Análisis de riesgo asociado a la exposición crónica a plaguicidas, con el uso de Sistemas de Información Geográfica y percepción remota

Abstract

Para evaluar el riesgo de las poblaciones aledañas a zonas de cultivo a la exposición crónica de plaguicidas por vía aérea, se estudió la deriva de los compuestos clorpirifos etil, cipermetrina, atrazina, glifosato y 2-4-D utilizados en la producción de maíz y trigo en una zona de riego del Bajío de Guanajuato, durante el ciclo agrícola 2019-2020. Se implementó un análisis multicriterio de las variables que intervienen en la evaluación de los componentes del riesgo, es decir, la vulnerabilidad (intrínseca y extrínseca) y la amenaza, estableciendo pesos específicos para cada variable por medio del Proceso de Jerarquías Analíticas (PJA) y haciendo uso de herramientas como los Sistemas de Información Geográfica (SIG) y la percepción remota (PR), para facilitar el cálculo y la integración de la información. Para la determinación de las variables de vulnerabilidad intrínseca se obtuvieron datos de población total y grupos vulnerable por manzana, del censo 2020 del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), correspondientes a 17 localidades del área de estudio, así como información relativa a la topografía. En el caso de las variables de vulnerabilidad extrínseca se analizaron datos de rapidez y dirección de vientos de un periodo de 9 años (2013 a 2021), obtenidas de la red de estaciones meteorológicas de la Fundación Guanajuato Produce A.C. También se determinó la propensión del suelo a la erosión y las barreras geológicas con información del INEGI y las barreras vegetales con observaciones en campo. La amenaza se determinó integrando la exposición potencial de las zonas urbanas y la severidad de cada plaguicida evaluado. Para determinar la exposición potencial, primero se obtuvo el área de cultivos circundantes a los puntos poblacionales, para lo cual se realizó la clasificación de cobertura de suelo de imágenes de satélite, correspondientes a las dos temporadas del año agrícola: primavera-verano (PV) y otoño-invierno (OI). Estas clasificaciones consistieron en la identificación de los cultivos presentes en el área de estudio por medio del entrenamiento y validación del algoritmo de clasificación supervisada Random Forest, utilizando como insumo el levantamiento de 107 y 323 parcelas para las temporadas PV y OI respectivamente, 9 imágenes Sentinel-2 de mayo a noviembre del 2019 (PV) y 11 de diciembre del 2019 a mayo del 2020 (OI), descargadas de la plataforma Copernicus de la Agencia Espacial Europea, así como los índices espectrales NDVI y NDWI derivados de las mismas imágenes. Los resultados mostraron una precisión global de 79.1% para la clasificación PV y 87.9% para OI, los cuales son valores aceptables, si se comparan con ejercicios similares reportados por otros autores. De los mapas obtenidos, se aislaron las zonas urbanas, de maíz y de trigo y se establecieron buffers a 500 m de distancia de cada pixel urbano, para calcular el área de cultivos dentro ellos. Esta información, junto con la dosis del plaguicida, la formulación comercial, el número de aplicaciones que se realizan por temporada, la proporción de productores que lo emplean y la proporción estimada de pérdida de producto por deriva, sirvió para determinar la exposición potencial de cada pixel urbano a cada uno de los compuestos evaluados. Cabe señalar que en el caso de la proporción de pérdida por deriva se consideraron tres escenarios: pérdida mínima (14%), promedio (46%) y máxima (78%), según valores reportados en la literatura. En lo que se refiere a la severidad de los plaguicidas, se utilizó el índice de riesgo ambiental (ERI), el cual permitió establecer una comparación entre las características fisicoquímicas y el perfil toxicológico de los ingredientes activos evaluados, obteniendo valores “muy bajos” para el glifosato y la cipermetrina, “bajos” para el 2-4-D y atrazina e “intermedio” para clorpirifos etil. Esta información se utilizó, en conjunto con la exposición potencial, para determinar la amenaza de las zonas urbanas. Una vez determinadas todas las variables de los componentes de vulnerabilidad y amenaza, se procedió a normalizarlas dentro de una escala de 5 niveles (muy alto, alto, intermedio, bajo y muy bajo) para luego ponderarlas e integrarlas en niveles de agregación de acuerdo con la metodología del PJA, obteniendo finalmente la evaluación de riesgo por escenario de deriva. Con esta evaluación se determinó que 11.8% de las manzanas que componen las localidades urbanas están “sin riesgo”, por corresponder a zonas donde no hay población, y por lo tanto vulnerabilidad, o no hay amenaza, por no tener parcelas a menos de 500 m de distancia, o bien se presentan ambas características. También se observó que predomina la categoría riesgo “bajo” en la mayoría de las localidades (más del 70% de las manzanas) y solamente una pequeña fracción (2.1% en el escenario de mayor deriva) se encuentra en riesgo “intermedio”. Aun así, no se deben minimizar estos resultados, ya que en esta última categoría se encuentra el 9% del total de la población del área de estudio, del cual el 48% corresponde a población vulnerable, es decir 722 niños y 719 mujeres en edad reproductiva. Las localidades con manzanas dentro de la categoría de riesgo “intermedio” son San Nicolás de los Agustinos, San Pedro de los Naranjos, Maravatío del Encinal y Cupareo. Estos resultados muestran que la integración de herramientas de evaluación indirecta del riesgo, como son los sistemas de información geográfica, la percepción remota y el análisis multicriterio de variables, puede ser de gran utilidad para determinar las zonas urbanas más expuestas a la deriva de plaguicidas utilizados en zonas de agricultura intensiva.

