Introducción

El monitoreo ambiental es la acción de tomar lecturas, medidas y evaluaciones de variables físicas, químicas y biológicas, en un periodo de tiempo determinado, a fin de conocer tanto los cambios como el seguimiento del estado ambiental y el grado de conservación que tienen los recursos naturales en una zona geográfica. Es la clave para la gestión ambiental, ya que genera información que permite planear la implementación de medidas que limiten, atenúen o eviten el deterioro ambiental, así como apoyar en el establecimiento y seguimiento de programas, normas, planes y proyectos para los procesos productivos (^{Yáñez-Narváez, 2022}).

El monitoreo ambiental se realiza comúnmente con estaciones en tierra, presentando el inconveniente de tener altos costos y validez espacial limitada (^{Oliveira & Rodrigues, 2011}). Su objetivo principal es identificar las fuentes de las alteraciones ambientales para supervisarlas, fiscalizarlas y sancionarlas de acuerdo con el nivel de afectación que se les atribuya (^{Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental [OEFA], 2017}). Se realiza principalmente en las grandes ciudades donde se considera que se genera más contaminación y se concentra la mayor importancia social y económica (^{Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales [Semarnat], 2018}), por lo que se dejan de lado las zonas rurales, ya que comúnmente se cree que sus actividades son de bajo impacto ambiental.

La Norma Oficial Mexicana NOM-156-SEMARNAT-2012, publicada el 16 de julio de 2012, establece la obligatoriedad de realizar el establecimiento y operación de sistemas de monitoreo de calidad del aire para asentamientos humanos con más de 500 000 habitantes o con emisiones superiores a 20 000 toneladas anuales de contaminantes criterio primarios; zonas metropolitanas y conurbaciones; así como lugares donde se desarrollen actividades industriales que, por sus características, requieran del establecimiento de estaciones de monitoreo de calidad del aire o de muestreo de contaminantes atmosféricos (^{Diario Oficial de la Federación [DOF], 2012}). Esta norma está enfocada a ciudades, asumiendo que son los lugares donde más contaminación se genera. No obstante, varias actividades relacionadas con el sector agropecuario utilizan de forma intensiva los recursos naturales y los contaminan, afectando al ambiente y la salud humana (^{Ruiz-Villavicencio et al., 2020}).

El monitoreo tradicional de zonas extensas, como las rurales, implica altos costos y una logística complicada; sin embargo, el desarrollo de tecnología satelital ha permitido monitorear la contaminación en estas zonas a bajo costo y en tiempo cuasi real. Además, con la observación de otras características de la superficie terrestre se han comenzado a proponer índices que estiman la calidad ambiental y sus variaciones espaciotemporales (^{Dobbie & Dail, 2014}; ^{SkyWatch, 2022}). La mayoría de estos índices se han enfocado en la salud humana y han dejado de lado las múltiples afectaciones de las actividades antropogénicas.

El objetivo del presente artículo es desarrollar un índice de calidad ambiental (ICA) que incluya variables afectadas por la actividad cañero-azucarera, como la concentración de carbono negro (BC), la temperatura del suelo (TS) y los índices: normalizado de área quemada (NBR) y de vegetación mejorado (EVI). El efecto de estas variables no se reduce a su afectación en la salud humana, sino que también se relaciona con la calidad de los suelos, con la productividad agrícola y, en general, con el ambiente local y global.

La zafra es el periodo de cosecha e industrialización de la caña de azúcar, que abarca aproximadamente seis meses de cada año (^{Agricultura Puebla, 2018}). En este tiempo se suscitan actividades de alto impacto ambiental, desde la quema de los cañaverales durante la cosecha hasta la combustión de biomasa y de combustibles fósiles en los ingenios azucareros (^{Cardoso et al., 2017}). Además, se genera un importante afluente de vehículos de carga pesada; por ejemplo, tan solo en México se movilizan más de 7000 unidades durante este periodo (^{Comisión Nacional para el Desarrollo Sustentable de la Caña de Azúcar [Conadesuca], 2022}).

