Variabilidad espacial y balance de fosfatos sobre la plataforma continental de la región fronteriza occidental México-EUA

Phosphate balance and spatial variability on the continental shelf off the western US-Mexico border region

JA Segovia-Zavala¹*, F Delgadillo-Hinojosa¹, A Muñoz-Barbosa¹, MA Huerta-Díaz¹, EA Gutiérrez-Galindo¹, SR Canino-Herrera², JM Hernández-Ayón¹

¹ Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California, Ensenada CP 22800, Baja California, México. *E- mail: jsegovia@uabc.mx.

² Facultad de Ciencias Marinas, Universidad Autónoma de Baja California, Ensenada, CP 22800, Baja California México.

Recibido en septiembre de 2006;
Aceptado en abril de 2007

Resumen

Se realizó un crucero oceanográfico durante la época de surgencias en la región costera fronteriza occidental entre México y EUA. El objetivo fue conocer los factores físicos, biológicos y antropogénicos que afectan la concentración y distribución de fosfatos (PO₄^3-) en la plataforma continental frente a esta región. En la zona sur del área de estudio, la isolinea de 0.75 μM de PO₄^3- y la isoterma de 13°C se ubicaron en la superficie y en la costa, mientras que en la parte norte se encontraron concentraciones bajas de PO₄^3- (0.50 μM) asociadas con un florecimiento fitoplanctónico con concentraciones altas de clorofila a (10.0 mg m^-3). El análisis de componentes principales sugiere que las concentraciones de PO₄^3- están dominadas por las surgencias (51%) y la biomasa fitoplanctónica (23%). Utilizando un modelo de balances de masas se estimó que los efectos por las descargas antropogénicas fueron locales, estimando un aporte de PO₄^3- de 3.0 ± 0.12 t d^-1 (5.0%), uno por advección horizontal de 20.9 ± 2.2 t d^-1 (32.0%) y uno por surgencias de 41.1 ± 2.3 t d^-1 (63.0%). Si se continúa con la misma tasa de aporte de PO₄^3- en las descargas de aguas residuales se pronostica que para el año 2035, la contribución antropogénica de PO₄^3-será igual a los aportes de fuentes naturales la Corriente de California. En contraste, si en México se eficientizan los sistemas de tratamiento al igual que los de EUA, para el año 2012 se reducirían significativamente los aportes antropogénicos de PO₄^3- y el enriquecimiento en la zona costera mexicana será insignificante.

Palabras clave: fosfatos, surgencias, balance de masas, contaminación.

Abstract

A cruise was conducted along the northwestern coast of Baja California, off the US-Mexico border region, to determine the physical, biological and anthropogenic factors affecting the concentration and distribution of phosphates (PO₄^3-). The vertical distribution of temperature and PO₄^3- showed isograms (13°C and 0.75 μM, respectively) rising towards the shore. Although this phenomenon was observed in all the study area, it was more abrupt in the southern part than in the northern, resulting in lower phosphate concentrations in the north (0.50 µM) associated with high chlorophyll a concentrations (10.0 mg m^-3). A principal components analysis indicated that the PO₄^3- concentrations were related to upwelling (51%) and phytoplankton biomass (23%). A PO₄^3- mass balance indicated that sewage discharge had a very local effect, contributing 3.0 ± 0.12 t d^-1 (5%), while horizontal advection contributed 20.0 ± 2.2 t d^-1 (32%) and upwelling supply was 41.1 ± 2.3 t d^-1 (63%). If the PO₄^3- sewage contribution trend does not change, we predict that in 2035 the anthropogenic contribution will be as high as the amount delivered to the area by the Californian Current. Conversely, if Mexico's sewage treatment systems improve to a level similar to that in the USA, we estimate that by 2012 the anthropogenic sources will be insignificant.

Introducción

En la costa occidental de la frontera México-EUA, la principal forma de fertilización es la originada por los procesos naturales de surgencias. En particular el fenómeno se presenta durante primavera-verano, y se caracteriza por bajas temperaturas (Gómez-Valdez 1983) y aporte de cadmio y nutrientes (Segovia-Zavala et al. 1998). Sin embargo, se ha reportado que este ecosistema costero recibe aportes crónicos de contaminantes de naturaleza química (metales y nutrientes) y biológica (bacterias) en forma disuelta y particulada, debido a sistemas deficientes de tratamiento de aguas de desecho (Gutiérrez-Galindo et al. 1994, Segovia-Zavala et al. 1995, 2003, 2004). La región costera fronteriza México-EUA se encuentra ubicada en la Cuenca del Sur de California (CSC), uno de los ecosistemas más estudiados del Océano Pacífico (Carlucci et al. 1986, Dailey et al. 1993) y tal vez del mundo. No obstante, en el área costera mexicana se han realizado pocos estudios en la plataforma continental que relacionen las características físicas y biológicas de una manera integral (Espinosa-Carreón et al. 2001). En particular, es necesario evaluar la fertilización de nutrientes como los fosfatos (PO₄^3-) en la plataforma continental debido a que éstos generan una fracción importante de la productividad orgánica primaria en esta zona.

