emisiones biogenicas

Instituto Nacional de Ecologa (INE-SEMARNAT)Perifrico sur 5000. Col. Insurgentes Cuicuilco, C.P. 04530. Mxico, D.F.Internet: www.ine.gob.mx

COORDINACIN EDITORIAL Y TIPOGRAFA: Ral Marc del Pont Lalli

DISEO DE LA PORTADA: lvaro Figueroa

FOTO DE LA PORTADA: Claudio Contreras Koob

CORRECCIN DE ESTILO: Eduardo Chagoya Medina

ISBN: 968-817-699-0

Impreso y hecho en Mxico

D.R.

Primera edicin: noviembre de 2004

Emisiones biognicasLas emisiones de compuestos orgnicosvoltiles no metano de la vegetacin y

xido ntrico del suelo

Erik Velasco y Rosa Mara Bernab

SECRETARA DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALESINSTITUTO NACIONAL DE ECOLOGA

ndice

Agradecimientos 9Prefacio 11Introduccin 13

CAPTULO PRIMERO 15Emisiones naturales y biognicas a la atmsfera 15Las emisiones generadas por la vegetacin 20Las emisiones de xido ntrico de los microorganismos del suelo 29La qumica atmosfrica y las emisiones biognicas 38

CAPTULO SEGUNDO 43Estimacin de las emisiones biognicas 43Mtodos para estimar las emisiones biognicas 43Cuantificacin de emisiones de xido ntrico del suelo 62Aplicacin de los inventarios de emisiones biognicas 64

CAPTULO TERCERO 67Las emisiones biognicas en Mxico 67Las emisiones biognicas a escala regional en Norteamrica 67Qu falta por hacer en el campo de las emisiones biognicas en Mxico? 78

BIBLIOGRAFA 81

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen las contribuciones y sugerencias de Irma Rosasde la Universidad Nacional Autnoma de Mxico (UNAM) y de JuliaCern del Centro Nacional de Investigacin y Capacitacin Ambien-tal (CENICA), as como de todos aquellos que de manera desinteresa-da contribuyeron a la realizacin de esta obra.

11 PREFACIO

Prefacio

11

Dentro del manejo integral de la calidad del aire los sistemas demonitoreo atmosfrico, los inventarios de emisiones y los modelosnumricos de formacin y dispersin de contaminantes constituyenherramientas bsicas para establecer estrategias eficientes de control yreduccin de contaminantes. Las emisiones biognicas provenientesde la vegetacin y de los microorganismos del suelo son importantesdentro de este manejo integral debido a su alta reactividad en la at-msfera, por lo que en reas con problemas de contaminacinfotoqumica contribuyen de manera adicional a las emisionesantropognicas en la formacin de ozono y otros contaminantes txi-cos. Es importante sealar que la vegetacin y el suelo no son fuentesemisoras de contaminantes, sino que sus emisiones forman parte delos ciclos naturales del planeta.

El presente trabajo pone a disposicin del lector una revisin delos conceptos bsicos y aspectos relevantes de las emisiones biognicastanto para aquellos que conocen del tema como para quienes deseanincursionar e iniciarse en esta materia. Se presentan tambin algunosde los estudios realizados hasta la fecha en Mxico y se sugieren lectu-ras de consulta para quienes deseen ahondar en temas especficos.Entre los tpicos tratados aqu se incluyen, en el primer captulo, unpanorama general de las emisiones biognicas as como sus tcnicasde medicin y el papel que juegan en la qumica atmosfrica. El cap-tulo segundo presenta los mtodos para evaluar las emisiones

12 EMISIONES BIOGNICAS

biognicas, los factores de emisin, as como las aplicaciones de losinventarios. Finalmente, en el ltimo captulo se aborda la situacinque guarda el conocimiento de los inventarios de emisiones biognicasen Mxico.

13 INTRODUCCIN

Introduccin

13

En reas con problemas de contaminacin atmosfrica de origenfotoqumico las emisiones provenientes de la naturaleza contribuyen (tan-to por su alta reactividad en la atmsfera como por su magnitud), juntocon las emisiones antropognicas a la formacin de ozono troposfricoy otros compuestos txicos. Esto altera la capacidad natural de la atms-fera para limpiarse, lo cual conduce, a su vez, a la generacin de impac-tos nocivos al hombre, la flora, la fauna y, en general, a todo el ambiente.

Las emisiones a la atmsfera generadas en la naturaleza formanparte de los ciclos propios del planeta, ayudan a regular la temperatu-ra a escala global, propician el balance qumico de la atmsfera y handeterminado en gran medida la evolucin de los ecosistemas. Si secomparan con las emisiones generadas por las actividades del hom-bre, llamadas emisiones antropognicas, se cuantifican en varios rde-nes de magnitud superior; como ejemplo se puede mencionar que laerupcin de un volcn emite ms gases y cenizas que cualquier plantatermoelctrica, en tanto que las emisiones antropognicas se concen-tran en reas especficas, como en grandes ciudades o en zonas indus-triales, donde son ms importantes que las emisiones provenientes dela naturaleza. Es importante sealar que las emisiones naturales no sonsusceptibles de ser controladas por si mismas, mientras que toda emi-sin antropognica s puede serlo.

En el diseo de estrategias para mejorar la calidad del aire, en elmbito global, regional y local es necesario considerar siempre las emi-

14 EMISIONES A LA ATMSFERA

siones naturales, por ejemplo, las de gases y partculas del volcnPopocatpetl que se localiza en la Meseta Central de Mxico debenincluirse en los planes para reducir los gases de efecto invernadero queprovocan el calentamiento global. En el mbito regional pueden llegara impactar a todo el pas, y a nivel local los estados de Puebla, Tlaxcalay el Valle de Mxico han llegado a registrar episodios con concentracio-nes significativas de compuestos potencialmente nocivos a la salud pro-venientes de sus exhalaciones.

15 CAPTULO PRIMERO

Captulo primero

15

EMISIONES NATURALES Y BIOGNICASA LA ATMSFERA

En el presente captulo se exponen las ideas en torno a los conceptos,hiptesis y mecanismos con los que se ha intentado explicar cmo yporqu las plantas y los microorganismos del suelo emiten compuestosconsiderados precursores de contaminantes secundarios (compuestosorgnicos voltiles biognicos, COVB, y xidos de nitrgeno), aunquea la fecha no ha sido posible entender a cabalidad todos los procesosbioqumicos que implican y an no se conocen todos los compuestosque los conforman. Esta seccin esta organizada de tal forma que per-mita conocer los principales compuestos que se han identificado comobiognicos, el proceso al que se asocia su emisin y el papel que tienenen la qumica de la atmsfera.

Fuentes naturales

Se considera que las fuentes naturales son aqullas que emiten com-puestos a la atmsfera generados por procesos tanto biticos comoabiticos, que no tienen influencia directa de actividades humanas. Losprimeros se encuentran presentes en todos los ecosistemas y procesosnaturales, desde el fitoplancton de los ocanos, que emite compuestosorgnicos voltiles, hasta la respiracin de los seres vivos que aportan


dixido de carbono, as como diversos gases derivados de la activi-dad de los microorganismos y la liberacin de fitohormonas por lasplantas, por mencionar algunos. Por otro lado, los abiticos incluyenlas fuentes geotcnicas, rayos, quema de biomasa, etc. (Guenther et al.2000).

Las fuentes geotcnicas, que agrupan a las erupciones volcnicas,fumarolas, giseres y otras actividades geotrmicas en la superficieterrestre llegan a superar en magnitud a las emisiones antropognicas.Estas fuentes emiten principalmente dixido de azufre, dixido decarbono, cido sulfhdrico, mercurio, cloro y en menor medida etano,propano y otros hidrocarburos voltiles no metnicos (Guenther et al.2000). Las regiones ms afectadas por este tipo de emisiones son, porlo general, reas de origen y con actividad volcnica, como Japn,donde se estima que el 60% de las emisiones de dixido de azufreprovienen de fuentes geotrmicas (Higashino et al. 1997).

Durante las tormentas elctricas se generan relmpagos, descargaselctricas de alto voltaje y temperatura que forman canales de ionizacinen la atmsfera, lo que provoca la disociacin del nitrgeno moleculary su posterior reaccin con oxgeno para formar xidos de nitrge-no, que llegan a ser precursores importantes del ozono troposfrico(Borucki y Chameides 1984, Price et al. 1997).

En pocas de estiaje es comn que se presenten incendios foresta-les, los cuales pueden ser provocados por relmpagos, intensa radia-cin solar, descuidos humanos, o bien por diversas prcticas agrcolascon el fin de eliminar desechos ganndole terreno al bosque. Estasdos ltimas causas son consideradas tambin emisiones naturales aun-que el hombre tenga intervencin en ellas. En los incendios forestalesse quema biomasa, lo que genera emisiones de dixido de carbono,xidos de nitrgeno, partculas e hidrocarburos voltiles no metano,principalmente alcanos, alquenos y acetileno (Radke et al. 1991, Barbosaet al. 1999). Estas emisiones son las responsables de altas concentra-ciones de ozono y xidos de nitrgeno en reas rurales en poca desecas (Cheng et al. 1998). Histricamente se ha observado que en aos

17 CAPTULO PRIMERO

de sequa las emisiones por incendios forestales son significativas anivel regional; cabe recordar que los incendios registrados en 1998 enel continente americano a causa de los efectos de El Nio, provoca-ron un incremento en las concentraciones de partculas y dixido decarbono en Mxico y Estados Unidos de Amrica (SMA 2001).

Uno de los principales gases de efecto invernadero emitido porlas fuentes naturales es el metano, que en su mayora es el resultado dela descomposicin anaerobia de la materia orgnica ocasionada porlas bacterias metanognicas. Estos microorganismos se asocian a lamicrobiota del tracto digestivo en animales, entre los que se puedemencionar a termitas y rumiantes; tambin se encuentran localizadosen los pantanos, cinegas, humedales, zonas lacustres y en el ocano(Wuebbles y Hayhoe 2002). Otra fuente importante es la volatilizacinde este compuesto en los depsitos de hidratos de los sedimentosmarinos (Buffet 2000).

La fuente ms importante de xidos de nitrgeno a escala globalse debe al ciclo natural del nitrgeno, en donde interviene la dinmicamicrobiana del suelo a travs de procesos de nitrificacin ydesnitrificacin. A nivel global se estima que los suelos aportan el 40%de la produccin total de xidos de nitrgeno, incluyendo emisionesantropognicas y naturales. Mediante procesos abiticos y biticos seemite xido nitroso y xido ntrico a la atmsfera, este ltimo juntocon el dixido de nitrgeno se conocen como xidos de nitrgeno, ytienen gran importancia en la produccin de oxidantes atmosfricoscomo el ozono. Las emisiones de estos xidos dependen adems dela composicin y caractersticas del suelo, de factores tales como lahumedad, la temperatura ambiental y la disponibilidad de compues-tos nutritivos para los microorganismos, entre otros (Williams et al.1992a).