El análisis de la presente investigación comprendió los meses de diciembre de 2021 a octubre de 2022, para abarcar los meses que se prolongó la zafra 2021-2022 más 90 días posteriores a la culminación de la misma a fin de analizar la variación entre ambos periodos.

El BC es uno de los principales contaminantes del aire que son emitidos durante la zafra. Se origina por la combustión ineficiente e incompleta de biomasa y de combustibles fósiles y es capaz de absorber la luz solar, retenerla y transformarla en calor. Se considera el segundo mayor precursor de cambio climático, con un potencial de calentamiento equivalente al 55% del atribuido al dióxido de carbono (CO₂) (^{Liu et al., 2022}). Además, está asociado a daños en la salud humana por paros e insuficiencia cardiacos (^{Burroughs-Peña & Rollins, 2017}); derrames sanguíneos (^{Mordukhovich et al., 2009}); cáncer de pulmón (^{Yong et al., 2019}); bronquitis crónica, asma y enfisema (^{Paunescu et al., 2019}); bajo peso al nacer (^{Bové et al., 2019}); así como deshidratación grave, disfunción renal aguda y genotoxicidad (^{Chaudhuri et al., 2017}). Dada la asociación de sus emisiones con otros contaminantes altamente nocivos, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), el BC también es considerado el principal indicador de la calidad del aire en la salud humana (^{Casares-Long et al., 2020}).

Otro efecto relacionado con la quema de caña de azúcar es la pérdida o descomposición de materia orgánica, tanto aérea como subterránea. Cuanto más severa es la quema, más afecta los procesos de la superficie quemada: muerte de la vegetación, invasión de plantas tóxicas, supervivencia de semillas, función hidrológica del suelo, cambios subterráneos de flora y fauna, disminución de rebrotes y variaciones estructurales del suelo, que pueden afectar a los procesos erosivos (^{Keeley, 2009}). La severidad de la quema se puede determinar a través de índices de vegetación como el NBR.

Con las quemas, además, se incrementa la TS, un parámetro fundamental en la agricultura, ya que determina el éxito de la germinación y el desarrollo de las plantas. De forma natural, los valores de la TS se encuentran en función de la estación y la radiación solar; sin embargo, actividades como las quemas de residuos agrícolas alteran dichos valores y modifican las características biológicas, químicas y físicas de los suelos (^{Moitinho et al., 2021}).

Además, temperaturas demasiado bajas o altas matan los organismos del suelo y las plantas. Se ha observado que los cultivos ralentizan su desarrollo a partir de los 32 °C, y a los 60 °C las bacterias del suelo mueren por el calor. Asimismo, a partir de los 38 °C la vegetación no puede absorber suficiente humedad y pierde hasta un 85% de ésta debido a la evapotranspiración (^{EOS Data Analytics, 2023}). Aunado a ello, cuando se superan estas temperaturas, el riego es poco recomendable, ya que la mayoría de los aportes de agua se convertirán en residuos debido a la rápida evaporación, sin contar que las gotas de agua refractadas podrían actuar como lupa y quemar la vegetación. Dado lo anterior, y de forma general, el intervalo de temperaturas para el desarrollo de los cultivos se encuentra entre los 20 °C y los 35 °C (^{Onwuka & Mang, 2018}).

Por otra parte, indicadores como la vigorosidad de la vegetación se ven afectados tras la realización de una quema, lo cual se ve reflejado en las funciones propias de la vegetación. Con el EVI se puede medir el nivel de salud de la vegetación en un área determinada, dicho índice es similar al índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), pero en éste se corrigen algunas condiciones atmosféricas y el ruido de fondo del dosel, además de ser más sensible en áreas con vegetación densa (^{EOS Data Analytics, 2023}). Su valor fluctúa entre -1 y 1, y es muy útil para analizar pronósticos de rendimiento, patrones de crecimiento y mapeo de la fenología de cultivos, así como para detectar las características de la cobertura del suelo (^{Sharma, 2020}).

En los últimos años se han creado varios índices de calidad ambiental (ICA) en diferentes partes del mundo. Aunque la mayoría de estos han sido diseñados para grandes ciudades y se han enfocado en la salud humana, algunos otros han considerado múltiples afectaciones a través de diversos métodos y con variables de diferente naturaleza (Tabla 1).

