Impacto del ozono troposférico en el cultivo de papa bajo situaciones sinópticas típicas en Cuba

Área del estudio

La base de datos utilizada abarca el período desde enero de 2021 hasta marzo de 2022. Se seleccionó como área de interés el municipio de San José de las Lajas, en la provincia de Mayabeque (figura 1), ubicado en los 22°58′05″ latitud norte y los 82°09′21″ longitud oeste.

Procesamiento de las salidas del modelo global de Calidad del Aire (SILAM)

Se descargaron los archivos (en formato NetCDF), provenientes del modelo global de Calidad del aire (SILAM). Luego, se procedió a extraer los valores de las concentraciones del ozono troposférico (promedio diario cnc_mean_day_O3 y máximo en 8 horas cnc_max_day_O3) en el área de estudio (territorio nacional) y se obtuvo la serie diaria de las concentraciones de O₃ para el área y periodo del estudio.

Método de obtención de los datos de los Tipos de Situaciones Sinópticas (TSS)

Se confeccionó una base datos sobre los TSS (Catálogo que comprende 9 tipos principales y 20 subtipos), a partir de los Estados Generales del Tiempo (EGT) y los mapas sinópticos que se confeccionan con el software Digital Atmosphere, emitidos por el Centro Nacional de Pronóstico del tiempo del Instituto Nacional de Meteorología de Cuba. Con esta base de datos se pudo identificar y clasificar el TSS para cada día del período que abarcó el estudio, utilizando las clasificaciones hechas Lapinel (1988)Lapinel, B. (1988). La circulación atmosférica y las características espacio-temporales de las lluvias en Cuba. Tesis de doctorado. Inst. Meteorología, La Habana. 147 p. (inédito)..

Estimación del impacto de la exposición al ozono en las plantas

Para estimar el impacto de la exposición al O₃ en las plantas se utilizó el índice AOT40 (1) (Sánchez, 2021Sánchez, E. (2021). Acción por el clima y energías renovables en el marco de la agenda 2030. Revista española de desarrollo y cooperación, Vol. 48, pp7-9. ISSN: 1137-8875. Madrid, España.; Mills et al., 2007Mills, G.; Buse, A.; Gimeno, B.; Bermejo, V.; Holland, M.; Emberson, L. & Pleijel, H. (2007). A synthesis of AOT40-based response functions and critical levels of ozone for agricultural and horticultural crops. Atmospheric Environment 41 (2007) 2630–2643. DOI: http://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.11.016; Hollaway et al., 2012Hollaway, M.; Arnold, S. R.; Challinor, A. J. & Emberson, L. D. (2012). Intercontinental trans-boundary contributions to ozone-induced crop yield losses in the Northern Hemisphere. Biogeosciences, 9, 271–292, 2012. DOI: http://doi.org/10.5194/bg-9-271-2012.). El AOT40 se obtuvo mediante la suma de la diferencia entre la media horaria de las concentraciones de O₃ y 40 ppb, para cada hora con luz solar (8 a.m.- 8 p.m.) donde las concentraciones sobrepasaron los 40 ppb, durante un período de tres meses:

Donde $n$ es el número de horas ( $i$ ) en las cuales las concentraciones de ozono fueron superiores a 40 ppb.

El rendimiento relativo del cultivo (RY) (2) $RY=-0.0057*AOT40+0.99$ se obtuvo utilizando las funciones exposición-respuesta a la exposición al O₃ para el caso de la papa. Se emplearon las funciones obtenidas para países europeos (Mills et al., 2007Mills, G.; Buse, A.; Gimeno, B.; Bermejo, V.; Holland, M.; Emberson, L. & Pleijel, H. (2007). A synthesis of AOT40-based response functions and critical levels of ozone for agricultural and horticultural crops. Atmospheric Environment 41 (2007) 2630–2643. DOI: http://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.11.016; Hollaway et al., 2012Hollaway, M.; Arnold, S. R.; Challinor, A. J. & Emberson, L. D. (2012). Intercontinental trans-boundary contributions to ozone-induced crop yield losses in the Northern Hemisphere. Biogeosciences, 9, 271–292, 2012. DOI: http://doi.org/10.5194/bg-9-271-2012.), las cuales dan una relación exposición-respuesta linear como función del AOT40.