En el aire existe una gran variedad de aerosoles de origen naturalque tienen gran influencia en diferentes procesos atmosfricos, comoen la dispersin de luz y en la formacin de nubes (Andreae y Crutzen1997). Son ejemplos de ello el polvo de tierras erosionadas, sales


marinas, fragmentos de plantas, lquidos provenientes de la fisiologade las plantas y compuestos formados a partir de las emisiones de lavegetacin, entre otros.

En reas forestales se ha encontrado recientemente que la activi-dad microbiana del suelo tiene un papel importante en la formacinde partculas naturales a travs de la emisin de gases que favoreceneventos de nucleacin y crecimiento de aerosoles (Bigg 2004). Estosgases son resultado de la descomposicin de materia orgnica y hoja-rasca, que se ven influenciados por las condiciones de temperatura yhumedad. Se estima que en regiones con alta densidad foliar, comoen el Amazonas en poca de lluvias, todas las fuentes naturales deaerosoles generan el 70% de las partculas menores a 10 m de di-metro (PM10) (Artaxo y Hansson 1995), tamao en el que son alta-mente eficientes como ncleos de condensacin en la formacin denubes (Roberts et al. 2001).

Como parte de los aerosoles naturales se encuentran tambin losde origen biolgico, que incluyen polen, esporas, hongos, algas, clu-las epiteliales, bacterias, algas, protozoos, virus y en general cualquierpartcula que haya sido liberada o formada a partir de compuestosprovenientes de plantas o animales (Main 2003). Los aerosoles biol-gicos son de gran relevancia para la salud humana, ya que son capacesde causar enfermedades infecciosas, alrgicas y txicas.

Los tejidos de las plantas contienen un gran nmero de compues-tos orgnicos, la mayora son sintetizados y almacenados en la mismaplanta, siendo slo algunos de ellos emitidos en cantidades suficientespara influir en la qumica de la atmsfera. Su patrn de emisin de-pende de la fuente dentro de la hoja, la trayectoria de difusin, lavolatilidad de los compuestos, o bien de factores ambientales talescomo condiciones de estrs o mecanismos de defensa de la propiaplanta. Estas emisiones incluyen compuestos altamente reactivos comoel isopreno, metilbutenol, terpenos, olefinas, aldehdos y cidos org-nicos, as como tambin compuestos menos reactivos como alcoho-les, cetonas y alcanos. Se conoce poco sobre los procesos de emisin,

19 CAPTULO PRIMERO

pero se sabe que el isopreno es producido en los cloroplastos por laactividad enzimtica y que depende adems de la disponibilidad decarbono fotosinttico (Silver y Fall 1995). Se han simulado con relati-vo xito las emisiones de isopreno siguiendo el algoritmo propuestopor Guenther et al. (1995) basado en la relacin de la actividadenzimtica con las variaciones diurnas de temperatura y radiacin so-lar. Se sabe que hay otros factores que podran influir, como el tipo devegetacin, edad, humedad, fenologa, presencia de organismospatgenos, poca del ao y el estrs hdrico as como la exposicin acontaminantes atmosfricos, pero an se requieren ms estudios alrespecto para lograr un mayor entendimiento de estos procesos(Guenther et al. 2000).

A los hidrocarburos emitidos por la vegetacin perteneciente algrupo de los compuestos orgnicos voltiles biognicos, junto conel xido ntrico proveniente del suelo tanto por la actividadmicrobiana como por procesos abiticos y los compuestos orgni-cos generados por el fitoplancton en los ocanos, se les denominaemisiones biognicas. Para la evaluacin y entendimiento de la cali-dad del aire estas emisiones son de gran importancia, ya que tienenun papel fundamental en la qumica troposfrica al ser compuestosprecursores de contaminantes secundarios (contaminantes que seforman a partir de otras sustancias). Las emisiones biognicas parti-cipan adems en los procesos de oxidacin, en la generacin einteraccin de aerosoles orgnicos secundarios (partculas finas condimetro menor a 2.5 m), en la qumica atmosfrica de los cidosorgnicos que finalmente contribuyen a la deposicin cida y en elbalance del ciclo global del carbono.

No considerar a las emisiones biognicas de compuestos precurso-res de ozono y otros contaminantes dentro de las estrategias destinadasa mejorar la calidad del aire ha dando lugar a impactos socioeconmicosadversos al disear estrategias inadecuadas (Chameides et al. 1988, Pierceet al. 1998), pues muchas veces se subestiman este tipo de emisiones.Por esta razn, en los ltimos aos han aumentado los esfuerzos, prin-


cipalmente en los Estados Unidos de Amrica y Europa, para enten-der mejor sus procesos de emisin, y mejorar as los mtodos de simu-lacin y obtener inventarios ms precisos de estos compuestos.

LAS EMISIONES GENERADAS POR LA VEGETACIN

Qu compuestos son emitidos?

Todas las plantas emiten compuestos orgnicos voltiles, entre los quese incluyen compuestos oxigenados (aldehdos y cetonas), compues-tos cclicos y lineales generalmente insaturados, siendo el isopreno yterpenos los compuestos predominantes. El cuadro 1 presenta unalista de los principales compuestos emitidos por la vegetacin con susrespectivos tiempos medio de vida basados en su reaccin con elradical OH. Los hidrocarburos de origen biognico aportan la mayorfraccin de carbono presente en la atmsfera, mientras que los alcanosy aromticos, que al parecer son predominantemente de origenantropognico, aportan 13% del total del carbono observado (Montzkaet al. 1993).

Cmo se generan?

Desde hace algunas dcadas el inters por establecer los mecanismosque liberan los compuestos biognicos ha generado mltiples hipte-sis al respecto. En los aos setenta se estudi la variacin de las emi-siones con respecto a las condiciones de luz, humedad y temperatura,y se encontr que la volatilizacin de los monoterpenos depende de lapresin de vapor a la que se encuentren, la temperatura, la humedad yla cantidad de aceites y resinas presentes en la superficie de las hojas.Otros estudios ms recientes han asociado las emisiones al estrs hdricopresentado por algunas plantas, principalmente en temporada de se-qua, cuando se combinan condiciones de alta incidencia de radiaciny temperaturas elevadas. Guenther et al. (2000) hicieron una revisin

21 CAPTULO PRIMERO

CUADRO 1. PRINCIPALES COMPUESTOS EMITIDOSPOR LA VEGETACIN

ESPECIE / CLASE EJEMPLOS TIEMPO MEDIO DE VIDA (H)*

Isopreno Isopreno 1.8Productos de reacciones Metacroleino

metil-vinil-cetona Monoterpenos Limoneno 1.1

campheno 3.5a -pineno 3.4b pineno 2.3

n-Alcanos n-hexano >48C10-C17 7-31

Alienos 1-deceno 4Aromticos p-Cimeno 24Sesquiterpenos b Cariofileno Alcoholes cis-3-hexen-1-ol Aldehdos n-hexanal 7.4Cetonas 2-heptanona >24Otros n-nonanal

* Tiempo de vida medio basado en la reaccin con el radical OH.

de los procesos asociados con las emisiones de los principales COVBpropuestos hasta la fecha (resumidos en el cuadro 2), encontrandoque, pese a los vacos existentes an, se cuenta con un mejor entendi-miento cientfico de ellos.

A continuacin se describen brevemente los mecanismos y/o pro-cesos asociados a la generacin de los COVB de las plantas y su emisin:


CUADRO 2. MECANISMOS ASOCIADOS A LA GENERACIN Y EMISIN DE COVPOR LA VEGETACIN

COMPUESTOSPRINCIPALES

Isopreno,metilbutenol,-pineno

Monoterpenos,diterpenos ysesquiterpenos

Etileno

Etano, etanol,metil silicato,hexanal, etc.

Alquenos,alcoholes, esteres,aromticos, etc.

PROCESOS ASOCIADOS

Posiblemente proteccintrmica (Sharkey ySingsaas, 1995)

Mecanismos de defensa(Guenther et al. 2000)

Desarrollo ycrecimiento(Guenther et al. 2000)

Mecanismos de defensa(Guenther et al. 2000)

Polinizacin(Guenther et al. 2000)

TIPO DE TEJIDO URGANO ASOCIADO

Cloroplastos

Tejidosespecializados

Tejidosespecializados

Tejidos no especializados

FloresMembrana

PAPEL

Accin enzimticacomo posible res-puesta a incremen-tos de temperaturaambiental

Proteccin anteinsectos y plagas

Hormonas pararegular el creci-miento y desarrollode la planta

Proteccin anteenfermedades yanimales herbvoros

Atraccina insectos

(Contina)

23 CAPTULO PRIMERO

CUADRO 2. MECANISMOS ASOCIADOS A LA GENERACIN Y EMISIN DE COVPOR LA VEGETACIN

COMPUESTOSPRINCIPALES

PROCESOS ASOCIADOS TIPO DE TEJIDO URGANO ASOCIADO

PAPEL

Acetaldehdo,hexanal, cetonas ymetanol

Metanol,acetaldehdo,etanol,formaldehdo,acetona, cidoactico, cidofrmico, etc.

Antibiticos

Funciones vitalesy conductanciaestomtica

Hojas y raz Respuesta a daos ala membrana

Inderminado,posiblemente partedel metabolismo

Accin enzimtica. El 30% de especies forestales nativas deNorteamrica, como pinos, abetos, lamos y sauces, estudiadas a lafecha generan compuestos orgnicos voltiles no metano (COVNM)por la accin enzimtica dentro de los cloroplastos, siendo depen-dientes de la disponibilidad de carbono fotosinttico. Los compues-tos comnmente asociados a este mecanismo son los terpenos y elisopreno. En la figura 1 se muestra de manera simplificada la rutabioqumica de la sntesis de estos compuestos. Durante la fotosntesisse lleva a cabo la fijacin de carbono, uno de los productos de estareaccin es el 3-fosfoglicerato el cual, mediante gliclisis y la accin dela acetil coenzima (CoA), favorece la sntesis del cido mevalnicopirofosfatado (MAPP) y la formacin del isopentil pirofosfato (IPP),


que mediante condensacin, da lugar a dos posibles rutas: la forma-cin de dimeros (DMAPP) de 10 carbonos (geranil pirofosfato) queson precursores de isopreno, monoterpenos y de compuestos de 15tomos de carbono que forman sesquiterpenos (Winer et al. 1995).

Desarrollo y crecimiento. En la fenologa propia de las plantas se en-contr que stas emiten COVNM, por ejemplo, etileno. Estos com-puestos funcionan como hormonas en el desarrollo y crecimiento dela planta, participan en la produccin y maduracin de los frutos, en lagerminacin de las semillas, en el desarrollo de las flores y en losprocesos de envejecimiento (Abeles et al. 1992).

