y tres exóticas originarias de ambientes tropicales húmedos: Spathodea campanulata P. Beauv.; Cassia fistula L. y Bougainvillea glabra Choisy. La mayoría de los taxa endémicos de México presentaron valores intermedios (Heliocarpus appendiculatus Turcz. y Psidium guajava L.). La cifra más baja de captura de carbono se registró en Pithecellobium dulce (Roxb.) Benth. (Figura 2).
La fotosíntesis se evaluó en 11 especies arbóreas jóvenes de dos años de edad, que se usan para reforestar el AMG, en dos localidades: Miravalle en Guadalajara, área en la cual la contaminación del aire se concentra y la otra, en un ambiente rural circunvecino en Zapopan, Jalisco. En ambas, Hibiscus mutabilis L. mostró el valor más alto de fotosíntesis y Schinus molle L. el menor. En la mayoría de los taxa considerados se advirtió una reducción en la fotosíntesis en Miravalle más que en Zapopan. Con excepción de Tabebuia rosea (Bertol.) DC., en especies exóticas la captura de carbono fue superior (Figura 3).
Con base en lo anterior, existe potencial para llevar a cabo un proceso de selección de especies arbóreas, con mayor capacidad de remoción de carbono, para usarlas en proyectos de reforestación orientados a reducir la emisión de gases de efectos invernadero y para la adaptación del AMG al cambio climático.
]]> CONCLUSIONES
Las ciudades contribuyen de manera significativa al cambio climático mundial, porque en ellas se genera la mayor proporción de gases de efecto invernadero. El arbolado puede contribuir a reducir estas emisiones y mitigar los efectos del cambio climático como las altas temperaturas, la intensidad de las islas y olas de calor, entre otras.
Entre los principales efectos del cambio climático en las urbes destaca el aumento en la temperatura, la formación de olas e islas de calor y el aumento de las concentraciones de O3. De estos, el O3 es la amenaza más importante, porque afecta la salud humana y a la fotosíntesis.
El cambio climático y las olas de calor aceleran la formación de O3. Eucalyptus es uno de los géneros relevantes que emiten estos compuestos, y son numerosas las especies que forman parte del arbolado de las ciudades de México y Guadalajara.
El AMG ha sido impactado por el cambio climático y tiene porcentajes bajos de cobertura vegetal, alta contaminación del aire y está en disminución la disponibilidad de agua.
Estudios de la variación en la eficiencia fotosintética en árboles que crecen en el AMG revelaron amplias diferencias en su eficiencia de secuestrar carbono; por consiguiente existe potencial para la selección de especies arbóreas con el propósito de usarlas en proyectos de reforestación dirigidos a mitigar los efectos del cambio climático.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Universidad de Guadalajara el financiamiento otorgado al proyecto Ecología Urbana que hizo posible la realización de este trabajo, así como las valiosas observaciones de los árbitros y el editor de la Revista Mexicana de Ciencias Forestales que contribuyeron a mejorar la calidad de este ensayo.
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