Donde $RY$ es el rendimiento relativo.

Para la estimación de la reducción del rendimiento relativo del cultivo ( $RYL$ ) (3) $RYL=1-RY$ teórico, sin tener en cuenta las afectaciones debido al O₃ se utilizó la siguiente ecuación:

La estimación de la pérdida relativa en el rendimiento de la producción del cultivo ( $CPL$ ) (4) $CPL=\frac{RYL}{1-RYL}*CP$ se calculó de la siguiente forma:

Donde $CP$ es el rendimiento del cultivo en la producción del mismo.

Para estimar la pérdida económica promedio ( $EL$ ) (5) $EL=CPL*MSP$ debido a los daños provocados por el O₃ se utilizó la siguiente ecuación:

Donde $MSP$ es el precio medio de la tonelada del cultivo en dólares y $CPL$ está expresado en toneladas.

Análisis Estadístico

Para el análisis estadístico de los datos se utilizó el software OriginPro (2016). Se asumió la no normalidad de los datos. Por tal motivo, se aplicó la prueba no paramétrica U de Mann-Whitney (Wayne, 1991Wayne, D. (1991). Estadísticas no paramétricas y de libre distribución. En, Bioestadística. Base para el análisis de las ciencias de la salud. (pp.503 – 557). México, D.F.: Ed. Simusa.) para analizar las diferencias de las concentraciones de O₃ entre el período lluvioso (mayo - octubre) y el poco lluvioso (noviembre-abril). El coeficiente de correlación de rangos de Spearman (Jolliffe & Stephenson, 2003Jolliffe, I. & Stephenson, D. (2003). Forecast Verification. A Practitioner´s Guide in Atmospheric Science. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England. ISBN 0-471-49759-2.), se aplicó para determinar la correlación entre los TSS y las concentraciones de O₃.

Comportamiento diario de las concentraciones de O₃

Se estimaron las concentraciones horarias promedio de O₃. Se muestran en la figura 2.

El comportamiento de las concentraciones de O₃ es semejante al obtenido por López et al. (2018)López, R.; Bolufé, J.; Sosa, C.; García E.; Manso, R.; Cuesta, O & Iraola, C. (2018). Evaluación de riesgos para la salud y la vegetación por los contaminantes atmosféricos: SO2, NO2, PM10 y O3 en áreas de Cuba. Resultado P211LH007-019. Programa de Meteorología y Desarrollo Sostenible. y Ramírez (1989)Ramírez, J. (1989). Estudio de las variaciones en las concentraciones de ozono troposférico en Cuba y su vinculación con algunos fenómenos meteorológicos. Tesis de Doctorado en Ciencias Geográficas, Universidad de La Habana, La Habana, Cuba, 100 p., el cual evidencia la marcada relación entre las concentraciones de O₃ y la radiación solar. Se observaron valores mínimos a las 12:00 a.m. y también a las 7 a.m. y a partir de ese horario, las concentraciones comenzaron a aumentar. Esto se debe al incremento de la radiación solar, que es un factor determinante en la formación de O₃ troposférico a partir de los precursores NO_x (NO y NO₂) y COVs (Seinfeld & Pandis, 2006Seinfeld, J. H. & Pandis, S. (2006). Wet deposition in Atmospheric chemistry and physics from air pollution to climate change. Editorial John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey. Segunda edición, 932-979p.; Lou et al., 2015Lou, S.; Liao H.; Yang Y. & Mu, Q. (2015). Simulation of the interannual variations of tropospheric ozone over China: Roles of variations in meteorological parameters and anthropogenic emissions. Atmospheric Environment 122: 839-851.).