Mecanismos de defensa. Compuestos como los monoterpenos (C10),diterpenos (C20) y algunos sesquiterpenos (C15) son emitidos por me-canismos de defensa de las plantas ante plagas y patgenos diversos(McGarvey y Croteau 1995). Compuestos como etano, etanol, metilsalicilato, octano y metoxifenol son emitidos por tejidos no especiali-zados de las plantas como defensa ante animales herbvoros (Guentheret al. 2000, Hatanaka 1993).

Daos a la membrana. Los tejidos de las plantas que han sido lasti-mados o mutilados aumentan su tasa de emisin de compuestos comoacetaldehdo, hexanal, cetonas y metanol, actuando como antibiticosante enfermedades y plagas (Fall 1999, Kirstine et al. 1998). El carac-terstico olor a pasto recin cortado se debe a emisiones de cis-3-hexen-1-ol (Atkinson 1998). Se ha observado que las partes mutiladassiguen emitiendo COVNM hasta secarse. Esto es relevante en cultivosy pastizales de forraje y recreo, ya que son cortados durante su etapade crecimiento.

Polinizacin. Las flores generan aromas agradables que estn for-mados por mezclas de alquenos, alcoholes, esteres, hidrocarburos aro-mticos, compuestos nitrogenados, monoterpenos y sesquiterpenoscon el objeto de atraer insectos que realicen la polinizacin (Borg-Karlson et al. 1994).

Funciones vitales. Se sabe que compuestos como el cido frmico y elcido actico tambin son emitidos por las plantas, asocindose su sn-

25 CAPTULO PRIMERO

FIGURA 1. BIOSNTESIS DE ISOPRENO Y MONOTERPENOS A PARTIR DECARBOHIDRATOS POR ACCIN ENZIMTICA

Fuente: adaptado de Winer et al. 1995.

CO2 Fotosntesis

Azcar 3 fosfoglicerato

Piruvato

Acetil CoA

IsopentilPirofosfato

IPP

Dimetil-alil-Pirofosfato

DMAPPMonoterpeno

GeranilPirofosfato

GPP

CO2

cidosgrasos

Isopropeno

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Sesquiterpenos

tesis a procesos como la fotorespiracin y la descomposicin de grasasy carbohidratos (Kesselmeier y Staudt 1999). El metanol es producidoen las plantas desde el nacimiento de la plntula hasta la maduracin,


durante la expansin de las clulas en races, tallos, hojas y frutos; sinembargo, debido a su toxicidad la planta la metaboliza mediante reac-ciones catalizadas por enzimas, lo cual conduce a la formacin deformaldehdo y cido frmico (Kimmerer y McDonald 1987).

Qu factores ambientales estn asociadosa las emisiones biognicas?

Entender los procesos bioqumicos y fisiolgicos de las plantas den-tro de los cuales se lleva a cabo la sntesis de los COVB, as como losfactores que los regulan, ha ayudado al desarrollo de modelos paracuantificar las emisiones biognicas, principalmente de isopreno ymonoterpenos.

A principios de la dcada de 1990 con la informacin recabadaen diversos estudios hasta ese momento, Guenther et al. (1991, 1992,1993) desarrollaron uno de los modelos ms aceptados hasta ahorapara describir las emisiones de isopreno y monoterpenos en funcinde factores ambientales como la intensidad de la luz, la humedad y latemperatura. Tambin emplearon aspectos relacionados con el pro-ceso de la fotosntesis y caracteres fisiolgicos de las plantas.

Las emisiones de isopreno dependen principalmente de la intensi-dad de la luz, dado que presentan una respuesta paralela a la variacinde sta. La intensidad de la luz influye tanto en las emisiones de isoprenocomo en la actividad fotosinttica. En un principio se pens que am-bas estaban relacionadas; sin embargo, en estudios posteriores se com-prob que no tienen una relacin directa (Guenther et al. 1991 yMonson et al. 1992). Otro factor importante es el crecimiento de lahoja, durante el cual la intensidad de la emisin de isopreno es menor,en contraste con la fotosntesis, la cual se desarrolla tan pronto comola hoja se expande. En estudios recientes se ha encontrado que lasemisiones de isopreno tambin dependen del rgimen de temperatu-ra al que las hojas han estado expuestas en horas y das previos (Sharkeyet al. 1999, Petron et al. 2001).

27 CAPTULO PRIMERO

Las plantas emiten monoterpenos de dos maneras (Seufert et al.1997), la primera de forma directa a travs de los cloroplastos enfuncin de la temperatura y de la luz (Kesselmeier et al. 1997), y lasegunda en funcin de la temperatura de las hojas, a partir de la vola-tilizacin de los monoterpenos acumulados en la salvia, lo que depen-de tambin de su presin de vapor, del rea de la superficie de interfaseentre la hoja y el aire, de los aceites monoterpnicos y de la humedaddel aire rodeando a la hoja (Dement et al. 1975, Tingey et al. 1980). Lacontribucin de cada proceso a la emisin total depende de la especiede planta. Las mayores emisiones de monoterpenos provienen deconfieras, las cuales emiten principalmente a travs del segundo pro-ceso. La capacidad de las plantas para emitir monoterpenos tambindepende de aspectos fisiolgicos como la conductancia estomtica yla presin parcial de CO2 intracelular, de la edad del rbol o la hoja yla humedad relativa, entre otros (Kim 2001).

Tcnicas de medicin de los compuestos orgnicosvoltiles biognicos

Las tcnicas de encierro en cmaras y las tcnicas micrometeorolgicasson las ms empleadas para medir emisiones de hidrocarburos pro-venientes de la vegetacin (Guenther et al. 1996). La tcnica de encie-rro mide los flujos de emisin en muestras de vegetacin relativamen-te pequeas, mientras que las segundas lo hacen en reas extensas (105m2 o superiores).

En la dcada de los setenta se desarrollaron los procedimientos deencierro, siendo uno de los ms empleados el descrito por Zimmerman(1979a). A la fecha, este procedimiento ha sido mejorado y adecuadoa las condiciones ambientales y tipo de planta a estudiar. De formageneral, consiste en introducir una rama del rbol dentro de una bolsade tefln o una cmara cerrada, evitando que la rama toque las pare-des de la misma, posteriormente se hace pasar un flujo de aire libre deozono e hidrocarburos previamente filtrado a travs de slica gel, malla


molecular, carbn activado y de yoduro de potasio, y a la salida de lacmara ste es enviado por medio de una bomba a cartuchos devidrio empacados con TENAX para colectar terpenos yCARBOTRAP para el isopreno, en una relacin 80:20 o colectado encanisters (figura 2). Los cartuchos deben acondicionarse con nitrge-no a una temperatura de 300 C durante dos horas. Simultneamentese monitorea la temperatura de la rama dentro de la cmara. Con estemtodo es posible medir individualmente diferentes especies de plan-tas y puede ser empleada tanto en campo como en laboratorio, don-de las condiciones ambientales son controladas. Se considera que elaislamiento fsico de la planta bajo investigacin puede perturbar susfunciones biolgicas, generando flujos de emisin no representativos(Guenther et al. 1996). La razn de emisin se expresa en trminos dela masa del hidrocarburo detectado por la masa de la hoja seca porunidad de tiempo.

Las tcnicas micrometeorolgicas se emplean para medir flujos deemisin provenientes de vegetacin distribuida en reas extensas.Empezaron a usarse hace ms de 20 aos, siendo en aquel entonceslas ms comunes la de gradiente vertical y la de gases trazadores. Latcnica de gradiente vertical se basa en la micrometeorologa de capasuperficial, involucrando mediciones de diferencias de concentracinde los compuestos sobre una base de temperatura, velocidad de vien-to y concentraciones de vapor de agua. La informacin meteorolgi-ca se usa para determinar la difusividad turbulenta. El flujo de emi-sin de un hidrocarburo se calcula a partir de los perfiles verticalesmedidos a travs de y sobre el dosel del bosque (Knoerr y Mowry1981, Lamb et al. 1985).

La tcnica por trazadores consiste en la simulacin de las emi-siones de un bosque por medio de un gas trazador y la medicinde los perfiles de concentracin con respecto al comportamientodel viento. Para obtener la tasa de emisin se comparan las con-centraciones del gas trazador con la de los COVB en el rea (Lambet al. 1986).

29 CAPTULO PRIMERO

En un principio las tcnicas micrometeorolgicas se emplearoncomo mtodos alternativos y de comprobacin de los procedi-mientos de encierro, pero en la actualidad han ido ganando impor-tancia, gracias al desarrollo de instrumentos de respuesta rpida (~10Hz) que permiten cuantificar los flujos de emisin mediante tcnicasde covarianza turbulenta (figura 3). Guenther y Hills (1998)implementaron en un bosque de encinos una torre con unanemmetro snico y un analizador rpido de isopreno porquimiluminiscencia inducida por ozono (Hills y Zimmerman 1990),encontrando emisiones similares a las medidas previamente con otrastcnicas. De manera similar, analizadores continuos de respuesta re-lativamente no tan rpida (1~20 segundos), como el Espectrmetrode Masas por Reaccin de Transferencia de Protones (PTR-MS, porsus siglas en ingls), tambin han sido utilizados mediante sistemasde covarianza disjunta turbulenta para medir flujos de emisin decompuestos orgnicos provenientes de los bosques, como metanol,metilbutenol, acetaldehdo y acetona (Karl et al. 2002). Una tercertcnica micrometeorolgica similar a las anteriores es la de acumula-cin turbulenta relajada, la cual se basa en un muestreo condicionalen funcin de la direccin vertical del viento. Las muestras se guar-dan en canisters y posteriormente son analizados los compuestosorgnicos por cromatografa de gases (Businger y Oncley 1990,Westberg et al. 2001).

LAS EMISIONES DE XIDO NTRICO DE LOSMICROORGANISMOS DEL SUELO

En la atmsfera se encuentran compuestos nitrogenados tales comoNO, NO2, N2O, NH3 y cido ntrico. Los primeros dos compuestosse conocen como xidos de nitrgeno (NOX = NO + NO2), loscuales adems de ser altamente reactivos y participar en la formacinfotoqumica de ozono, son precursores del componente nitrato en laprecipitacin cida. Diversos autores han descrito que las emisiones


FIGURA 2. CMARA CERRADA PARA EVALUAR LAS EMISIONES DE COVB DE UNA RAMADE UN RBOL

(1) Puerto de entrada de aire libre de hidrocarburos y ozono. (2) Puerto de muestreo acartuchos o canisters. (3) Sensor de radiacin fotosintticamente activa. (4) Sensores detemperatura y humedad. y (5) ventilador para mezclar el aire dentro de la cmara.

Fotografa: cortesa del Laboratory for Atmospheric Research de Washington StateUniversity.

de xido ntrico (NO) provenientes del suelo tienen un papel funda-mental en la formacin de ozono a escala local (Hall et al. 1996, Anejaet al. 1997), por ejemplo Chameides et al. (1994) calcularon que lasemisiones de NO provenientes de la actividad agrcola pueden llegara producir concentraciones de ozono de hasta 5 ppb.