De igual forma, los ICA implementados para México se monitorean sólo en las ciudades más grandes del país, como: el IMECA para la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM) (^{Comisión Ambiental de la Megalópolis, 2018}); los índices aire y salud y calidad del aire CDMX (^{Gobierno de la Ciudad de México, 2022}); el índice aire y salud del sistema nacional de información de calidad del aire (Sinaica) (^{Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático [INECC], 2022}); los índices aire y salud y calidad del aire AMG (^{Secretaría de Medio Ambiente y Desarrollo Territorial [Semadet], 2022}); y el índice aire y salud Nuevo León (^{Secretaría de Medio Ambiente, 2022}), por mencionar algunos.

En este ICA se otorgó un mayor peso a la variable BC (40%) por la multiplicidad de sus afectaciones; sin embargo, es necesario considerar el énfasis que se le quiera dar al ICA, ya que si, por ejemplo, estuviera enfocado a las afectaciones específicas a los ecosistemas locales o a la agricultura, se podría asignar un mayor peso al EVI, al NBR o a la TS. En cualquiera de los casos, se conmina al mayor énfasis en la propuesta metodológica.

Materiales y métodos

Área de estudio

La zona cañera de San Luis Potosí se extiende a más de 90 000 ha en la región huasteca del estado y produce casi 5 000 000 de toneladas de caña de azúcar anualmente (^{Conadesuca, 2022}). El total de la producción se procesa en los cuatro ingenios establecidos en la entidad: Plan de Ayala, ubicado en la cabecera municipal de Ciudad Valles; Plan de San Luis, situado en la comunidad La Hincada del municipio de Ciudad Valles; Alianza Popular, establecido en la comunidad Tambaca, municipio de Tamasopo; y San Miguel del Naranjo, que se encuentra en la cabecera del municipio de El Naranjo (Figura 1).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 1 Ingenios azucareros de San Luis Potosí y sus zonas de abasto 

Resultados

Con el análisis realizado se evidenció el incremento en las concentraciones de BC durante la temporada de zafra, con respecto a la de no zafra. Las concentraciones más elevadas se suscitaron durante el mes de enero de 2022, con niveles que superaron los 1.8 µg/m³, en tanto que la más baja fue de 0.13 µg/m³, durante la segunda quincena del mes de junio, al terminar la temporada de zafra. De forma general, las concentraciones fueron considerablemente más bajas (hasta a una tercera parte) en la temporada de no zafra, con respecto a la de zafra. A inicios del mes de julio se observa un ligero repunte que puede estar propiciado por la salida del producto procesado a los puntos de distribución, para posteriormente descender a niveles que no sobrepasan los 0.4 µg/m³, siendo los más bajos de todo el periodo (Figura 2).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 2 Carbono negro (BC) en la zona cañera de San Luis Potosí. 

De acuerdo con ^{Suárez et al. (2017)}, el albedo reduce cuando el BC se deposita en la nieve, ocasionando calentamiento y mayor fusión. La deposición de entre 100 ng y 300 ng de carbono negro por gramo de agua (ng−BC/g1−H₂O) puede reducir el albedo entre 2.7% y 6%, mientras que una reducción continua del albedo de entre 2% y 5.2% podría dar lugar a un incremento en la escorrentía de entre 70 mm y 204 mm, provocando el derretimiento de los polos e incrementando el nivel del océano.

En lo referente a los efectos en la salud humana, la OMS indica que la exposición de la población a 10 µg/m³ de BC, en el corto plazo, puede incrementar la mortalidad en 0.9% por enfermedades cardiovasculares, o en 0.7% por otro tipo de enfermedad, mientras que una exposición prolongada a 1 µg/m³ incrementaría en 6% el riesgo de muerte (^{Janssen et al., 2012}). Adicionalmente, ^{Tobias et al. (2014)} concluyeron que cada incremento de 1.4 µg/m³ de BC aumenta el riesgo de mortalidad respiratoria en 10%.