El valor máximo estuvo como promedio cerca de las 4 p.m., momento a partir del cual las concentraciones comenzaron a descender, siguiendo la declinación solar. Sin embargo, los valores máximos están desplazados una hora con respecto al promedio de las observaciones de las fuentes tomadas como referencia (López et al., 2018López, R.; Bolufé, J.; Sosa, C.; García E.; Manso, R.; Cuesta, O & Iraola, C. (2018). Evaluación de riesgos para la salud y la vegetación por los contaminantes atmosféricos: SO2, NO2, PM10 y O3 en áreas de Cuba. Resultado P211LH007-019. Programa de Meteorología y Desarrollo Sostenible.; Ramírez, 1989Ramírez, J. (1989). Estudio de las variaciones en las concentraciones de ozono troposférico en Cuba y su vinculación con algunos fenómenos meteorológicos. Tesis de Doctorado en Ciencias Geográficas, Universidad de La Habana, La Habana, Cuba, 100 p.). Esto puede deberse a la diferencia de los períodos de tiempo y localidades que se tuvieron en cuenta para cada estudio.

Comportamiento estacional del O₃

Se determinó la concentración media mensual de O₃ para todos los meses estudiados (figura 3).

Las concentraciones promedio más altas se presentaron durante el período de noviembre a abril. Estos meses coinciden con la etapa poco lluviosa del año en Cuba. Los valores medios mensuales más bajos se exhibieron en los meses desde mayo a octubre, meses que corresponden al período lluvioso. Este comportamiento estacional de las concentraciones de O₃ también ha sido obtenido por otros autores, en la Florida y en África (Ramírez, 1989Ramírez, J. (1989). Estudio de las variaciones en las concentraciones de ozono troposférico en Cuba y su vinculación con algunos fenómenos meteorológicos. Tesis de Doctorado en Ciencias Geográficas, Universidad de La Habana, La Habana, Cuba, 100 p.) y en Cuba (López et al., 2018López, R.; Bolufé, J.; Sosa, C.; García E.; Manso, R.; Cuesta, O & Iraola, C. (2018). Evaluación de riesgos para la salud y la vegetación por los contaminantes atmosféricos: SO2, NO2, PM10 y O3 en áreas de Cuba. Resultado P211LH007-019. Programa de Meteorología y Desarrollo Sostenible.). El comportamiento descrito del O₃ troposférico pudo ser resultado del aporte local de sus precursores y la permanencia de las masas de aire procedentes de Norteamérica que favorecen el incremento de O₃; además por las condiciones de buen tiempo asociadas, con días secos y cielo despejado que provocan la destrucción acelerada de NO₂ (Ramírez, 1989Ramírez, J. (1989). Estudio de las variaciones en las concentraciones de ozono troposférico en Cuba y su vinculación con algunos fenómenos meteorológicos. Tesis de Doctorado en Ciencias Geográficas, Universidad de La Habana, La Habana, Cuba, 100 p.; Collazo, 2011Collazo, A. (2011). Análisis de la contaminación transfronteriza y local de contaminantes gaseosos precursores de la depositación ácida húmeda y formación de ozono en Cuba. Tesis en opción al grado de Magíster en Gestión y Planificación Ambiental, Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile.; López et al., 2018López, R.; Bolufé, J.; Sosa, C.; García E.; Manso, R.; Cuesta, O & Iraola, C. (2018). Evaluación de riesgos para la salud y la vegetación por los contaminantes atmosféricos: SO2, NO2, PM10 y O3 en áreas de Cuba. Resultado P211LH007-019. Programa de Meteorología y Desarrollo Sostenible.).

La prueba no paramétrica U de Mann-Whitney sugirió que las muestras correspondientes al período poco lluvioso y lluvioso presentaron diferencias estadísticamente significativas con un nivel de confianza del 95%. Esto significa que las concentraciones de O₃ variaron en un período respecto al otro.

El valor máximo de concentración de ozono que se obtuvo fue de 125,55 µg/m³, el cual se presentó durante el mes de marzo de 2021. Este período se caracterizó por la influencia de anticiclones continentales migratorios. Varios días durante los meses invernales se caracterizaron por concentraciones horarias superiores a los 80 µg/m³. Esto puede deberse al predominio de las altas presiones continentales migratorias, que favorece el transporte transfronterizo (Collazo, 2011Collazo, A. (2011). Análisis de la contaminación transfronteriza y local de contaminantes gaseosos precursores de la depositación ácida húmeda y formación de ozono en Cuba. Tesis en opción al grado de Magíster en Gestión y Planificación Ambiental, Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile.).