31 CAPTULO PRIMERO

FIGURA 3. SISTEMA DE COVARIANZA TURBULENTA DE FLUJOSPARA MEDIR EMISIONES BIOGNICAS EN UN BOSQUE.

(1) Torre de flujo. (2) Anemmetro snico. (3) Lnea de muestreo y (4) Sensor paramedir CO2. Por lo general los instrumentos para medir COVB se colocan al pie de latorre.

Fotografa: cortesa del Laboratory for Atmospheric Research de Washington StateUniversity.


Los compuestos nitrogenados son emitidos por fuentes naturales,como por ejemplo la actividad microbiana del suelo y las descargas elc-tricas, as como tambin pueden ser el resultado de los fenmenos deionizacin en la atmsfera generados por la radiacin ultravioleta. Sinembargo, en reas urbanas la principal fuente de estos compuestos sonlos procesos de combustin que generan intrnsecamente NOX. Es im-portante sealar que los microorganismos del suelo emiten nicamenteNO y N2O; sin embargo, es aceptado hacer referencia al NO comoNOX, dado que una vez emitido el primero a la atmsfera reaccionainmediatamente para formar dixido de nitrgeno (NO2) (ver figura 6).

Dentro del ciclo del nitrgeno, ste es incorporado al suelo me-diante la degradacin de la materia orgnica (vegetales, estircol, etc.)que se deposita en los estratos superiores, la cual contiene nitrgenodentro de los grupos amino (RNH2). Los responsables de los proce-sos de degradacin son diversos tipos de bacterias y organismos, queobtienen su energa al convertir el nitrgeno orgnico en mineral, for-ma en la cual ste puede ser aprovechado por las plantas. La conver-sin de nitrgeno orgnico a mineral se realiza en tres etapas:mineralizacin, nitrificacin y desnitrificacin (figura 4). En lamineralizacin se lleva a cabo la hidrlisis de los grupos amino dandolugar a la formacin del in amonio (NH4

+) y en algunos casos nitra-to. La tasa de mineralizacin depende de la temperatura, la humedady el estado de aireacin del suelo.

La nitrificacin

La nitrificacin se define como la oxidacin biolgica del NH4+ a

NO2- y NO3

-, y se presenta tanto en suelos de cultivo como enecosistemas naturales, con excepcin de pantanos y algunos bosquesde conferas. Los procesos de nitrificacin estn asociados con elmetabolismo de las bacterias quimioautotrfas especificas de la familiaNitrobacteraceae, y de diversas especies de microorganismoshetertrofos, como el Aspergillus flavus y Alcaligenes sp., entre otros. Los

33 CAPTULO PRIMERO

FIGURA 4. PROCESO DE CONVERSIN DEL NITRGENO ORGNICO A MINERAL,COMPUESTO POR LAS ETAPAS DE MINERALIZACIN, NITRIFICACIN Y

DESNITRIFICACIN

cuales oxidan el NH4+ a NO2

- y ste, a su vez, a NO3- (figura 4); el

oxgeno es necesario en la oxidacin quimiototrfa, tanto del NH4+

como del NO2-. La estrecha diversidad de organismos

quimioauttrofos responsables de la nitrificacin en suelo hace que elproceso pueda ser susceptible a influencias externas. Estosmicroorganismos oxidantes del NH4

+ se encuentran ampliamente dis-tribuidos en los suelos, requiriendo para su proliferacin nicamenteCO2, O2 y NH4

+. Tanto el CO2 como el O2 se encuentran siempre enlas cantidades adecuadas, siendo el NH4

+ el factor limitante ms fre-cuente en la nitrificacin. Otros factores limitantes menos importantesen ciertos ambientes son la toxicidad del NO2

-, la disponibilidad defosfato, temperaturas extremas, bajo potencial de agua, compuestosalelopticos y bajo pH (Firestone y Davidson 1989).


En estudios recientes empleando el mtodo cintico del istopo15N se ha observado que la mayora del NO emitido del suelo segenera durante la nitrificacin, siendo un producto intermedio de laoxidacin de amonio a nitrito (Russow et al. 2000). Durante lanitrificacin tambin se produce N2O, pero en cantidades inferiores alas emitidas durante la desnitrificacin. En resumen, los NOX son pro-ducidos durante la nitrificacin quimioautotrfa como un resultadodirecto de la actividad de los organismos responsables de la oxida-cin del NH4

+ a NO2-.

La desnitrificacin

La desnitrificacin se define como la reduccin respiratoria de NO3-

o NO2- a NO, N2O o N2, o bien como la liberacin a la atmsfera de

compuestos nitrogenados, generalmente NO (figura 4). Ladesnitrificacin es trascendental dentro del ciclo del nitrgeno en labiosfera, en su ausencia todo el nitrgeno disponible que ha sido des-pedido del interior de la Tierra se hubiera convertido desde hace muchotiempo a su estado termodinmico ms estable, el NO3

-, depositn-dose en los ocanos (Lindsay et al. 1981).

Existe una gran variedad de grupos de bacterias desnitrificadoras,bsicamente bacterias con la capacidad de reducir xidos de nitrge-no a nitrgeno gaseoso cuando el O2 es el factor limitante, encontrn-dose ampliamente distribuidas en la naturaleza. Cuando se presenta lafalta de actividad desnitrificante, sta se debe casi siempre al sustratolimitante o a las condiciones ambientales que regulan el proceso y noa la falta de enzimas (Firestone y Davidson 1989); aun en suelos muysecos la actividad enzimtica persiste durante meses y su activacin escasi inmediata despus de que el suelo se humedece, ya sea por preci-pitacin o irrigacin (Rudaz et al. 1991).

Para que se realice el proceso de desnitrificacin se requiere la pre-sencia de bacterias desnitrificadoras, de la disponibilidad de agentesreductores (generalmente carbn orgnico), de atmsfera baja en O2

35 CAPTULO PRIMERO

o anaerobia y la presencia suficiente de xidos de nitrgeno (NO3-,

NO2-, NO o N2O). Aunque los controles de la desnitrificacin a nivel

celular son fciles de detallar y visualizar, los factores ambientales queregulan estos controles celulares son numerosos y difciles de concep-tuar y modelar (Williams et al. 1992b). La bioqumica de ladesnitrificacin es bastante compleja, y queda fuera de los alcances deeste trabajo, por lo que es suficiente saber que el proceso involucra alNO, NO2 y N2O como productos intermedios y que ambos puedenser producidos o consumidos por bacterias desnitrificadoras.

Qu factores ambientales afectan las emisiones?

Las emisiones de NO del suelo dependen de dos tipos de factores:de efectos en periodos largos y de efectos en periodos cortos. Entrelos primeros podemos citar la composicin y textura del suelo, elcontenido de materia orgnica, el pH del suelo y los niveles de nitra-tos, los cuales son incrementados con la aplicacin de fertilizantes ba-sados en nitrgeno (Shepherd et al. 1991). Mientras que los factoresde efecto en periodos cortos son principalmente la temperatura y elcontenido de humedad del suelo (Potter et al. 1996).

De los estudios de Johansson y Rodhe (1988) realizados en la sa-bana venezolana durante la temporada seca se demostr que las emi-siones de NO del suelo dependen fuertemente de la temperatura, lacual controla la produccin y el transporte de los gases a travs delsuelo, en donde la magnitud y variacin de la temperatura varasustancialmente con la profundidad. La produccin biognica de NOgeneralmente alcanza su pico a temperaturas aproximadamente de 35C,lo que se debe a que los procesos microbianos decrecen a temperatu-ras por encima de 40 C, con excepcin de los ambientes desrticos,en donde los microorganismos hetertrofos soportan temperaturasmayores. En el otro extremo, a temperaturas bajas se han reportadoemisiones pequeas de NO, la disminucin de las emisiones no de-pende completamente de los microorganismos en la desnitrificacin,


y se sabe que ellos tienen una gran capacidad de adaptacin a climasextremos.

De acuerdo con Davidson (1992b) la dependencia de las emisionesde NO con la temperatura y disponibilidad de nitrgeno se complicacon los efectos de la humedad; el contenido de agua en el suelo es unode los controladores ms importantes en la emisin de NO, pero elmenos entendido. La desnitrificacin se da cuando el O2 es limitadocon altos contenidos de humedad, mientras que la nitrificacin es com-pletamente dependiente del suministro suficiente de O2, llevndose acabo, por lo general, con bajos y moderados contenidos de humedaden el suelo; tambin puede ser limitada por la baja difusin del sustratoNH4

+ a travs de pelculas delgadas en suelos secos y restringida por eltransporte de O2 en suelos hmedos. Segn el estudio de Johansson yRodhe (1988), la adicin de agua por irrigacin o lluvias en suelos notan secos produce un incremento en las emisiones, no tan significativocomparado cuando el suelo est completamente seco.

Tcnicas de medicin de emisiones de NOX del suelo

Al igual que las emisiones de la vegetacin, para medir las de los sue-los se utilizan tcnicas de encierro y de gradiente vertical. En sus res-pectivos trabajos Williams et al. (1992b) y Parrish et al. (1987) sugierenla medicin del intercambio de NOX entre el suelo y la atmsferamediante la reaccin de quimiluminiscencia del NO con ozono, elNO2 previamente debe ser convertido fotolticamente a NO por adi-cin de radiacin UV o por reduccin superficial con sulfato ferroso.

Las cmaras de encierro pueden ser estticas o dinmicas, son fa-bricadas con paneles de aluminio, acero inoxidable o policarbonato yrecubiertas de pelcula de tefln, el cual es inerte a reaccionar con losNOX. El sistema de flujo de gases a travs de la cmara contiene unpuerto de entrada, un puerto de muestreo y uno de salida, las lneas deconduccin son de tefln y en caso de ser dinmica se utiliza aire secolibre de hidrocarburos y con los niveles mnimos posibles de com-

37 CAPTULO PRIMERO

puestos nitrogenados. El detector de NO por quimiliminiscencia operacon generadores de radiacin UV para excitar las molculas de NO2y con un generador de ozono, el cual reaccionar con el NO. Laconcentracin de NO2 es dada como la diferencia entre las seales deNOX y NO (Parrish et al. 1987).

Implcitamente, el encierro interfiere con la produccin, consumoy dems procesos al crear condiciones ambientales artificiales sobre elrea de estudio encerrada. La gran virtud de esta tcnica es la gransensibilidad, debido a las altas concentraciones de NO que se miden;puede ser usado tanto en la noche como en el da, no se ve afectadopor los cambios en las concentraciones de los constituyentes atmosf-ricos fuera de la cmara y permite la variacin sistemtica e indepen-diente de estos constituyentes dentro de la cmara, con objeto deidentificar y medir su influencia.

Las tcnicas de gradiente vertical estn limitadas a periodos noc-turnos, reas libres de obstculos que generen turbulencia convectivay alejadas de fuentes de NOX como zonas urbanas. Se asume que lanica fuente de NO es el suelo y que el nico sumidero es la reaccincon ozono, de modo que conociendo el comportamiento del mez-clado en la vertical se puede determinar el gradiente de NO medianteun parmetro de difusin turbulenta, el cual se incrementa linealmentecon la altura (Williams et al. 1988).