Por otra parte, el NBR mostró que la superficie cañera del estado se quema de forma escalada, a medida que avanza la zafra. Desde el mes de diciembre se pueden apreciar áreas con quemas de severidad baja, aunque con manchones que llegan a la severidad moderada-alta. El máximo de las quemas se realizó durante el mes de enero, cuando en la mayor parte de la superficie se aprecian quemas con severidad baja y en menor escala las de severidad mayor. Para los meses de mayo y junio, hacia el final de la zafra, se puede ver que las áreas quemadas durante los meses anteriores ya cuentan con rebrotes, y en septiembre se comienzan a suscitar quemas esporádicas, probablemente para preparar los terrenos para el próximo ciclo de cosecha (Figura 3).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 3 Índice normalizado de severidad de áreas quemadas (dNBR) en la zona cañera de San Luis Potosí. 

Cuando se realizan quemas de baja severidad, algunas hojas de las plantas permanecen verdes aunque los tallos se quemen. La basura superficial, musgos y hierbas son carbonizadas o consumidas. La capa orgánica del suelo permanece intacta en su mayoría, con carbonización limitada a pocos milímetros de profundidad. En cambio, cuando la severidad de la quema va de lo moderado a lo severo, todas las plantas del sotobosque, las ramas finas muertas en la superficie y los troncos son carbonizados o consumidos y la capa orgánica del suelo es en gran parte consumida (^{Keeley, 2009}).

En lo referente a la TS, las quemas propician su incremento, provocando que exista una relación directa entre esta variable y la época de la zafra, sin olvidar que la TS también está relacionada con las variaciones en la temperatura atmosférica. La menor TS media mensual se registró durante el mes de enero de 2021 y fue de 17 °C. Hasta la primera quincena del mes de febrero de 2022, las temperaturas se mantuvieron en rangos en los que la vegetación y los procesos edáficos se pueden desarrollar de forma adecuada; sin embargo, a partir de la segunda quincena de febrero, las temperaturas superaron los 36 °C en una importante proporción de la superficie de la zona. Para el mes de mayo de ese año, casi la totalidad de la superficie de la zona cañera reportó una temperatura máxima superior a los 51 °C, con una mínima de 30 °C.

A partir del mes de junio, la TS comenzó a descender, lo cual coincide con los cambios naturales de temperatura ambiente, pero también con el final de la zafra, por lo que para el mes de septiembre se vuelven a registrar TS más aptas para la vegetación y particularmente para la agricultura. En la mayoría de los meses hay un patrón de descenso de las temperaturas del suelo de este a oeste, probablemente por la influencia del incremento de la altitud de las formaciones de la Sierra Madre Oriental, lo que limita al oeste de la región cañera potosina (Figura 4).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 4 Temperatura del suelo (TS) en la zona cañera de San Luis Potosí. 

Según ^{de Celis et al. (2013)}, a partir de los 40 °C se detiene la actividad biológica y se frenan los procesos edafogénicos. La TS es particularmente importante en la agronomía, ya que afecta el desarrollo radicular de las plantas, la absorción de agua y nutrientes por parte de las raíces, la germinación de las semillas, los procesos de respiración de las raíces, así como los brotes de las yemas.

El EVI, otra de las variables analizadas, tiene un rango de valores de -1.0 a 1.0, en función de la reflectancia de la superficie del suelo. Aunque algunos autores han establecido que un EVI con valores entre 0.2 y 0.8 denotan una vegetación sana (^{EOS Data Analytics, 2023}), en general se puede decir que una vegetación saludable muestra valores cercanos a 1.0, mientras que suelos completamente descubiertos o con vegetación muerta muestran valores de -1.0. Por lo tanto, existe una relación directa entre el valor del EVI y la salud de la vegetación (^{Vian et al., 2018}).

El EVI para la zona de estudio se mantuvo entre 0.2 y 0.4, a excepción de la parte noreste, en donde ya se habían realizado quemas. En los meses subsecuentes, los valores disminuyeron paulatinamente hasta el mes de junio, pero a partir de julio comenzaron a incrementarse nuevamente (durante la temporada de no zafra) hasta alcanzar valores que superan el 0.5. Durante el periodo de análisis, la zona de abasto del Ingenio Plan de Ayala mantuvo los menores valores y la zona de Alianza Popular los más altos (Figura 5).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 5 Índice de vegetación mejorado (EVI) en la zona cañera de San Luis Potosí. 