La figura 4 muestra la distribución de frecuencia de las concentraciones de O₃ para las horas que se analizaron. Puede apreciarse que predominaron las bajas concentraciones, las cuales representan el 89% del total de horas analizadas.

Las concentraciones superiores a los 80 µg/m³ representan el 10% y las superiores a 100 µg/m³ representan el 8%. Las concentraciones mínimas, que son inferiores a 13.53 µg/m³ representan el 7% de los datos del estudio.

Los meses que presentaron más horas con concentraciones de O₃ que superaron la CMA para la vegetación fueron, en orden descendente, marzo, enero y noviembre de 2021. Durante estos meses se presentaron más de 245 horas en las cuales las concentraciones de O₃ superaron los 80 µg/m³ (Tabla 2). Cabe resaltar que tanto el mes de enero como el de marzo se corresponden con el cultivo tardío de la papa (Martín, 2019Martín, A. (2019). Efecto del número de tallos en los índices de crecimiento y el rendimiento de la papa (Solanum tuberosum L.) cultivar Ultra. Trabajo de diploma. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.). Se contabilizaron 1942 horas donde las concentraciones superaron los 80 µg/m³.

Análisis de los TSS

Se analizaron los mapas de EGT y se obtuvo el TSS para los días desde el primero de enero de 2021 hasta al 31 de marzo de 2022 (figura 5).

El TSS que con mayor frecuencia influyó en la mitad occidental del país durante el período que abarcó el estudio fue el TSS VIII, situación que se presentó durante 246 días. El TSS VIII se caracteriza por la presencia de altas típicas polares continentales de Norteamérica, asociadas a una masa de aire polar subsidente, que tienden por lo general, a desplazarse hacia el sudeste y luego al este, hacia el Atlántico (Lapinel, 1988Lapinel, B. (1988). La circulación atmosférica y las características espacio-temporales de las lluvias en Cuba. Tesis de doctorado. Inst. Meteorología, La Habana. 147 p. (inédito).).

Cuando las altas continentales migratorias irrumpen activamente hacia bajas latitudes, entonces Cuba puede quedar bajo la influencia de temperaturas bajas y vientos de región norte. En su progresivo avance, al internarse estos anticiclones en zonas marítimas, ya sea por el golfo de México o por la costa atlántica de los Estados Unidos, presentan un rápido proceso de transformación debido a la fuerte humectación, pudiendo tener lugar una fusión con el anticiclón del atlántico o bien un desplazamiento del mismo (Torres et al., 2020Torres, E.; Lecha, L.; Sánchez, L. & Verdecia, Y. 2020. Catálogo de los tipos de situaciones sinópticas que influyen sobre Cuba. DOI: http://doi.org/10.13140/RG.2.2.12542.20802).

El comportamiento anual de los TSS observado en 2021 fue atípico en comparación con el comportamiento climático que caracteriza a la mitad occidental de Cuba. Durante los meses correspondientes al período poco lluvioso, la mitad occidental del país es mayormente influenciada por anticiclones migratorios continentales (Torres et al., 2020Torres, E.; Lecha, L.; Sánchez, L. & Verdecia, Y. 2020. Catálogo de los tipos de situaciones sinópticas que influyen sobre Cuba. DOI: http://doi.org/10.13140/RG.2.2.12542.20802). Sin embargo, en 2021 esta situación predominó durante 10 meses del año. Esto provocó que durante los meses del período lluvioso no predominara la influencia del anticiclón del Atlántico, excepto en el mes de junio.

Se calculó el porciento que representó cada TSS del total de días de 2021 que se analizaron (figura 6a). Se realizó el mismo procedimiento para el primer trimestre del 2022 (figura 6b).

Las diferencias del comportamiento de los TSS en el 2021 con respecto al 2022 mostradas en la figura 6a y figura 6b están asociadas principalmente al período que abarcó el estudio. Los TSS V y IX no se presentaron en ninguno de los días estudiados.

El TSS V corresponde a la influencia de zonas de convergencia. Este TSS suele afectar la mitad occidental del país principalmente en los meses correspondientes al período lluvioso, pero con baja frecuencia. La ausencia de días con el TSS IX pudo deberse a que los pocos casos de difícil comprensión fueron reexaminados y asignados a un subtipo específico (Torres et al., 2020Torres, E.; Lecha, L.; Sánchez, L. & Verdecia, Y. 2020. Catálogo de los tipos de situaciones sinópticas que influyen sobre Cuba. DOI: http://doi.org/10.13140/RG.2.2.12542.20802).