En relación a los estudios oceanográficos de fertilización sobre la plataforma y talud continental de la CSC se distinguen dos procesos importantes: la advección de aguas que provienen del norte y las surgencias de aguas costeras, ambas ricas en nutrientes (Haury y Shulenberger 1982). Esta plataforma, por ser tan estrecha en la zona mexicana y con talud continental abrupto, se ha considerado como una región de surgencia intermedia (Roemmich 1989), lo que implica una fertilización moderada de la región sur de la CSC (Eppley 1986). Además, el aporte de agua dulce por escurrimientos pluviales es escaso, mientras que existen volúmenes mayores de agua dulce que provienen de las descargas residuales de las ciudades costeras (Carlucci et al. 1986). Estos procesos muy probablemente son capaces de influir en la variabilidad y distribución de nutrientes en esta región costera fronteriza México-EUA. En el presente trabajo se examinan y caracterizan los factores que influyen en la distribución de PO₄^3-, haciendo énfasis en aspectos biológicos (biomasa fitoplantónica), físicos (advección y surgencias) y antropogénicos (descargas residuales).

La región de estudio está comprendida dentro de la zona del programa regional CalCOFI (por las siglas en inglés de California Cooperative Oceanic Fisheries Investigations) el cual ha estudiado sistemáticamente la región desde 1949. Sin embargo, los muestreos más próximos a la costa de este programa internacional no incluyen estaciones sobre la plataforma continental de la región costera occidental de la frontera México-EUA. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es entender los factores que afectan a la concentración de PO₄^3- en respuesta a las surgencias y al aporte de aguas residuales ocurridos en la plataforma continental adyacente en el Pacífico a la frontera México-EUA.

Área de estudio

El área de estudio comprende las aguas costeras de la región noroccidental de Baja California (México), localizada entre 32°07'30"-32°36'30" N y 116°55'12"-117°38'18" W (fig. 1). Geográficamente se extiende desde el sur de la costa de San Diego, California, hasta 50 km al sur de la línea fronteriza México-EUA y hasta aproximadamente 50 km fuera de la costa; se encuentra dentro de la sección sur de la CSC, cuya hidrodinámica es compleja. El patrón general de circulación sigue al Sistema de la Corriente de California, con transporte neto hacia el sur (Lynn y Simpson 1987). En la costa de Baja California ocurren eventos de intensificación y relajación de surgencias durante primavera-verano (Álvarez-Borrego y Álvarez-Borrego 1982). Estos eventos son un importante mecanismo de transporte de metales (Sañudo-Wilhelmy y Flegal 1991, 1996; Segovia-Zavala et al. 1998, 2003, 2004) y nutrientes (Haury y Shulenberger 1982, 1998). Asimismo, este fenómeno provoca fuertes gradientes en la temperatura y nutrientes en aguas costeras sobre la plataforma (Petersen et al. 1986). El clima de la región es de tipo mediterráneo con veranos secos y cálidos e inviernos húmedos y fríos (Carlucci et al. 1986), por ende, la precipitación pluvial es escasa.

Materiales y métodos

Del 21 al 26 de junio de 1990 se realizó el crucero ECO-BAC a bordo del buque oceanográfico El Puma. El plan de crucero incluyó 35 estaciones hidrográficas (fig. 1) que se realizaron en transectos perpendiculares a la costa para evidenciar el surgimiento de aguas subsuperficiales y su relación con los PO₄^3-. Esta distribución de estaciones permitió determinar los gradientes norte-sur y de la costa hacia mar abierto. Las profundidades muestreadas en cada estación fueron las estándares (1, 5, 10, 20, 30, 50, 75, 100 y 200 m), dependiendo de la profundidad en cada sitio. Se utilizó un CTD Neil Brown para generar los perfiles de temperatura (°C) y salinidad. Las muestras de agua se recolectaron con botellas Niskin de 5 L y se les analizó salinidad, oxígeno disuelto (mL L^-1), clorofila a (Cla, mg nr³), PO₄^3- (μM) y nitratos (NO₃=, μM). El análisis y la determinación de las variables hidrológicas fueron de acuerdo con métodos estándares establecidos. La salinidad y temperatura se calibraron y corrigieron con determinaciones discretas de salinidad y temperatura in situ (termómetros reversibles). Los PO₄^3- y los NO₃= fueron analizados con un espectrofotómetro Spectronic 2001 de acuerdo con las técnicas espectrofotométricas descritas por Parsons et al. (1984). Las muestras de Cla fueron filtradas inmediatamente a través de filtros Gelman A/E con 0.8 μm de luz de malla y 45 mm de diámetro, los cuales fueron envueltos en papel aluminio y almacenados a -20°C hasta su análisis. Las muestras de Cla se analizaron utilizando un fluorímetro Turner 112 siguiendo el método descrito por Holm-Hansen et al. (1965) y los cálculos de concentración descritos por Parsons et al. (1984). Los límites de detección de los métodos para PO₄^3- NO₃= y Cla fueron de 0.040 μM, 0.006 μM, y 0.002 mg m^-3, respectivamente.