Como se puede observar, las variables descritas están relacionadas con la actividad cañero-azucarera de San Luis Potosí, sobre todo durante la temporada de zafra. Por ello, se utilizaron para proponer un ICA que, a diferencia de otros, se enfoca en los efectos ambientales, productivos y de salud humana. La zafra 2021-2022 en San Luis Potosí al 100% de capacidad agroindustrial comenzó en el mes de diciembre de 2021, y el pico de producción se ubicó en el mes de enero de 2022, para después comenzar a descender de forma paulatina hasta el final de la zafra (15 de junio de 2022) (^{Unión Nacional de Cañeros A. C., 2022}).

Se encontró que, durante el mes de diciembre de 2021, el ICA predominante en la zona cañera de San Luis Potosí fue regular; no obstante, se encontraron algunas zonas con un ICA bueno en el Ingenio San Miguel del Naranjo, así como pequeños manchones en donde el ICA llegó a ser malo en los Ingenios Plan de Ayala y Alianza Popular.

Asimismo, durante el mes de enero de 2022, los Ingenios Plan de Ayala de Ciudad Valles y Alianza Popular de Tamasopo mostraron mala calidad ambiental prácticamente en toda su superficie, incluso alcanzando en algunas partes la peor categoría de ICA.

El Ingenio Plan de San Luis de Ciudad Valles mostró una transición entre una calidad ambiental de mala a regular, mientras que la mayor parte del Ingenio San Miguel del Naranjo en el municipio del Naranjo mantuvo su calidad ambiental en estatus de regular durante el mismo mes (enero de 2022).

Durante los siguientes tres meses la calidad ambiental comenzó a mejorar para llegar a ser buena prácticamente en toda la zona cañera, a partir del mes de abril de 2022, manteniendo la característica de ser peor en la parte sur y mejorar gradualmente hacia el norte.

Para el mes de junio, cuando concluyó la zafra y durante los meses subsecuentes, se mantuvo una calidad ambiental buena en la mayor parte de la superficie, alcanzando a ser muy buena en varias zonas (Figura 6).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 6 Índice de calidad (ICA) propuesto para superficies cañeras, aplicado a la zona cañera de San Luis Potosí. 

Discusión

Habitualmente, el monitoreo de contaminantes del aire se realiza solo en las grandes ciudades y en países en donde se cuenta con extensas redes de estaciones de monitoreo directo, descuidando las zonas rurales y agrociudades en donde algunas actividades también son causantes de altas emisiones. El uso de tecnologías de vanguardia como la satelital permiten el monitoreo de estos contaminantes (como el BC), además de otros indicadores de la atmósfera, en superficies extensas, en tiempo cuasi real y a bajo costo. Ello permite mejorar la certidumbre en la estimación de la afectación de las actividades naturales y antropogénicas en el ambiente y la salud humana, así como coadyuvar en políticas enfocadas en la reducción de las emisiones generadas.

Además, con el procesamiento de las imágenes de satélite se pueden crear índices que, mediante la identificación de la afectación de más servicios ecosistémicos como el calentamiento global, la salud humana o la productividad agrícola, determinen la calidad ambiental. Los ICA se pueden construir con variables relacionadas con actividades antropogénicas como la producción e industrialización de caña de azúcar.

Es conveniente mencionar que, en una escala ordinal, el orden de las opciones de respuesta es el aspecto más importante y no la cuantificación de la diferencia en los niveles, ya que ésta es relativa. En este caso, la categorización de cada variable tuvo criterios específicos, como en la temperatura del suelo, que obedeció al efecto sobre la vegetación y en el NBR, en donde se tomó de la escala de USGS. La reclasificación para el ICA constó de una escala simétrica en donde los valores ascendentes de cada variable se acomodaron de mejor a peor o viceversa, de acuerdo con su efecto.