Correlación entre los TSS y las concentraciones de O₃

Los meses durante los cuales se presentaron mayores concentraciones horarias de O₃ se caracterizaron por la influencia de masas de aire continental, ya sea por la presencia de anticiclones migratorios continentales, bajas extratropicales o frentes fríos. Además, las mayores concentraciones de O₃ correspondieron a los meses del período poco lluvioso.

También se analizó la distribución de las concentraciones medias diarias (figura 7) de O₃ según el TSS. Las concentraciones medias diarias de O₃ más elevadas correspondieron al TSS VIII, seguida la VII y I. Las mayores dispersiones también se obtuvieron para el TSS VIII. Este resultado puede deberse a la prevalencia de dicho TSS durante el período estudio. El TSS al cual estuvieron asociados los valores más bajos de concentraciones de O₃, así como las menores desviaciones fue el III.

Las concentraciones máximas diarias (figura 8) más altas correspondieron al TSS VIII, así como las mayores desviaciones. Este resultado puede deberse a la prevalencia de dicho TSS durante el período estudio. Al igual que en el caso de las concentraciones medias diarias, los valores mínimos correspondieron al débil gradiente bárico. Este TSS también presentó las menores desviaciones.

El valor de los coeficientes obtenidos sugiere una correlación (tabla 3) que va de baja a moderada entre las concentraciones de O₃ y los TSS. Los valores de los coeficientes obtenidos pueden ser explicados debido al corto período de tiempo que abarcó el estudio, lo que no permite que sea representativo del comportamiento de las condiciones climáticas en la mitad occidental del país. La prevalencia de la influencia anticiclónica continental durante casi todo el período analizado es también una de las causas por las cuales no se pudo establecer una alta correlación entre las concentraciones de O₃ y los TSS.

De forma general las concentraciones de O₃ aumentaron durante los días posteriores al paso de una zona frontal, lo cual se corresponde con lo planteado por Ramírez (1989)Ramírez, J. (1989). Estudio de las variaciones en las concentraciones de ozono troposférico en Cuba y su vinculación con algunos fenómenos meteorológicos. Tesis de Doctorado en Ciencias Geográficas, Universidad de La Habana, La Habana, Cuba, 100 p., Collazo (2011)Collazo, A. (2011). Análisis de la contaminación transfronteriza y local de contaminantes gaseosos precursores de la depositación ácida húmeda y formación de ozono en Cuba. Tesis en opción al grado de Magíster en Gestión y Planificación Ambiental, Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile. y López et al. (2018)López, R.; Bolufé, J.; Sosa, C.; García E.; Manso, R.; Cuesta, O & Iraola, C. (2018). Evaluación de riesgos para la salud y la vegetación por los contaminantes atmosféricos: SO2, NO2, PM10 y O3 en áreas de Cuba. Resultado P211LH007-019. Programa de Meteorología y Desarrollo Sostenible.. El aumento de las concentraciones de O₃ se debe a la contaminación transfronteriza, evidenciada en el transporte de contaminantes procedente de Norteamérica por la masa de aire continental que sucede al paso de la zona frontal.

Durante el período de estudio Cuba fue afectada de forma directa por 17 frentes fríos. Se analizaron las concentraciones medias diarias, máximas y mínimas de O₃ antes, durante y después del paso de los frentes fríos. De forma general las concentraciones de O₃ fueron inferiores días antes del paso del frente frío respecto a los días posteriores al paso del frente.

La figura 9 muestra la marcha diaria de O₃ correspondiente al 4 de marzo de 2021, día durante el cual una zona frontal afectó la mitad occidental del territorio cubano. Puede apreciarse el aumento de las concentraciones horarias de O₃ durante los días posteriores al paso del frente frío respecto a los días anteriores y al propio día del paso de este.

Impacto del O₃ troposférico en la producción de papa

La tabla 4 muestra los resultados obtenidos para el análisis del impacto de la exposición al O₃ troposférico en el cultivo de la papa de enero a marzo en 2021 y 2022.