Debido a que el PO4^3- es un nutriente indicador de surgencias en Baja California (González-Morales y Gaxiola-Castro 1991, Espinosa-Carreón et al. 2001, Takesue et al. 2004) y trazador de descargas antropogénicas (Johnston 1976, Gerlach 1981), en este trabajo los NO₃= sólo se consideraron para estudiar la covarianza del PO₄^3- con las variables fisicoquímicas

Para identificar las características hidrográficas y procesos dominantes a escala vertical, se eligieron las líneas formadas por los transectos que limitan el área de estudio (fig. 1): el transecto A es el lado norte, el transecto B es el lado paralelo a la costa y el transecto C es el lado sur. Además, para la comparación superficial de la Cla y los PO₄^3- se tomaron las concentraciones integradas por estación, mismas que incluyeron las profundidades superficiales de 1 a 10 m. Asimismo, para describir la consistencia de los principales procesos que afectan la distribución del PO₄^3- se utilizaron los análisis de agrupamiento (AA) y de componentes principales (ACP). El ACP se obtuvo a partir de las variables hidrográficas y biológicas estandarizadas ya que las escalas de las diferentes propiedades tienen intervalos y unidades diferentes (Popham y D'Auria 1983).

Balance de masas

Se realizó un balance de masas para estimar la contribución relativa de los principales aportes y salidas de PO₄^3- respecto al área de estudio. Para ello se consideró un prisma sobre la plataforma en forma de cuña de 32 km de largo (de Point Loma hasta Punta Descanso) por 15 km de ancho (de la costa hasta el borde de la plataforma) con una profundidad de 0 m en la costa hasta 60 m a 15 km de la costa (fig. 2). El prisma opera como un recipiente con aportes (subsuperficial-superficial) y salidas (superficial), así como con remoción dentro del sistema. Los aportes de entrada al sistema son la surgencia (CsQs), la advección horizontal desde el norte (CanQan) y las descargas antropogénicas (CdQd). Estos aportes están balanceados por las salidas representadas por la advección horizontal al sur (CasQas) y la remoción biológica (Rb) en el interior del prisma. La ecuación considerada para el balance de masas fue:

CsQs + CanQan + CdQd = CasQas + Rb

Para el cálculo del aporte por surgencias se consideró la concentración integrada de PO₄^3- que fue medida al borde de la plataforma entre los 30 y 50 m de profundidad. La concentración media integrada de PO₄^3- () se calculó en cada una de las caras del prisma como:

donde z es la profundidad de la columna de agua y Px es la concentración de PO₄ a la profundidad x. Por lo tanto, se puede obtener un estimación razonable del aporte por la surgencia mediante la integración del rectángulo paralelo a la corriente entre los 30 y 50 m de profundidad que aporta el PO₄^3- de surgencia. Asimismo, para un cálculo más apropiado del agua surgida se tomó el área de surgencia de la figura 3a y de la imagen de satélite (fig. 3b), en donde es evidente la salida de agua fría. Esta área es aproximadamente la mitad del área de 15 × 32 km. Para estimar el aporte por advección del norte, normal a la corriente, se consideró la concentración integrada de PO₄^3- de los 20 m superficiales y una longitud de 15 km. Este criterio se fundamenta en que al norte de la costa de San Diego, en la línea designada por CalCOFI como 93.27, se detecta la Corriente de California (CC) en la superficie (Haury y Shulenberger 1998). Para estimar la advección al sur se consideró que el agua sale superficialmente (fig. 3b) y está definida por la capa de Ekman de 26 m (figs. 4a, 5a-b). La capa de Ekman (H = 4.3 U/sen Φ) indica el grosor de la capa superficial que se transporta cuando se presenta el fenómeno de surgencia, razón por la cual se integró hasta 20 m de profundidad y por 15 km de longitud. En resumen, el modelo plantea entradas y salidas por los 20 m superficiales y una entrada sub-superficial entre 30 y 50 m de profundidad.

Las concentraciones de PO4^3- en las descargas del emisor de Point Loma, en San Diego, fueron de 3.8 mg L^-1 con un flujo de 179 × 10⁶ L d^-1 (www.sccwrp.org/pubs/annrpt/92-93/ar-01.htm). Las concentraciones de PO₄^3- y los volúmenes de las descargas de Punta Bandera, en Tijuana, y de Rosarito fueron de 4.87 y 8 mg L^-1, y de 81,129,600 y 2,505,600 L d^-1, respectivamente (Canino-Herrera com. pers.). Es razonable suponer que las descargas de agua residual viajan hacia el sur, ya que la plata que proviene de las descargas de Point Loma fue detectada en Ensenada e incluso hasta San Quintín, Baja California, en México (Sañudo-Wilhelmy y Flegal 1992). Además, Haury y Shulenberger (1982) establecen que durante el verano frente a California y Baja California se presenta una mayor advección de la CC hacia el sur, demostrando que el balance de la CC tiene un transporte neto hacia el sur. Finalmente, el cálculo de la remoción biológica se realizó balanceando las entradas y salidas de PO4^3- del sistema.