Un ICA en escala ordinal permite visualizar geográficamente las diferencias espaciales y temporales en la calidad ambiental, en base a las variables incluidas, entendiendo que es una estimación de los efectos conjugados de las mismas, ya que la cuantificación exacta de los efectos es complicada debido a la naturaleza y escalas de cada variable, por ejemplo, los ºC de la TS y las unidades adimensionales del EVI y el NBR.

Con el análisis realizado se pudo constatar que las variables incluidas en el ICA propuesto están influenciadas por la temporada de zafra. De esta forma, durante el mes de enero de 2022, cuando se alcanzó el pleno de la cosecha de la caña de azúcar y su procesamiento en San Luis Potosí, también se tuvieron los niveles más altos de BC y NBR y los más bajos de EVI.

Asimismo, se observó que durante el resto de los meses que duró la zafra, el ICA no rebasó el nivel de regular y se incrementó hasta llegar a niveles buenos, posterior a su culminación. En el mismo sentido, se puede apreciar una diferencia entre el ICA de las áreas de abasto de los diferentes ingenios, lo que está relacionado con las características de los distintos procesos agrícolas y agroindustriales, como el método de cosecha, las características de la maquinaria y equipo y el uso de aditamentos para reducir emisiones, entre otros.

En esta investigación se desarrolló un ICA que contiene factores que afectan el ambiente, la agricultura y la salud humana. Derivado de los resultados obtenidos, se considera relevante realizar investigaciones posteriores en donde se experimente con más indicadores, se varíen los pesos asignados a cada variable y se extienda el periodo de análisis para observar y analizar las variaciones espaciotemporales.

Se podría considerar el ICA desarrollado como exploratorio, ya que para robustecer la validez de sus resultados habría que incluir más áreas, un análisis de más tiempo, así como identificar e incluir más variables que contribuyan a la determinación del índice. No obstante, su principal aportación lo constituye la propuesta metodológica que puede sentar el precedente para sistemas de vigilancia que coadyuven en la creación o adecuación de políticas ambientales enfocadas a la reducción de las emisiones de la actividad cañero-azucarera en el estado y el país.

Conclusiones

El desarrollo tecnológico permite que actualmente se pueda realizar el monitoreo de la calidad ambiental en zonas donde habitualmente no se realizaba, por su complejidad y altos costos. Con el monitoreo continuo se pueden construir sistemas de vigilancia accesibles y oportunos que coadyuven en la calidad del ambiente, especialmente en zonas en donde se desarrollan actividades de alto impacto para los sistemas productivos, para la salud humana y, en general, para el ambiente. Un ejemplo lo constituyen las zonas en donde se produce e industrializa la caña de azúcar, como la del estado de San Luis Potosí, en donde varias de sus actividades, particularmente las realizadas durante la temporada de zafra, ocasionan efectos altamente nocivos.

El BC, segundo precursor del calentamiento global, y uno de los principales indicadores de la calidad del aire para la salud humana, es un claro ejemplo de cómo la actividad cañero-azucarera está relacionada con la contaminación del aire; además, otros recursos como el suelo y el agua también se ven afectados, lo que se comprobó con un índice de calidad ambiental que muestra que, durante la temporada de zafra, la calidad ambiental de la zona empeora. Por lo anterior, se considera que la adopción y masificación en el uso de tecnologías de vanguardia, como la satelital, constituyen una herramienta importante para crear y dar seguimiento a medidas enfocadas en la mitigación de las problemáticas ambientales actuales.

El ICA desarrollado es un buen punto de partida para investigaciones posteriores que amplíen la profundidad del análisis desde todos los puntos de vista para robustecer la validez de los resultados. Se espera que el ICA se convirtiera en una sólida herramienta de información que proporcione elementos confiables para los tomadores de decisiones en la creación de mecanismos que coadyuven en la reducción de emisiones de diferentes actividades económicas, las cuales tradicionalmente no han sido consideradas en las agendas ambientales estatales y nacionales.

Conflicto de interés

Los autores del presente manuscrito declaramos que no tenemos ningún tipo de conflicto de interés financiero, personal o profesional que pudiera haber interferido con la objetividad de los resultados, el análisis y las conclusiones emitidos en el presente trabajo de investigación.