In order to assess the risk of chronic exposure to pesticide drift in populations surrounded by croplands, five compounds (chlorpyrifos ethyl, cypermethrin, atrazine, glyphosate, and 2-4-D) used in the production of corn and wheat in an irrigation area of the Bajío de Guanajuato were evaluated during the 2019-2020 agricultural cycle. A multi-criteria analysis of the variables involved in the evaluation of risk components was implemented, that is, vulnerability (intrinsic and extrinsic) and threat, establishing specific weights for each variable through the Analytical Hierarchy Process (AHP) and making use of tools such as Geographic Information Systems (GIS) and remote sensing, to facilitate the calculation and integration of the information. Data on the total population and vulnerable groups per block, as well as information on the topography, corresponding to 17 localities in the study area, was obtained from the Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) 2020 census to determine the intrinsic vulnerability variables. In the case of extrinsic vulnerability variables, wind speed and direction data were analyzed for a period of 9 years (2013 to 2021), obtained from the network of meteorological stations of the Fundación Guanajuato Produce A.C. The propensity of the soil to erode and the geological barriers were also determined with information from INEGI and the vegetable barriers with field observations. The threat was determined by integrating the potential exposure of urban areas, and the severity of each pesticide. To establish the potential exposure, the area of crops surrounding the population points was first obtained, for which two land cover classification of satellite images were carried out for the spring-summer (SS) and autumn-winter (AW) agricultural seasons. These classifications consisted of the identification of the crops present in the study area through the training and validation of the Random Forest supervised classification algorithm, using as input the survey of 107 and 323 plots for the SS and AW seasons, respectively, 9 Sentinel-2 images from May to November 2019 (SS) and 11 from December 2019 to May 2020 (AW), and the normalized difference vegetation and water indices (NDVI and NDWI) derived from the bands of Sentinel-2 images. The results showed overall accuracies of 79.1% for the SS classification and 87.9% for the AW, which are acceptable compared to similar exercises reported by other authors. From the maps obtained, urban, corn and wheat areas were isolated, and buffers were established 500 m away from each urban pixel to calculate the area of crops within them. This information, together with the dose of the pesticide, the commercial formulation, the number of applications per season, the proportion of producers that use them, and the estimated proportion of product loss due to drift, served to determine the potential exposure of each urban pixel to each of the evaluated compounds. It should be noted that in the case of the proportion of loss due to drift, three scenarios were considered: minimum loss (14%), average (46%), and maximum (78%), according to values reported in the literature. Regarding the severity of pesticides, the environmental risk index (ERI) was used, which allowed a comparison between the physicochemical characteristics and the toxicological profile of the active ingredients evaluated, obtaining the category "very low" for glyphosate and cypermethrin, "low" for 2-4-D and atrazine, and "intermediate" for chlorpyrifos ethyl. This information was used, in conjunction with potential exposure, to determine the threat to urban areas. Once all vulnerability variables and threat components were determined, they were normalized within a 5-level scale (very high, high, intermediate, low and very low). They were weighted and integrated through aggregation levels, according to the AHP methodology, to obtain the corresponding risk assessment by drift scenario. The outcome showed that 11.8% of the urban blocks are "without risk", as they correspond to areas where there is no population, and therefore no vulnerability because they do not have croplands within 500 m, or both characteristics are present. It was also observed that the "low" risk category predominates in most localities (more than 70% of the blocks) and only a fraction (2.1% in the maximum drift scenario) is at "intermediate" risk. However, these results should not be underrated since 9% of the total population of the study area is in this last category, of which 48% corresponds to vulnerable population, that is, 722 children and 719 women of reproductive age. The localities with blocks within the “intermediate” risk category are San Nicolas de los Agustinos, San Pedro de los Naranjos, Maravatío del Encinal and Cupareo. These results show that the integration of indirect risk assessment tools, such as geographic information systems, remote sensing and multicriteria analysis, can be very useful to determine the urban areas most exposed to pesticide drift.