Los datos de entrada para la estimación del modelo fueron los siguientes: velocidad de la CC = 0.1 m s^-1 (NOAA 1980), velocidad en el área de estudio (prisma) = 0.081 m s^-1 (Hendricks 1976), velocidad de la surgencia = 3.39 m d^-1 (calculada en este estudio), concentración media integrada de PO₄^3- en la surgencia = 0.0516 g m^-3, concentración media integrada de PO₄^3- a la entrada al sistema = 0.0190 g m^-3, concentración promedio integrada de PO4^3- a la salida del sistema = 0.0294 g m^-3, concentración de PO4^3- en la descarga de San Diego (California) = 3.8 mg L^-1, concentración de PO₄^3- en la descarga de Tijuana (Baja California) = 4.87 mg L^-1, y concentración de PO4^3- en la descarga de Rosarito (Baja California) = 8 mg L^-1.

En la estimación del transporte de PO4^3- por surgencias se calculó la velocidad vertical en el área a partir de una serie de tiempo de viento de dos días previos (estación 5) y durante el desarrollo del crucero ECOBAC. El viento dominante provino del noroeste y su velocidad media fue de 4.5 m s^-1. De esta manera la velocidad vertical de la surgencia se calculó de acuerdo con Takano (1955) y Pond y Pickard (1978):

El error asociado con el cálculo del balance de masas se obtuvo utilizando las ecuaciones de propagación de error definidas por Bevington (1969).

Regresión de aportes antropogénicos de PO₄^3-

Por medio de un análisis de regresión se realizó una proyección a futuro para predecir la magnitud de las descargas antropogénicas al ecosistema costero. Los aportes de PO4^3-provenientes de las descargas de aguas residuales originadas en las ciudades de Rosarito y Tijuana se estimaron con los promedios mensuales de la concentración de PO4^3- y de los volúmenes de descarga proporcionados por la Comisión Estatal de Servicios Públicos de Tijuana (CESPT) para el periodo comprendido de 1990 a 2005. Las concentraciones de PO₄^3-fueron multiplicadas por el gasto diario de cada efluente para obtener el aporte diario de PO₄^3-. Con los datos de los aportes diarios anualizados se realizó una regresión lineal para los años correspondientes.

Para el cálculo de los aportes de PO₄^3- de la descarga de Point Loma, provenientes de la ciudad de San Diego, se utilizaron los promedios anuales de la concentración de PO₄^3- y los volúmenes de descarga proporcionados por la Southern California Coastal Water Research Project (SCCWRP) desde 1990 hasta 2005 (www.sccwrp.org). Se estimó la carga media por día para cada año dividiendo la carga total entre 365 días. Para el modelo de regresión sólo se consideraron los datos de los aportes diarios anualizados de 1994 a 2005, debido a que los aportes de PO₄^3- no han variado en los últimos 10 años. Este promedio es el que se consideró para sumárselo a las cargas de México y así generar una predicción de PO₄^3- (t PO₄^3-d^-1) de origen antropogénico que entra al área de estudio. Por medio de esta regresión y la suma de la carga media de Point Loma se realizó la proyección a mediano (10 años) y largo plazo (25 años) de la carga que será introducida al sistema costero. Entonces se presentan dos modelos: el modelo de regresión de Point Loma (MRPL) y el modelo de regresión Tijuana-Rosarito (MRTR).

Resultados

Hidrografía

La temperatura superficial (1 m) presentó un gradiente espacial evidente, con valores de 5-6°C más bajos en la costa que mar abierto (fig. 3a). Se observaron dos lengüetas de agua fría (13°C) de la costa hacia mar abierto: una frente a Punta Descanso y otra al sur de la frontera México-EUA. Asimismo, una imagen de satélite tomada durante el crucero (24 de junio), reveló la presencia de aguas superficiales frías en la costa (13°C) y más calientes (19°C) fuera de la costa (fig. 3b). La distribución vertical de temperatura también mostró un una elevación de las isotermas de mar abierto (50 km) hacia la costa, con pendientes más intensas sobre el borde de la plataforma continental (fig. 4a). En la parte sur del área de estudio la isoterma de los 13°C se elevó desde 60-70 m de profundidad 50 km mar adentro, hasta la superficie cerca de la costa (transecto C); en contraste, en la región norte esta isoterma sólo se elevó hasta 10 m de profundidad cerca de la costa (transecto A). En el transecto B (paralelo a la costa) las isotermas fueron en general horizontales.