Las mediciones del flujo de los xidos de nitrgeno requierenmediciones simultneas de las propiedades fsicas, qumicas y biolgi-cas del suelo, tales como:

- Las actividades de los grupos microbianos quimiautotrfos yheterotrfos involucrados en la produccin de dichos gases.

- Los compuestos orgnicos e inorgnicos que contienen nitrgenoque aparecen como sustratos, productos intermedios o produc-tos finales de estos procesos (nitrato y amonio).

- Los parmetros fsicos y ambientales que definen la existencia dedeterminados grupos microbianos y la difusividad en el transpor-


te de los gases en el suelo, tales como: la temperatura, humedad,pH, composicin y caractersticas fsicas del suelo, entre otros.

LA QUMICA ATMOSFRICA Y LAS EMISIONESBIOGNICAS

Desde que se reconoci que las emisiones biognicas de compuestosorgnicos voltiles son precursores de ozono y otros contaminantessecundarios, se han realizado diversos estudios para establecer el rolque tienen en la qumica troposfrica. Se han empleado para ellomodelos fotoqumicos basados en simulacin numrica, encontrn-dose que las emisiones de los bosques y algunos cultivos no son deninguna manera despreciables. Por ejemplo, en la regin de Sajonia enAlemania, se report que los hidrocarburos emitidos por cultivos decanola (planta oleaginosa) son precursores de ozono en concentracio-nes de hasta 80 ppb en un da (Mnzenberg et al. 1998).

Con el fin de analizar la influencia de las emisiones biognicas enun rea urbana, Cardelino y Chameides (1990) examinaron el impac-to combinado de la reduccin de hidrocarburos antropognicos y elcrecimiento urbano sobre la formacin de ozono en la metrpoliboscosa de Atlanta. Encontraron que el efecto del crecimiento urba-no sobre la emisin de los hidrocarburos biognicos presenta dosaspectos: primero, al incrementar la urbanizacin se produce una re-duccin de rea cubierta por rboles dentro de la ciudad; y segundo,el incremento del rea urbana produce un aumento en el efecto de laisla de calor, lo que sube la temperatura ambiente dentro de la ciudad.El aumento en las emisiones de isopreno por el incremento de tem-peratura es mayor que la reduccin de emisiones provocada por eldecremento del rea cubierta por rboles. Como consecuencia, lasemisiones de hidrocarburos naturales pueden aumentar por un creci-miento del rea urbana, teniendo que balancearse con regulacionesms estrictas en las emisiones antropognicas. Adems, este estudioaport un aviso sobre un posible aumento en la emisin de hidrocar-

39 CAPTULO PRIMERO

buros biognicos al incrementarse la temperatura ambiente a nivelglobal.

Otros estudios han utilizado cmaras fotoqumicas para describirlas reacciones qumicas que se generan en la atmsfera en presencia deestos compuestos (Atkinson y Arey 1998). Los resultados indican quelos COVB, como el isopreno y el metilbutenol, sufren oxidacin at-mosfrica (reaccionando con los radicales NO3, OH y el ozono) for-mando aldehdos, cetonas y compuestos carbonilos nitrogenados; laacetona, por ejemplo, contribuye mediante fotlisis a la formacin deradicales OH, HO2 y PAN en la troposfera. Por otro lado, los com-puestos orgnicos nitrogenados actan como reservorios de radicalesNO, los cuales forman parte de las reacciones de formacin del ozo-no. Algunos de los subproductos de estas reacciones con presiones devapor relativamente altas se condensan y forman aerosoles orgnicossecundarios (Pankow 1994a y b).

Autores como Hatakyama et al. (1989) y Pandis et al. (1991) hanmostrado que los COVB, en especial los monoterpenos como el y-pineno, son precursores potenciales de aerosoles orgnicos al reac-cionar con el O3 y/o con radicales HO. Pandis et al. (1991) estimaronque el potencial de formacin de aerosoles orgnicos a partir de estosdos monoterpenos puede ser significativo en tres tipos de ambientes:(1) en reas urbanas como Los ngeles, California (38% bosques),donde los aerosoles a partir de hidrocarburos biognicos pueden lle-gar a ser responsables de ms del 50% de los aerosoles orgnicossecundarios; (2) reas urbanas como Atlanta, Georgia (57% bosques),pudiendo generar aproximadamente 30 ton por da de aerosoles or-gnicos, probablemente un orden de magnitud superior a los aerosolesorgnicos secundarios antropognicos, y (3) reas muy boscosas, pu-diendo emitir hasta 2 g de carbono por metro cuadrado en una horadurante el da. Adems, los monoterpenos participan activamente enla disminucin de la visibilidad provocada por los aerosoles, princi-palmente en reas rurales.


Cmo participan en la generacin de ozono troposfrico?

Se han determinado diversos mecanismos fotoqumicos que descri-ben cmo reaccionan en la atmsfera los hidrocarburos voltiles nometano, tanto de origen antropognico como biognico, y su partici-pacin en la formacin de ozono y otros contaminantes secundarios.En particular, la produccin de ozono troposfrico inicia cuando laradiacin solar alcanza una mezcla de hidrocarburos y xidos de ni-trgeno, lo que da como resultado la oxidacin de gran parte de ellosy la generacin de ozono en la mezcla. Blacet (1952) fue el primero ensugerir que el ozono en la troposfera poda originarse de lafotodisociacin del NO2 por radiacin solar, seguida de una reaccinrpida entre tomos O(3P) con oxgeno para formar ozono (O3). Lafigura 5 muestra de manera resumida cmo los hidrocarburosbiognicos participan en la formacin de ozono en la troposfera,donde RCH=CHR representa una molcula de isopreno o cualquierotro hidrocarburo biognico conteniendo un doble enlace C-C.

El radical HO se une al doble enlace, (i), y el hidroaxialquil reaccionapara formar un radical orgnico peroxi, (ii). Este radical peroxi oxida alNO y enseguida al NO2, (iii). Los productos fragmentados del radicalalkoxi restantes, (iv), reaccionan para formar un producto carbonilo yespecies de radicales libres reactivos que reaccionan fuertemente con eloxgeno generando un radical HO2, (v). Subsecuentemente, el radicalHO2 oxida otra molcula de NO, (vi). As, el radical HO perdido en lareaccin (i) puede regenerar otro radical HO. Cada vez que ocurre esteciclo de reacciones una molcula de NO es oxidada a NO2,incrementando el ozono por la subsecuente fotlisis del NO2. La cade-na de reacciones resultante puede convertir varias molculas de NO aNO2 por cada radical de HO formado, hasta que las especies llevadasa la cadena HO, HO2 y RO2 son eliminadas por reacciones entre dosespecies reactivas; el HO eliminado de la secuencia de la cadena ocurregracias a la reaccin con el NO2 (formando HONO2). La eficiencia deregeneracin del HO es funcin de la concentracin de NOX. Cuando

41 CAPTULO PRIMERO

FIGURA 5. MECANISMOS DE REACCIN DE LOS COVB

el NOX es bajo, el radical HO2 reacciona con el HO2 y RO2 formandoH2O2 y RO2H, los cuales se eliminan de la atmsfera mediante la depo-sicin seca y hmeda. Por lo tanto, con niveles bajos de NOX los hidro-carburos biognicos tienden a suprimir las concentraciones de HO y aelevar las concentraciones de HO2 y RO2. Debido a que existen variasrutas de reacciones compitiendo por los hidrocarburos biognicos dis-ponibles y sus productos de oxidacin, la formacin de ozono es unproceso no lineal que depende fuertemente de la relacin [hidrocarbono]/[NOx], de la intensidad de la luz, la temperatura y de la naturaleza yconcentracin de los hidrocarburos presentes en la mezcla.

Los tiempos de vida de los compuestos emitidos por las plantas(tiempo que tardan en reaccionar en la atmsfera) no son ms dealgunas horas para muchos de ellos, debido a la alta reactividad queexperimentan en presencia de la luz solar con molculas de O3, OH yNO3 (cuadro 1). Debido a su alta reactivad, en muchos casos las


FIGURA 6. MECANISMOS DE REACCIN DE LOS NOX EN LA ATMSFERA

Fuente: adaptado de Atkinson y Arey 1998.

mediciones de sus concentraciones ambientales no coinciden con lasestimadas por los inventarios de emisiones.

Como se ha descrito, las emisiones de NOX provenientes del sue-lo, al igual que las antropognicas, participan en la formacin de ozo-no mediante la fotodisociacin del NO2. En presencia de ozono seforman radicales NO3 (figura 6), los cuales con la luz del sol reaccio-nan rpidamente con los hidrocarburos para dar lugar a nuevas mo-lculas de ozono. Durante el da, dentro de la capa de mezclado, laconcentracin de NOX tiende a ser mnima debido a su rpida reac-cin con los hidrocarburos, pero en la noche se incrementa de mane-ra significativa al no estar presente la luz del sol, permaneciendo sinreaccionar hasta el amanecer, momento en el cual reacciona nueva-mente para formar ozono de manera instantnea (~5 seg.) (Atkinsony Arey 1998).

43 CAPTULO SEGUNDO

Captulo segundo

43

ESTIMACIN DE LAS EMISIONES BIOGNICAS

En este captulo se presenta una revisin de los mtodos empleadosen la cuantificacin de las emisiones biognicas a la atmsfera, loscuales han sido desarrollados a partir de mediciones de ndices deemisin por tcnicas de encierro y de mediciones de flujos por tcni-cas micro meteorolgicas en diversos bosques. Se hace hincapi en lasrelaciones que describen los mecanismos de emisin, los factoresambientales que las afectan y las caractersticas que se requieren cono-cer sobre el ecosistema para su cuantificacin, como son la densidadde vegetacin, distribucin de especies, uso del suelo, etc.

MTODOS PARA ESTIMAR LAS EMISIONES BIOGNICAS

A finales de los aos 70 se desarrollaron los primeros algoritmos paracalcular las emisiones provenientes de la vegetacin (Zimmerman 1979b,Tingey et al. 1980), los cuales se enfocaban en describir bsicamente larelacin entre la emisin, la temperatura de la hoja y la radiacin solar.Estos algoritmos son conocidos como modelos de primera genera-cin. Durante la dcada posterior fueron refinndose, aumentando suresolucin espacial e incluyendo informacin ms detallada y precisasobre los ecosistemas y climas de la regin (Lamb et al. 1987, Lamb et al.1993), dando paso a los modelos de la segunda generacin.