El valor de AOT40 obtenido para el primer trimestre de 2021 superó los 6000 µg/m³.h, que es el umbral a partir del cual las afectaciones en los cultivos pueden ser superiores al 5% (Sompriti et al., 2022Sompriti, D.; Shahana, B.; Gufran, B. & Bandarusatya, M. (2022). Impact assessment of surface ozone exposure on crop yields at three tropical stations over India. Indian Institute of Tropical Meteorology (IITM). DOI: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1775269/v2.). Durante el período analizado de 2022 el valor del AOT40 no superó los 6000 µg/m³.h.

Los valores de AOT40 para el primer trimestre de 2021 y 2022 permitieron estimar una pérdida de rendimiento relativo del cultivo de 1.4 % y 1.3% respectivamente. Debe tenerse en cuenta que la papa es un cultivo moderadamente sensible al O₃ (Mills et al., 2007Mills, G.; Buse, A.; Gimeno, B.; Bermejo, V.; Holland, M.; Emberson, L. & Pleijel, H. (2007). A synthesis of AOT40-based response functions and critical levels of ozone for agricultural and horticultural crops. Atmospheric Environment 41 (2007) 2630–2643. DOI: http://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.11.016). Además, las concentraciones medias de O₃ en Cuba son inferiores a las obtenidas por otros autores en otras latitudes (Mills et al., 2007Mills, G.; Buse, A.; Gimeno, B.; Bermejo, V.; Holland, M.; Emberson, L. & Pleijel, H. (2007). A synthesis of AOT40-based response functions and critical levels of ozone for agricultural and horticultural crops. Atmospheric Environment 41 (2007) 2630–2643. DOI: http://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.11.016; Hollaway et al., 2012Hollaway, M.; Arnold, S. R.; Challinor, A. J. & Emberson, L. D. (2012). Intercontinental trans-boundary contributions to ozone-induced crop yield losses in the Northern Hemisphere. Biogeosciences, 9, 271–292, 2012. DOI: http://doi.org/10.5194/bg-9-271-2012.). Por tanto, las estimaciones de los daños obtenidos en este estudio son inferiores a las sugeridas por otros autores para el caso del cultivo de la papa (Mills et al., 2007Mills, G.; Buse, A.; Gimeno, B.; Bermejo, V.; Holland, M.; Emberson, L. & Pleijel, H. (2007). A synthesis of AOT40-based response functions and critical levels of ozone for agricultural and horticultural crops. Atmospheric Environment 41 (2007) 2630–2643. DOI: http://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2006.11.016; Hollaway et al., 2012Hollaway, M.; Arnold, S. R.; Challinor, A. J. & Emberson, L. D. (2012). Intercontinental trans-boundary contributions to ozone-induced crop yield losses in the Northern Hemisphere. Biogeosciences, 9, 271–292, 2012. DOI: http://doi.org/10.5194/bg-9-271-2012.; Suganthy and Udayasoorian, 2020Suganthy, V.S. & Udayasoorian, C. (2020). Ambient and elevated ozone (O₃) impactson potato genotypes (solanum tuberosum.l) over a high altitude western Ghats location in southern india. Department of Agriculture, Karunya Institute of Technology and Sciences, Coimbatore, Tamil Nadu, India. Plant Archives Vol. 20, Supplement 2, 2020 pp. 1367-1373, ISSN:2581-6063 (online), http://www.plantarchives.org/SPL%20ISSUE%2020-2/219__1367-1373_.pdf).

Se tuvieron en cuenta los datos de la cantidad de hectáreas sembradas de papa en San José de las Lajas, la cantidad de toneladas cosechadas, el rendimiento en toneladas por hectáreas (ton/ha.) del cultivo y el valor de la producción. A partir de estos valores se determinó la CPL y la EL para el primer trimestre de 2021 y 2022. Los resultados se muestran en la tabla 5.

Las mayores pérdidas económicas estimadas correspondieron al primer trimestre del año 2021. Esto se debe a que en dicho período se superó la CMA para la vegetación durante mayor cantidad de horas que en el trimestre analizado de 2022.