Las isohalinas mostraron el mismo patrón de elevación, de mar abierto hacia la costa (fig. 4b). En el transecto C la isohalina de 34 mostró una elevación de los 200 m de profundidad (40-50 km mar adentro), hasta 100 m de profundidad en el talud continental, localizado a poco más de 20 km de la costa. En la parte sur se detectó un núcleo con un mínimo subsuperficial menor a 33.4, entre 30-40 km de la costa, así como también en la región costera y superficial (transecto C).

Fosfatos y clorofila a

La distribución del PO4^3- fue similar a las variables hidrográficas. Se presentó una pronunciada elevación de las isolíneas de mar abierto hacia la zona costera (fig. 5b). Se aprecia un transporte vertical más intenso en la parte sur del área de estudio, en donde la isolínea de 0.75 μM llegó hasta la superficie (1 m) en la costa (transecto C), mientras que en la parte norte sólo alcanzó a llegar hasta los 30-40 m de profundidad (transecto A). En general en ambos transectos se identifican concentraciones mayores a 1 μM sobre la plataforma y en el borde del talud continental. La distribución superficial integrada de PO4^3- presentó gradientes muy marcados. Por ejemplo en Punta Descanso, en donde se observó una lengüeta con altas concentraciones de PO₄^3- (0.90 μM) que disminuyen hacia el norte (estaciones 16 y 17) y sur (estaciones 30 y 31), así como hacia mar abierto (fig. 6a).

La distribución superficial integrada de Cla presentó una amplia variación con valores de 1.0 a 10.0 mg m^-3, distinguiéndose dos zonas de alta concentración (fig. 6b). Una zona está localizada en la región norte del área de estudio, con valores hasta de 10 mg m^-3, mientras que la segunda zona, se localizó en la región central (estación 16) frente a Rosarito, con concentraciones de 5 mg m^-3. En contraste, en Punta Descanso se presentaron las más bajas concentraciones de Cla, con valores de 1.0 a 2.0 mg m^-3 (estaciones 27 y 28). En general, después de 9 a 10 km perpendiculares a la costa las concentraciones fueron menores a 1.0 mg m^-3.

Análisis multivariado

El AA permitió distinguir la covariación de PO4^3- con las variables conservativas y no conservativas (fig. 7), sugiriendo que su variación espacial está asociada a la biomasa fitoplanctónica y a las aguas frías. Además, en el ACP el componente 1 (C1) se asocia con el régimen de surgencias de agua con alto contenido de nutrientes, bajo oxígeno y baja temperatura (tabla 1). El componente 2 (C2) puede asociarse a un régimen de mezcla costera y se identifica por baja temperatura, baja salinidad y presencia de Cla. El componente 3 (C3) se asocia con la presencia de partículas biogénicas que florecen después de un evento de surgencia costera. El componente 4 (C4) se asocia con la presencia de aguas estratificadas en las estaciones fuera de la plataforma.

Balance de masas y modelo de regresión

Los resultados del balance de masas de PO₄^3- en el área de estudio se presentan en la tabla 2. La principal fuente de aporte de PO₄^3- fue la surgencia (41.1 ± 2.3 t d^-1), seguida por la advección horizontal (20.9 ± 2.2 t d^-1) y en menor proporción las descargas de aguas residuales (3.0 ± 0.1 t d^-1). Se observa que 95% del PO₄^3- es aportado por la surgencia y la advección horizontal, mientras que el 5% restante es aportado por las descargas antropogénicas. Es importante señalar que la zona costera fronteriza ha recibido por décadas un aporte continuo de descargas antropogénicas con una tendencia sistemática a incrementarse con el aumento de la población. Por lo tanto, es importante realizar una proyección al futuro de la fertilización inducida que podría competir con los procesos naturales de fertilización y generar un fenómeno de eutroficación. La figura 8 muestra que las descargas de PO₄^3- provenientes de Tijuana y Rosarito han aumentado a una tasa de 0.19 t d^-1 año^-1. En contraste, las descargas de PO4^3- provenientes de Point Loma han disminuido significativamente (MRPL) y durante la última década han tendido a ser relativamente constantes (0.3 t d^-1). El modelo de regresión de Tijuana-Rosarito (MRTR) pronostica que para los años 2015 y 2030 se aportarán aproximadamente 6.3 y 9.2 t d^-1 de PO₄^3-, respectivamente.