Los modelos de la segunda generacin fueron incluidos como par-te de los sistemas de la Agencia de Proteccin Ambiental de EstadosUnidos (EPA, por sus siglas en ingls) en estudios de contaminacinatmosfrica. El primero de ellos fue el modelo BEIS (Biogenic EmissionInventory System), diseado para estimar las emisiones de COVB yNOX como datos de entrada a modelos de qumica atmosfrica (Piercey Waldruff, 1991). Este modelo se basa en los algoritmos desarrolladospor Guenther et al. (1991) para las emisiones de hidrocarburos voltilesno metnicos y por Williams et al. (1992b) para las emisiones de xidontrico (NO). Posteriormente se present la segunda versin de estemodelo (BEIS2), aportando diversas mejoras en cuanto a la base dedatos de ndices de emisin y los modelos para calcular los parmetrosmeteorolgicos dentro del dosel del rbol que influyen en las emisiones(Geron et al. 1994, Pierce et al. 1998). Es importante sealar que lasagencias ambientales de Mxico han empleado hasta la fecha estosmodelos para el clculo de las emisiones biognicas dentro de losinventarios de emisiones a la atmsfera como parte de los programasde gestin de la calidad del aire a nivel regional.

Los modelos ms recientes forman el grupo de la tercera genera-cin, y se caracterizan por estar diseados para ser usados en conjuntocon modelos fotoqumicos de formacin de ozono y aerosoles. Es-tos modelos son capaces de incorporar datos de entrada con altogrado de resolucin a partir de informacin proveniente de satlitessobre la vegetacin y radiacin solar. De igual manera estn basadosen Sistemas de Informacin Geogrfica (GIS, por sus siglas en ingls)y pueden acoplarse a modelos meteorolgicos de pronstico. Unode los modelos ms avanzados es el GLOBEIS (Global BiosphereEmission and Interection System), desarrollado por la EPA y el Cen-tro Nacional de Investigacin Atmosfrica (NCAR, por sus siglas eningls) (Yarwood et al. 1999). Este modelo calcula las emisionesbiognicas de compuestos orgnicos voltiles, monxido de carbonoy NO del suelo para cualquier escala y dominio, teniendo la habilidadde modelar perodos prolongados de sequa y altas temperaturas. Su

45 CAPTULO SEGUNDO

versin ms reciente es la 3 y est disponible en el sitio de internet:www.globeis.com.

Otro modelo de la tercera generacin ampliamente usado es elBEIS3, diseado por la EPA para ser empleado como parte delmodelo de emisiones SMOKE (Sparse Matrix Operador KernelEmissions) y ser integrado dentro del sistema regulatorio/acadmicode modelacin de calidad del aire CMAQ (Community MultiscaleAir Quality). El modelo BEIS3 calcula las emisiones de hasta 34 com-puestos orgnicos voltiles biognicos y NO del suelo, pudiendo serusadas en diversos mecanismos fotoqumicos como el CBIV, RADM2,y SAPRC99, entre otros (Pierce et al. 2001). Otra caracterstica impor-tante es que comnmente se emplea informacin meteorolgica deentrada proveniente del modelo MM5 (Penn State / National Centerfor Atmospheric Research Mesoscale Modeling System).

Qu informacin utilizan los modelos?

Todos los modelos de emisiones biognicas requieren como infor-macin mnima de entrada los ndices de emisin de los compuestosqumicos a cuantificar en funcin de las especies vegetales de la reginy uso del suelo, as como parmetros ambientales, como la radiacinsolar y la temperatura. Tambin necesitan informacin sobre las ca-ractersticas de la vegetacin, como el rea cubierta por sta, la distri-bucin de especies y la densidad de biomasa, entre otras. El algoritmodesarrollado por Guenther et al. (1995) es hasta la fecha el ms acep-tado e incorporado en la mayora de los modelos de emisin, requi-riendo la informacin de entrada antes mencionada. En la figura 1 sepresenta un diagrama de flujo para cuantificar las emisiones de COVBbasado en este modelo.

Entre las variables presentadas en la figura 1 se encuentra el nmerode capa, debido a que las emisiones dentro del follaje de un rbol varanen funcin de su altura, ya que su biomasa es diferente en cada estratodel rbol, e influye en la temperatura de las hojas y en la radiacin que


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47 CAPTULO SEGUNDO

stas reciben. Para considerar estos efectos se emplean los modelos dedosel que dividen en un nmero finito de capas a los rboles, determi-nando para cada una de ellas la radiacin atenuada que recibe y la tem-peratura ambiente promedio. En forma general, las emisiones de losCOVB se calculan mediante la ecuacin 1.

(1)

En dnde rbiomasa representa la densidad de biomasa.

En cuanto a las emisiones de xido ntrico del suelo, el algoritmoms empleado es el de Williams et al. (1992b), el cual se basa en rela-ciones empricas entre las emisiones de NO, la temperatura del sueloy un factor representativo del ecosistema. En la figura 2 se presenta undiagrama de flujo de este algoritmo, mientras que en la ecuacin 2 sepresenta la formula general para su clculo.

Emisin = (rea regin) (Factor de emisin) (2)

(rbiomasa) (rea regin) (Factor de emisin)Emisin

=

rea rbolesrea regin

ngNOx ngNOx h m2 h[ ] [ ][ ] m2

m2 gbiomasa g HCNMm2 m2 gbiomasa

h[ [ ] ] [ ] [ ]h = m2gHCNM

=

A continuacin se describen los parmetros presentados en lasfiguras 1 y 2 que se requieren para la cuantificacin de las emisiones dela vegetacin y el suelo. Es importante sealar que el nivel de detalle enel manejo de estos parmetros depende de su disponibilidad y de losobjetivos propios de la cuantificacin de las emisiones.


FIGURA 2.2. DIAGRAMA DE FLUJO PARA ESTIMARLAS EMISIONES DE XIDO NTRICO DEL SUELO

Fuente: adaptado de Velasco 2001.

Regin de modelacin, escala espacial y temporal

Todo modelo requiere como primer paso que se establezca el rea aestudiar mediante lmites geogrficos bien definidos. El rea de estu-dio se denomina "regin de modelacin" y sus caractersticas depen-den del propsito final de la cuantificacin de las emisiones. Si serequiere conocer nicamente las emisiones de manera global, la re-gin de modelacin puede estar definida por lmites polticos, comomunicipios, estados o pases; pero si se requieren las emisiones comoinformacin de entrada para modelos matemticos de calidad delaire, es necesario establecer una malla de celdas. Cada celda es el reamnima en que se subdivide la regin de modelacin, su tamao se

Base de datos deuso del suelo

. Ubicacin

. Extensin.No. regin

Temperatura de laregin

Datos de la red demonitoreo ambientalMes

Hora

Temperatura enfuncin del uso del

sueloRelaciones a partir debalances de energa

ndice de emisinDepende del tipo de suelo

Factor deemisin

En funcin de latemperatura

EMISIN

>

>

>

>

>

>

> >

>

49 CAPTULO SEGUNDO

denomina "escala espacial" y debe ser lo suficientemente pequea demanera que proporcione la precisin requerida para resolver el mo-delo matemtico. Los modelos matemticos se basan en la solucinde las ecuaciones de continuidad por mtodos de diferencias finitas,los cuales requieren de una discretizacin de las variables independien-tes de las ecuaciones, las dimensiones espaciales y el tiempo. Ladiscretizacin del tiempo se conoce como "escala temporal". Para unmodelo de calidad del aire enfocado en la fotoqumica del ozono serequieren a lo ms celdas de 10 km2 y una escala temporal horaria.

Informacin sobre el uso de suelo y la cobertura vegetal

Para cuantificar las emisiones de una cierta regin se deben definir suslmites y conocer su uso de suelo. Por uso de suelo se entienden losfines y caractersticas de un espacio de tierra determinado, es decir,qu tipo de suelo es, cmo est conformado, con qu recursos yservicios cuenta, cules son las actividades ptimas que pueden desa-rrollarse en l, qu tipo de ecosistemas comprende, etc.

La informacin de uso del suelo debe incluir las caractersticastopogrficas y geogrficas del rea de estudio, su altitud respecto alnivel del mar, latitud, longitud, presencia de cuerpos de agua y carac-tersticas del suelo. Tambin debe describir las caractersticas y distri-bucin de las principales especies vegetales. El nivel de detalle y reso-lucin espacial de uso del suelo definir la precisin de la cuantificacinde las emisiones biognicas.

Los modelos de emisin requieren la informacin de uso del sueloen forma de bases de datos. Para generarlas se emplean diversas tcni-cas y recursos, por ejemplo, cartas topogrficas, mapas de uso del suelo,fotos de satlite (LANDSAT), fotografas areas, fotografas de radia-cin infrarroja, mapas regionales para programas de desarrollo, mapasclimatolgicos, mapas hidrolgicos, estudios de distribucin vegetal,programas de reforestacin, programas agrcolas, etc. La informacinmnima sobre la vegetacin que deben contener es la siguiente:


- Tipo de bosque o clasificacin de ecosistema- Principales especies- Nmero de rboles (rboles/hectrea)- Promedio de dimetro del tronco de los rboles a la altura del

pecho (DAP)- Promedio de altura (m)- Densidad foliar- ndice de rea foliar (LAI)

Relacin entre el rea ocupada por rboles yel rea de la regin a estudiar

Para el clculo de las emisiones de COVB se requiere conocer la rela-cin rea rboles/rea regin, como lo muestra la ecuacin 1. El reade la regin es un valor fijo, mientras que el rea ocupada por labiomasa de los rboles se calcula mediante la ecuacin 3.

rea rboles = (No. de rboles) (crwd) (rea de la regin) (3)

Donde crwd representa el dimetro promedio de corona o el dimetrodel follaje, que junto con el nmero o densidad de rboles por unidad derea, pueden obtenerse de inventarios forestales. El dimetro de corona secalcula a partir del dimetro del tronco a la altura del pecho (DAP) a travsde ecuaciones como la 4 y 5, propuestas por Minckler y Gingrich (1970).

para conferas: crwd= 0.47 + 0.166DAP (4)

para caducifolias: crwd= 1.13 + 0.205DAP (5)

La relacin entre el rea ocupada por los rboles y el rea de laregin es adimensional y puede tener valores mayores o menores auno, como se muestra en la figura 3. Cuando es mayor a uno significaque las copas de los rboles estn traslapadas, y cuando es menor auno indica que los rboles no estn uno tras otro.

51 CAPTULO SEGUNDO

FIGURA 3. RELACIN (REA RBOLES)/(REA REGIN)

Relacin >1 Relacin =1 Relacin


En Mxico la mayora de los cultivos son de temporal, por lo cual si seconoce el calendario de lluvias y el desarrollo de las especies cultivadas sepuede estimar la variacin de su biomasa. Velasco (2001) estim la varia-cin anual de la biomasa foliar de los cultivos de maz en el Valle deMxico y su efecto en las emisiones, encontrando que en el mes de sep-tiembre las emisiones de monoterpenos y otros hidrocarburos voltilescon tiempo de vida menor a un da (diferentes de isopreno y monoterpenos)provenientes de cultivos son 1.4 y 3.2 veces superiores, respectivamente, alas emisiones de los rboles, coincidiendo con la poca de cosecha, mien-tras que de noviembre a abril sus emisiones son mnimas.