Discusión

Barber y Smith (1981) definieron al fenómeno de surgencia como el proceso en que el agua subsuperficial es transportada hacia la superficie y transportada lejos del área del transporte vertical por un flujo superficial horizontal mar adentro. Estas aguas presentan menor temperatura y concentración de oxígeno, así como mayor densidad y contenido de nutrientes que las aguas superficiales de zonas oceánicas. En este estudio el gradiente superficial de temperatura que aumenta hacia fuera de la costa (fig. 3a, b) evidencia un movimiento de agua mar adentro debido al transporte de Ekman, el cual es inducido por el esfuerzo del viento. El factor principal que influye para que se desarrollen eventos de surgencia en la costa de Baja California es la presencia de vientos fuertes del noroeste (8 m s^-1) con dirección predominante hacia el sur (Barton y Argote 1980). Además, dos días previos al crucero (21 y 22 de junio), el promedio de la velocidad del viento fue de 4.5 m s^-1 en una estación fija (E5), a 25 km de la costa mar adentro, y durante todo el crucero fue, en promedio, de 6.5 m s^-1. Dorman y Palmer (1981) reportaron que durante el verano las surgencias costeras entre La Jolla y Balboa, California, fueron provocadas por forzamientos de vientos locales de 2.8-3.87 m s^-1.

Nuestros resultados sugieren que el viento fue un factor determinante para el desarrollo de las lengüetas de agua fría que se proyectan de la costa hacia mar adentro (fig. 3a, b). El comportamiento termohalino observado en la figura 4(a, b) distingue la elevación hacia la costa de las isotermas y las iso-halinas debido al transporte de Ekman por efecto del viento. Esta es una característica que revela claramente un surgimiento de agua subsuperficial. Gómez-Valdez (1983) y González-Morales y Gaxiola-Castro (1991) establecieron que en verano, 100 km al sur de la frontera México-EUA, la elevación de las isotermas entre 12°C y 14°C, cerca de la costa, es un indicador de surgencia de aguas que provienen de entre 100 y 85 m de profundidad, lo cual es consistente con los resultados de esta investigación.

Con relación al mínimo subsuperficial de salinidad con núcleo a 40-50 m (fig. 4b), Reid et al. (1958) y Reid (1973) establecieron que la CC presenta un mínimo de salinidad a 100 m de profundidad y se origina en las altas latitudes del Océano Pacifico. Durazo et al. (2005) reportaron que frente a Baja California las características del mínimo de salinidad y baja temperatura tienen su origen en aguas del subártico. Asimismo, Jerónimo y Gómez-Valdez (2006) establecen que en la región norte y costera de Baja California se presentan a 38 m de profundidad áreas de baja temperatura (<14°C) y salinidad (< 33.6). Dorman y Palmer (1981) reportaron para un área 20 km al norte de la frontera México-EUA un comportamiento termohalino similar durante el verano, y asociaron agua fría superficial y un núcleo de baja salinidad (<33.53) con agua que es transportada por la CC. Asimismo, el mínimo de salinidad ha sido observado sobre la plataforma, justo al norte de San Diego (Tsuchiya 1976). Este mínimo de salinidad es el que se detecta a 50 km fuera de la costa (fig. 4b, transecto B) y se eleva surgiendo sobre la plataforma y en la zona costera.

Las características hidrográficas descritas en este trabajo, tanto en el plano vertical como horizontal, revelan una surgencia costera con advección vertical subsuperficial y transporte hacia fuera de la costa. De acuerdo con Gómez-Valdez (1983), el fenómeno se debe a una combinación del balance geostrófico en el flujo de la CC y la deriva de Ekman causada por el esfuerzo del viento. En el hemisferio norte, con el balance geostrófico el agua fría, de mayor densidad, se eleva al lado izquierdo del flujo de la corriente (Neumann y Pierson 1966). De esta manera, las surgencias son más intensas frente a puntas y cabos que se proyectan sobre la corriente norte-sur (Sverdrup et al. 1942). Esto es congruente con la evidencia de surgencia en Punta Descanso por el levantamiento de la isoterma de 13°C y el mínimo de salinidad del núcleo de la CC (33.4-33.5) hasta la superficie.

Se ha reportado que en las aguas frente a las costas del noroeste de Baja California el intervalo en la concentración de PO₄^3- de 0.75 a 1.50 μM es indicador de agua de surgencia (González-Morales y Gaxiola-Castro 1991, Espinosa-Carreón et al. 2001). Los resultados de nuestra investigación muestran que las concentraciones en el intervalo antes mencionado se ubicaron en mar abierto a profundidades de 70 a más de 100 m, mientras que en la costa estas mismas concentraciones se observaron entre la superficie y 40 m de profundidad (transecto C, fig. 5b). Es evidente que las distribuciones verticales de temperatura, salinidad, densidad y PO4^3- son congruentes con el fenómeno de surgencias y muestran que durante el periodo de estudio las aguas subsuperficiales presentaron una advección vertical por lo menos desde 200 m hacia la superficie en la zona de la costa.

La distribución superficial integrada de PO4^3- en Punta Descanso (fig. 6a), en donde se observó una lengüeta con altas concentraciones de este nutriente (0.90 μM) que disminuyen hacia el norte (estaciones 16 y 17) y sur (estaciones 30 y 31), así como hacia mar abierto, es congruente con los resultados de las isotermas y las isohalinas debidas al transporte de Ekman por efecto del viento. En contraste, la Cla presentó valores más altos en la zona norte respecto a la zona sur, mientras que los PO4^3- presentaron una distribución inversa con menores concentraciones en la parte norte y mayores en la zona sur del área de estudio (fig. 6a, b). Frente a las costas de Baja California se han reportado concentraciones subsuperficiales de Cla de hasta 20 mg m^-3 durante el periodo de relajación de la surgencia (Cardona-Canizales et al. 1990). El comportamiento anterior sugiere que en la parte norte del área de estudio se presentó primero el aporte de agua rica en nutrientes y un subsecuente florecimiento fitoplantónico, mientras que en la parte sur, el fenómeno de surgencia estuvo activo al momento del muestreo, razón por la cual se observaron los altos valores de PO4^3-, bajas temperaturas y concentraciones de Cla relativamente menores. Barber y Ryther (1969) argumentaron que se presenta un desfasamiento entre la máxima intensidad de un afloramiento y la respuesta del fitoplancton, ya que existe la necesidad de una quelación de los metales para que el fitoplancton disponga de los nutrientes necesarios para desarrollarse adecuadamente. Segovia-Zavala et al. (1998) reportaron para este mismo periodo que, en la zona fronteriza, el cadmio fue aportado por la surgencia y estuvo asociado con la biomasa fitoplanctónica.

Debido a la consistencia oceanográfica en el comportamiento de la distribución horizontal y vertical de PO4^3- con las variables previamente descritas y los resultados de los análisis multivariados (fig. 7, tabla 1), se sugiere que la distribución del PO4^3- está controlada principalmente por procesos físicos y biológicos como la surgencia, la fotosíntesis y con una posible incipiente influencia antropogénica. Hemingway (1979) reportó una descripción general del ecosistema de la CC y estableció, por medio de un análisis de factores, que la mayor varianza del ecosistema pudo ser explicada por el surgimiento de nutrientes (36%), por mezcla (18%) y por la producción primaria (7.3%), lo cual concuerda con los resultados de nuestro estudio. Asimismo, Segovia-Zavala et al. (1998) reportan que la distribución del cadmio en esta misma área de estudio y durante el mismo periodo se explicó por procesos físicos (53%) y la biomasa fitoplantónica (25%). Bruland (1980) y Bruland y Franks (1983) reportaron que PO₄^3- y NO₃= en el Pacifico Norte y en el Atlántico muestran una alta correlación con el cadmio debido a los procesos de producción y mineralización de la materia orgánica. Por lo tanto, los resultados descritos indican que el sistema costero de la plataforma en la región fronteriza está regido por los fenómenos evidenciados por los análisis multivariados, mismos que muestran la consistencia oceanográfica de los datos.

En la zona costera es difícil distinguir entre los aportes antropogénicos y los aportes naturales únicamente con tener la concentración del nutriente en el agua de mar. Las velocidades de los ciclos internos de los micro nutrientes y metales traza son tan rápidos que es difícil medir el grado con el cual las distribuciones reflejan la influencia antropogénica (Yeast y Brewer 1983). Una alternativa para cuantificar e identificar los aportes relativos del PO4^3- en la zona costera es realizando un balance de masas.

El balance de masas (tabla 2) explicó 95% de las salidas de PO₄^3- y el 5% restante (3.3 ± 4.45 t d^-1) puede ser balanceado por los procesos de remoción biológica por fotosíntesis. Realizando un cálculo de la remoción biológica basado en una producción de la CC de 0.5 gC m^-2 dia^-1 (Haury y Shulenberger 1998), y considerando la razón de Redfield que establece la utilización de 1 mol de PO4^3- para producir 106 moles de C orgánico, se llega a estimar una remoción de 2.3 t d^-1, misma que representa 70% de la calculada por el balance de masas de entradas y salidas de PO4^3-. Este valor es razonable ya que la producción de la CC es de aguas más oceánicas y nuestro estudio es de una zona costera en presencia del fenómeno de surgencia, misma que se esperaría tuviera una mayor remoción del nutriente. Segovia-Zavala (1994) realizó un balance de masas para el cadmio en esta misma área de estudio y reportó que la remoción biológica de cadmio fue de ~20%. Así, el cadmio y el PO4^3- son removidos de la columna de agua por la actividad fotosintética que ocurre en la postsurgencia. Lo anterior es consistente con la distribución superficial integrada de Cla (fig. 6b) que presentó dos zonas de alta concentración: una localizada en la región norte del área de estudio con valores de hasta 10 mg m^-3; y la otra en la región central frente a Rosarito, con una concentración de Cla de 5 mg m^-3. Segovia-Zavala et al. (1998) reportaron para este mismo periodo y zona de estudio que el cadmio y el PO4^3- presentaron una correlación significativa entre sí y con las clorofilas, lo que sugiere que están asociados con la producción de biomasa fitoplantónica y posiblemente son removidos de la columna de agua por la actividad fotosintética.