Parmetros ambientales

Para determinar el factor de emisin en la ecuacin 1, primero serequiere conocer el ndice de emisin de la especie vegetal para cadacompuesto qumico. Este ndice de emisin debe ser corregido porparmetros ambientales como la temperatura de las hojas y la radia-cin solar para entonces generar el factor de emisin. Para calcular lavariacin de estos dos factores en el dosel del rbol los modelos msrecientes requieren de mayor informacin ambiental, como la hume-dad, velocidad del viento, radiacin directa y difusa arriba de las co-pas de los rboles y en su interior, entre otros.

En aos recientes se ha observado que las condiciones ambientales pre-vias tambin son importantes en las emisiones biognicas, es decir, la preci-pitacin, temperatura y radiacin solar en horas y das previos influyen enlos procesos de emisin (Guenther et al. 2000). De igual manera se haencontrado que la fenologa y estrs por falta de agua y exposicin a conta-minantes pueden ser tambin factores significativos (Guenther et al. 1999).

Radiacin fotosintticamente activa (PAR)

La radiacin solar que llega a la troposfera la podemos dividir en trescategoras de acuerdo con su nivel de energa: radiacin ultravioleta

53 CAPTULO SEGUNDO

(280-400 nm), radiacin visible (400-700 nm) y radiacin infrarroja(700-900 nm). La radiacin visible tambin se denomina radiacinfotosintticamente activa (PAR, por sus siglas en ingls), siendo la re-gin del espectro que usan las plantas para la fotosntesis.

La intensidad de la radiacin vara en funcin de la hora del da yla poca del ao, ya que depende del ngulo de incidencia de losrayos, que a su vez depende de la altitud solar (altura del sol sobre elhorizonte). Tambin la intensidad de la radiacin del sol depende dela latitud del lugar y de la nubosidad presente.

En campaas de medicin de la PAR en diferentes tipos de bos-que se ha determinado que entre el 2 y 4% alcanza la superficie delsuelo. Velasco (2001) determin que en bosques de encinos del Vallede Mxico, el 3.15% de la PAR alcanza la superficie. En la figura 4 sepresenta la distribucin de la PAR en un bosque, 10% de la radiacinque llega a los rboles es reflejada, 9% es absorbida por la vegetacinsin tener actividad alguna, 2% alcanza a atravesar todo el rbol y llegaral suelo, mientras que 79% de la PAR total es captada por los rboles.

La PAR es atenuada dentro del follaje de un rbol en funcin de ladistribucin vertical de su biomasa. Para calcular esta atenuacin y laradiacin que recibe el rbol en sus diferentes estratos se emplean losmodelos de dosel, los cuales pueden ser relaciones semiempricas quedividen al rbol en un nmero finito de capas discretas (Guenther et al.1993, Geron et al. 1994), o bien, pueden ser relaciones que involucransistemas dinmicos para cuantificar el microambiente en el dosel, requi-riendo una mayor cantidad de informacin que los modelossemiempiricos, como por ejemplo datos de la humedad relativa, direc-cin y velocidad de vientos (Vogel et al. 1995). Lamb et al. (1996) eva-luaron diversos modelos de dosel con diferentes niveles de compleji-dad, encontrando diferencias pequeas entre ellos y concluyendo que esmucho ms importante conocer la distribucin de especies vegetales ysu densidad foliar en un bosque, que el modelo de dosel que se utilice.

Un modelo de dosel relativamente sencillo y aceptado hasta la fechaes el de Lamb et al. (1993), corregido posteriormente por Geron et al.


FIGURA 4. DISTRIBUCIN DE LA RADIACIN FOTOSINTTICAMENTE ACTIVAEN UN BOSQUE. LAS UNIDADES ESTN EN POR CIENTO DE RADIACIN

AL TOPE DE LOS RBOLES

(1995). Este modelo divide el dosel del rbol en cinco capas de igualtamao y calcula la PAR en cada una de acuerdo con la ecuacin 6.

PAR(z) = PAR(hc) exp -k LAI (6)

donde:PAR(hc) PAR en la parte superior del rbol, [mol/m2 s]

k = 0.60 Coeficiente de extincin de la PARLAI ndice de rea foliari Nmero de capa

2i12[ ]( (

55 CAPTULO SEGUNDO

El coeficiente k de extincin de la PAR vara entre 0.28 y 0.84(Vose y Swank 1990). Geron et al. (1995) recomiendan un coeficientede 0.60, el cual es un valor intermedio, tanto para conferas comopara rboles deciduos o de hoja ancha.

El ndice de rea foliar (LAI, por sus siglas en ingls), es un nme-ro adimensional que representa la relacin del rea proyectada por lashojas respecto del rea del suelo, ecuacin 7. Este ndice describe pro-piedades fundamentales de la interaccin de la planta con la atmsfe-ra, especialmente en cuanto a radiacin, energa, momentum e inter-cambio de gas. Su valor depende de la especie, fenologa y ambiente,pero en general, tanto para rboles de hoja ancha, como conferas vade 1 a 10.

LAI = (7)

Existen diversas tcnicas para medir el LAI, las ms sencillas sebasan en la coleccin de hojas vivas o cadas, lo que requiere un traba-jo intensivo de muestreo, que puede involucrar la destruccin de unaparte del follaje. Las tcnicas ms recientes se basan en la transmitanciadel dosel, es decir, la cantidad de radiacin solar que penetra la copade los rboles (Clougth et al. 1997). En caso de no contar con valoresdel LAI de la regin de modelacin se pueden emplear valores publi-cados para rboles de la misma especie de otra regin. El cuadro 1presenta los valores de LAI empleados por Velasco (2003) para elValle de Mxico. Geron et al. (1994) determinaron un LAI promediode 3, 5 y 7 m2 para pinos, deciduas y otras conferas, respectivamente.

Temperatura de la hoja

Para calcular los factores de emisin se requiere conocer la tempera-tura de la hoja, la cual al igual que la PAR, vara en funcin de laaltura del dosel. Las hojas de los rboles dependen de la temperatu-

rea hojasrea suelo


ra ambiental, que a su vez depende de la hora del da y estacin delao, as como de diversas variables meteorolgicas y topogrficasde la regin. Por lo general, la diferencia entre la temperatura de lashojas y la temperatura ambiental es pequea ( 1 C) y se conside-ran iguales.

La temperatura vara en funcin del estrato del rbol debido aefectos de conveccin y radiacin de calor de la atmsfera, el suelo yel propio rbol. Para considerar estas variaciones se emplean comn-mente modelos empricos para cuantificar el aumento o disminucinde la temperatura en funcin de la altura del rbol. Uno de estosmodelos es el de Lamb et al. (1993), el cual divide al rbol en ochocapas de igual tamao, (ecuacin 8).

T(z) = Thc + (hc - z) (8)

donde: Thc Temperatura del aire en la parte superior del rbol hc Altura del rbol = 0.06C m-1 Factor de ganancia de temperatura du

rante horas del da = - 0.06C m-1 Factor de ganancia de temperatura

durante horas de la noche z Altura de la capa

El factor de ganancia de temperatura se debe a que durante la nocheel suelo est ms caliente que el aire, lo que implica que se enfren msrpido las hojas superiores hasta equilibrarse con la temperatura del aire,mientras que las hojas inferiores captan el calor despedido por el suelo.Durante el da el aire est ms caliente que el suelo, aunado a que laradiacin es ms intensa en las capas superiores y presentan temperatu-ras un poco mayores que las capas inferiores.

57 CAPTULO SEGUNDO

Factores de emisin

Un factor de emisin es un valor representativo que relaciona la can-tidad de un compuesto liberado a la atmsfera con un proceso oactividad asociada con la emisin del mismo. Los factores se expre-san normalmente como la masa emitida dividida por algn parmetrodimensional del proceso, como masa procesada, volumen consumi-do, distancia recorrida o duracin de la actividad. En el caso de losfactores para emisiones biognicas se emplean ndices de emisin paracada especie vegetal corregidos por efectos de temperatura y radia-cin solar. Hasta la fecha los modelos de emisin se basan en losfactores desarrollados por Guenther et al. (1995), los cuales se expli-can a continuacin.

Factor de emisin para isopreno

La ecuacin 9 muestra como se determina el factor de emisin deisopreno para condiciones dadas de temperatura y PAR de acuerdocon Guenther et al. (1993, 1994, 1995).

I = IS x CL x CT (9)

donde:I Emisin de isopreno.IS ndice de emisin de isopreno estandarizada a una temperatura de 30 C y una PAR de 1000 mol/m2 s.CT Factor de ajuste por la temperatura de la hoja.CL Factor de ajuste por PAR.

El factor CL se define como:

CL = (10)CL1L

(1 + 2L2)


donde: = 0.0027CL1 = 1.066L PAR [mol/m2s]

El factor CT relaciona la dependencia de las emisiones de isoprenocon la temperatura mediante la ecuacin 11, simulando la respuestade la actividad enzimtica con la temperatura.

CT = (11)

donde:CT1= 95,000 J/molCT2= 230,000 J/molTS = 303 K (temperatura estndar)R = 8,314 J/ K kmol (constante universal de los gases)Tm = 314 KT temperatura de la hoja temperatura ambiental [K]

Los coeficientes , CL1, CT1, CT2 y TM en las ecuaciones 10 y 11 sonvalores empricos obtenidos a partir de ajustes no lineales de medicio-nes de ndices de emisin en diversas especies vegetales. El coeficienteCL1 est manejado para ser igual a 1 en condiciones estndar de PARa 1,000 mol/m2 s. Este coeficiente puede cambiarse si se simulanotros factores que influyan en las emisiones, siempre y cuando se co-nozcan sus relaciones, como por ejemplo, la influencia de la intensi-dad de la luz en el crecimiento de la planta.

Existen diversos trabajos donde se han determinado los ndicesde emisin para diferentes especies de rboles y plantas (Guenther etal. 1993, Guenther et al. 1994, Benjamn et al. 1996, Isebrands et al.1999, Owen et al. 2001). A manera de ejemplo en el cuadro 1 se

CT1 (T-TS)RTST

CT2 (T-TM)RTST

exp

1+exp

59 CAPTULO SEGUNDO

presentan los ndices de emisin empleados por Velasco (2003) en elclculo de las emisiones biognicas en el Valle de Mxico. Si se desco-nocen los ndices para especies especficas de una regin se recomien-da utilizar ndices para especies de la misma familia con su propioerror asociado. La mayora de los ndices identificados hasta la fechacorresponden a bosques templados de latitudes medias en los Esta-dos Unidos de Amrica y Europa, aunque para bosques tropicalesan no se tiene mucha informacin. Afortunadamente, los bosquestemplados de Mxico estn compuestos por especies identificadas enlos bosques de EE.UU. o al menos de la misma familia, lo que haservido para desarrollar sus propios inventarios de emisiones.