El desbalance del 5% pone en evidencia la desproporción (1:20) existente entre los vertidos costeros de fosfato (3.0 ± 0.11 d^-1), los aportes de surgencia (41.1 ± 2.3 t d^-1) y advección del norte (20.9 ± 2.2 t d^-1), debidos a los desplazamientos de agua. El balance puede cerrarse con sólo considerar la remoción de 0.3 ± 4.5 t d^-1 que se calcula de la diferencia de la salida hacia el sur (61.7 ± 3.2 t d^-1) y las entradas (62.0 ± 3.2 t d^-1). Sin embargo, es evidente que la incertidumbre asociada con la remoción calculada sobre la base de la diferencia entre la salida al sur y las entradas es muy elevada (0.3 ± 4.5 t d^-1) y que también hay vertidos que aumentan la presencia de PO4^3-en la zona costera (fig 6a, tabla 2). Por lo tanto, es razonable suponer que una remoción biológica de 3.3 ± 4.5 t d^-1 sea más congruente que la de 0.3 ± 4.5 t d^-1, en un régimen de surgencia que no debe estar limitado por los nutrientes.

El resultado obtenido en este estudio que indica que 5% de PO4^3- es aportado por las descargas antropogénicas sugiere que la contribución de PO4^3- de origen antropogénico a la zona de estudio no es importante en la actualidad. No obstante, para apreciar adecuadamente la importancia del PO4^3- antropogénico, el prisma se tiene que reducir hasta 7.63% de sus dimensiones, en las cuales el vertido antropogénico (3.0 ± 0.1 t d^-1) y los aportes por surgencia (3.0 ± 0.2 t d^-1) son equiparables. Esta condición se da cuando el prisma tiene las dimensiones de 2.44 km de largo, 1.14 km de ancho y una profundidad de 4.5 m. Asimismo, si se comparan las descargas de PO4^3- con los aportes bajo condiciones normales de surgen-cias provocadas por los vientos locales (2.8-3.87 m s^-1, Dorman y Palmer 1981), es posible calcular que éstas pueden abastecer entre 19 y 30 t d^-1 de PO₄^3-. Igualmente se puede establecer que aun cuando la CC presente su menor velocidad (0.04 m s^-1, Lynn y Simpson 1987), el aporte por advección de PO4^3- puede llegar a ser de 10.6 t d^-1. Sin embargo, estas cargas naturales por surgencia y advección siguen siendo subs-tancialmente mayores que las descargas antropogénicas (3.0 ± 0.1 t d^-1) que entran al área de estudio.

El modelo de regresión MRTR pronostica que para los años 2015 y 2030 se aportarían 6.3 y 9.2 t d^-1 año^-1 de PO₄^3-, respectivamente (fig. 8). Estos aportes representan 60% y casi 90%, respectivamente, de lo que aporta la CC bajo condiciones de velocidad mínima. Por otro lado, si se considera al modelo de regresión de México (MRTR) con una descarga media de PO4^3-de Point Loma, en San Diego, de 0.43 t d^-1, entonces los aportes antropogénicos y los de la CC se igualarían en el año 2035. Si el pronóstico se realiza tomando en cuenta únicamente las descargas de México, entonces la equiparación entre los aportes y los de la CC se logra en 2038. Estas predicciones son relativamente diferentes debido a que los datos que se utilizaron en el modelo que incluye las descargas de Punta Bandera y Rosarito tienen una tendencia constante al aumento (fig. 8), mientras que los de Point Loma tienden a ser relativamente constantes. Es importante señalar que los sistemas de tratamiento en ambos países son muy diferentes en cuanto a su eficiencia y tratamiento. Mientras que los sistemas de tratamiento en Point Loma se han eficientizado a partir de 1994, los de Punta Bandera y Rosarito, en México, han sido rebasados por el aumento en flujos y cargas, lo que ha disminuido su eficiencia. Por lo tanto, de seguir con esta tendencia de no mejorar sustancialmente los sistemas de tratamiento en México, los problemas de eutroficación serán más evidentes en la zona costera de la plataforma continental mexicana. En base al modelo MRTR, se recomendaría entonces reducir los vertidos antropogénicos de Tijuana y Rosarito al mar de tal manera que se asemejaran más al modelo del funcionamiento de la planta de Point Loma (MRPL). Si el promedio anual porcentual de reducción de carga del modelo de Point Loma es aplicado a las cargas medias anuales de 1990 a 2005 de la plantas de Punta Bandera y Rosarito, se pronostica que para 2012 los vertidos de PO₄^3- serían menores o equivalentes a los de Point Loma (0.043 t d^-1). Asimismo, los enriquecimientos antropogénicos en la zona costera de la plataforma continental mexicana serían insignificantes y la única fuente de fertilización importante sería la natural ocasionada por los fenómenos de surgencia.

Agradecimientos

Este estudio fue realizado gracias al financiamiento del CONACYT con el número de código 88-01-79.

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