Factor de emisin para monoterpenos y otros compuestosorgnicos voltiles

Las emisiones de monoterpenos y otros compuestos orgnicos vol-tiles con un tiempo de vida menor a un da (OCOV) dependen de latemperatura de la hoja, la humedad relativa, la humedad foliar y laintensidad de la luz. Todas estas variables, excepto la temperatura dela hoja, tienen una influencia mnima en las emisiones. La ecuacin 12presenta la relacin que se emplea para simular la dependencia de latemperatura en los factores de emisin de monoterpenos y OCOV.

M = MS exp ((T-TS)) (12)

donde:M Factor de emisin en [g/m2 s] a una temperatura T [K]MS ndice de emisin en [g/m2 s] a temperatura estndar (TS = 30 C) Coeficiente emprico (K-1)

El ndice de emisin MS contempla las variaciones en las emisio-nes por el genotipo, la disponibilidad de nutrientes en el suelo, la


CUADRO 1. FACTORES DE EMISIN (FE) DE ISOPRENO, MONOTERPENOS Y OTROSCOMPUESTOS ORGNICOS VOLTILES CON TIEMPO DE VIDA MENOR A UN DA

(OCOV), DENSIDADES DE BIOMASA E NDICES DE REA FOLIAR (LAI) PARA LASESPECIES CONSIDERADAS POR VELASCO (2003) EN EL CALCULO DE LAS EMISIONES

BIOGNICAS EN EL VALLE DE MXICO

ESPECIE Densidad LAI a FE FE FEde biomasaa [m2/m2] Isoprenob Monoter- OCOVb

[gbiom./m2] penosb

Vegetacin zonas ridas 150 0.00 0.433 0.630 0.378Cultivos (maz) 1500 577.6 0.00 0.472 1.889Cipreses o cedros blancos(Cupressus) 700 4.5 0.10 1.60 1.50Oyameles (Abies) 1500 4.5 0.1133 3.4 1.85Pinos (Pinus) 700 4.5 0.1132 3.4 1.85Encinos (Quercus) 375 4.5 79.3 0.227 1.848Ailes (Alnus) 375 4.5 0.1133 0.1133 1.85Pastizales 150 0.00 0.1120 0.280 0.1680Vegetacin en tierras hmedas por temporal 500 0.00 0.1120 0.280 0.1680Eucaliptos (Eucalliptus) 375 4.5 79.3 3.40 1.85

[mg/gbiom. h]

a Geron et al. 1994.b ndices de emisin estandarizados a una temperatura de 30C y una PAR de 1000mol/m2 s.Fuente: Guenther et al. 1993 y 1994.

fenologa, la humedad relativa, la humedad foliar y los estrs de laplanta. Puede encontrarse una recopilacin completa de los valores deMS para diversas especies en Guenther et al. (1993). El coeficiente

61 CAPTULO SEGUNDO

establece la relacin entre la temperatura y el factor de emisin. Elvalor de est entre el rango de 0.057 a 0.144 K-1, pero el 50% de lasespecies tienen un coeficiente de 0.09 K-1.

Factores de emisin para metilbutenol

Harley et al. (1998) reportaron que ciertas especies de conferas nor-teamericanas emiten 2-metil-3-buten-2-ol (metilbutenol o MBO) conndices de emisin 1 o 2 rdenes de magnitud superior a los ndicestpicos de monoterpenos y en algunos casos con ndices similares deisopreno de especies altamente emisoras. Previamente se haba ob-servado este compuesto en abetos noruegos como una feromonacontra el ataque de escarabajos. La importancia de las emisiones demetilbutenol radica en que reacciona con el radical OH en latroposfera, contribuyendo a la formacin de ozono y acetona anivel regional.

Los factores de emisin de metilbutenol responden a cambios enla intensidad de la PAR y temperatura ambiental de manera similar alos factores de isopreno, por lo que se emplea el mismo algoritmoque para el isopreno desarrollado por Guenther et al. (1993), incorpo-rando factores de correccin empricos para la PAR y temperaturapropuestos por Harley et al. (1998).

Para el caso de Mxico es importante considerar las emisionesde metilbutenol, pues varias de las especies estudiadas por Harley etal. (1998) son caractersticas del pas. Por ejemplo, en el Valle deMxico varios bosques estn formados por Pinus montezumae, Pinuspseudostrobus y otros del subgnero oocarpae que llegan a tener ndicesde emisin estndar de hasta 25 g C/Gbiom. h. Velasco (2003) hizouna primera estimacin de las emisiones de biognicas de metilbutenolen el Valle de Mxico, encontrando que stas podran ser hasta 2,508ton/ao, lo que representara una cuarta parte de las emisiones deisopreno.


Factores de emisin de otros compuestos biognicosprovenientes de pastizales

Kirstine et al. (1998) realizaron mediciones de emisiones de compues-tos oxigenados provenientes de pastizales del sureste de Australia,encontrando flujos de 23,000 gC/m2 h en promedio. Estos resulta-dos son importantes en la cuantificacin de emisiones biognicas en lasabana y regiones donde dominan los pastizales, como en la regincentral y norte de Mxico. Las emisiones de compuestos oxigenadosprovenientes de pastizales incluyen metanol, etanol, propanona,butanona y etanal; mientras que sus emisiones de isopreno ymonoterpenos son extremadamente bajas. La ecuacin 2.13 presentala relacin que Kirstine et al. (1998) determinaron para estimar lasemisiones del pasto en funcin de la PAR y temperatura. Es impor-tante sealar que esta relacin se encuentra en proceso de revisin yque sus resultados pueden presentar varianzas entre el 60 y 65%.

Emisin = 9.01x10-7 PAR3 (2.46x10-3T2-6.22x10-7T4-1) (13)

CUANTIFICACIN DE EMISIONES DE XIDO NTRICODEL SUELO

Como se explic en el captulo anterior, las emisiones de xidontrico provenientes del suelo son resultado de los procesos denitrificacin y desnitrificacin, los cuales son muy complejos y elconocimiento actual sobre ellos an es incipiente. Por lo tanto, lasrelaciones empricas que los describen son hasta ahora la mejor al-ternativa, y por lo tanto son las que se emplean en los inventarios deemisiones. Williams et al. (1992b) propusieron cuantificar las emisio-nes de NO del suelo mediante la ecuacin 14, dependiendo nica-mente de la temperatura y tipo de uso del suelo, variables relativa-mente fciles de identificar.

63 CAPTULO SEGUNDO

Emisin NO = Aexp(0.071TSoil) (14)

donde la emisin de NO est en [ng/m2 s]. A es un factor asocia-do con la categora de uso del suelo con unidades de [ng / m s], yTSoil es la temperatura del suelo en [C]. Para la implementacin deun inventario de emisiones es ms fcil conocer la temperatura am-biental que la temperatura del suelo, por lo que sta ltima puedeobtenerse mediante un algoritmo de conversin conociendo la pri-mera. Williams et al. (1992b) propusieron cuatro categoras de uso delsuelo: pastizales, bosques, pantanos y reas de cultivo. Para cada unahicieron mediciones en diversos sitios de la temperatura ambiental yde la temperatura del suelo, y mediante ajustes de mnimos cuadradosentre ambas calcularon las relaciones que se presentan en el cuadro 2.

CUADRO 2. VALORES DE LAS VARIABLES DEL MODELO DE EMISIN DE XIDONTRICO DE WILLIAMS et al. (1992)

Uso de suelo Factor A ndice de Temperatura[ng N/m2 s] fertilizacin estimada en el suelo

[kg N/ha]

Pastizal 0.9 - 0.66TA + 8.8Bosque 0.07 - 0.84TA + 3.6Pantano otierras hmedas 0.003 - 0.92TA + 4.4Maz 9 121 (13) 0.72TA + 5.8Algodn 4 58 (5) 1.03TA + 2.9Avena 3 40 (9) 1.03TA + 2.9Soya 0.2 3 (1) 1.03TA + 2.9

TA: temperatura ambiente en [C].Los nmeros en parntesis indican desviaciones estndar.


La categora de pastizales incluye pastos cortos y altos, praderas,estepas y campos de pastura, pero no incluye regiones ridas con mato-rrales y desiertos. La categora de bosques incluye tanto bosques deconferas como de rboles de hoja ancha, sin importar su elevacin yzona climtica. La categora de pantanos y tierras hmedas incluye reasde agua dulce y agua salada. Las reas de agricultura se dividieron deacuerdo con el tipo de cultivo y del tipo de fertilizante empleado.

APLICACIONES DE LOS INVENTARIOS DE EMISIONESBIOGNICAS

El clculo y compilacin de las emisiones de la vegetacin y el suelode una regin determinada conforman un inventario de emisionesbiognicas. Si a stas se le suman las otras emisiones de origen naturaly antropognicas, se obtiene un inventario de emisiones a la atmsfe-ra. Dentro del manejo integral de la calidad del aire, tanto a nivelglobal, regional y local, los inventarios de emisiones junto con losmodelos matemticos de formacin y dispersin de contaminantes ylos sistemas de monitoreo atmosfrico son las herramientas bsicaspara establecer estrategias de control y abatimiento de contaminantes.

De forma general se puede definir un inventario de emisionesbiognicas como la base de datos que se genera a partir de la infor-macin referente a la vegetacin, uso del suelo y condiciones climato-lgicas especficas de una regin aplicados a modelos para cuantificardiversos procesos biolgicos que generan las emisiones de COVB yNO. La informacin contenida en dicha base de datos definir lacalidad y precisin del inventario de emisiones.

Los inventarios de emisiones biognicas comparten muchas de lasaplicaciones de los inventarios de emisiones antropognicas, entre lasque podemos citar el aporte de datos de entrada para modelos decalidad del aire, los cuales tienen como fin ltimo predecir las concen-traciones de contaminantes secundarios al simular diversas condicio-nes meteorolgicas y comportamiento de las fuentes, as como eva-

65 CAPTULO SEGUNDO

luar diferentes medidas y estrategias para abatirlas. A continuacin semencionan algunas de las aplicaciones y reas de oportunidad de losinventarios de emisiones biognicas que en muchas ocasiones no co-inciden con las de otros inventarios de emisiones a la atmsfera.

Niveles mnimos de hidrocarburos y NOx en una regin. Aunque no hayapresencia humana en una determinada regin, sta siempre presentarconcentraciones de hidrocarburos voltiles y NOx provenientes de lavegetacin y suelo, lo que representa la concentracin base, que nopodr ser reducida por alguna medida de control. Todas las emisio-nes antropognicas se sumarn a las emisiones biognicas, obteniendoel total de emisiones en una regin. Al despreciar la contribucin deestas emisiones, se sobreestima la eficiencia de las estrategias para re-ducir el ozono y aerosoles orgnicos.

Planes de reforestacin. Dentro de los planes de reforestacin de unlugar se deben tomar en cuenta las emisiones de cada especie de rbolcomo una herramienta ms para determinar la especie ms adecuada.En bosques desforestados, por lo general lo ms conveniente esreforestar con las especies nativas, mientras que en reas urbanas es

emisiones biogenicas

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