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Introducción
Según Bôas y Lima (2022) y Souza (2024), el contexto histórico que implica la formación de áreas protegidas en Brasil está marcado con el objetivo de conservar áreas que preserven la biodiversidad, los recursos naturales y los ecosistemas, garantizando la preservación de la flora y fauna, además de proteger áreas de relevancia ambiental, cultural y científica, ya que desempeñan un papel crucial en la sustentabilidad del equilibrio ecológico, promoción del desarrollo sostenible y mitigación de los impactos negativos, producto de actividades antrópicas, en el ambiente.
Dicha preservación, exponen Parra-Sanchez y Banks-Leite (2020), se extiende para los diferentes biomas brasileños, ya que, considerando el desarrollo agropecuario del país, existe la necesidad de implementar diversas prácticas de preservación ambiental en área estratégicas, con el fin de proteger los recursos naturales, considerando que las áreas destinadas para cultivos agrícolas en el país aumentaron 41,9 millones de ha en los últimos 37 años, pasando de una extensión de 19,1 millones en 1985 a 61 millones en 2022, esto según Da Silva (2023) y MAPBIOMAS (2023).
En este sentido, Hunke et al, (2015) señalan que el Cerrado brasileño ha presenciado una expansión significativa de la frontera agrícola, acompañada por una acelerada degradación, incluido la conversión de áreas naturales en tierras de cultivos, deforestación, perdida de diversidad biológica y degradación del suelo, puesto que es el bioma de mayor extensión agrícola del país, concentrando la mitad de los cultivos nacionales de soja de acuerdo con MAPBIOMAS (2023).
Klink et al, (2020) y Cunha y Bravo (2022) señalan que, en consecuencia a lo mencionado, el Cerrado es uno de los biomas con mayor pérdida de áreas conservadas de Brasil. Así mismo, Latrubesse et al. (2019), Souza Jr. et al. (2020) y Cunha y Bravo (2022) explican que, aunque la biodiversidad del país componga el 5% del total mundial y que el bioma represente el 19% del potencial hídrico de Brasil, menos del 10% de sus áreas se encuentran protegidas por Unidades de Conservación (UCs), lo cual representa un valor menor al 2% del total de áreas protegidas de país.
En adición, esta situación se ve agravada cuando se trata de áreas que son responsables por el abastecimiento de una ciudad, como es el caso de la sub-cuenca hidrográfica de captación de agua del Ribeirão Santa Isabel, manantial responsable del abastecimiento público del municipio de Paracatu, Minas Gerais, que cuenta con aproximadamente 94 mil habitantes según el IBGE (2024). En este contexto fue creada una Unidad de Preservación Integral (UCI), denominada Parque Estatal de Paracatu, con el objetivo de proteger el bioma cerrado y restringir la actividad agropecuaria, garantizando así la sostenibilidad de los recursos hídricos necesarios para el abastecimiento público, esto estipulado por el IEF (2011) y Malav (2022).
De igual forma, existen otros factores que causan conflicto sobre el uso del agua en el área, en donde la mayoría no están relacionados con la escasez, sino con la ineficacia e insuficiencia de la gestión de conflictos de recursos hídricos; el Instituto Minero de Gestión de Aguas (IGAM) declaró la sub-cuenca hidrográfica del Ribeirão Santa Isabel y sus sub-cuencas como Área de Conflicto (DAC) en cumplimiento a la solicitud del Ministerio Público de Minas Gerais (MPMG) según el ZAP (2018). Además, Costa et al. (2021) señalan que en el municipio las licencias concedidas para consumo humano, abrevaderos de animales y otros usos se consideran insignificantes en comparación con las concedidas para irrigación.
En consideración a lo mencionado, y tomando en cuenta lo estipulado por Martins y Galvani (2020), Saha et al. (2021) y Ullah et al. (2023), el presente trabajo se justifica en el hecho de que el uso y la cobertura del suelo son fundamentales en la regulación del ciclo del agua, y los cambios en su uso influyen directamente en el balance de radiación y en la alteración de los parámetros biofísicos: albedo, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) y Land Surface Temperature (LST).
Por otro lado, Yuan et al. (2020), Zhao et al. (2021) y Martins et al. (2022) afirman que se desconoce el efecto real que la creación del Parque Estatal de Paracatu generó en la condición hídrica de la vegetación presente en la sub-cuenca hidrográfica, pudiendo esta ser obtenida por medio del uso de técnicas del Sistema de Información Geográfica (SIG) y geoprocesamiento, la cual es representada en la literatura por el parámetro Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI), que está estrechamente relacionado con las variaciones del uso del suelo y, consecuentemente, con la LST.
Ante lo expuesto, el presente estudio tiene como objetivo analizar la variación de la LST e del TVDI, para los años 2005 y 2020, en la cuenca hidrográfica del Ribeirão Santa Isabel, responsable por el abastecimiento público de agua para la ciudad de Paracatu, en Brasil; así como evaluar las alteraciones espacio-temporales de los indicadores tras la implementación del Parque Estatal de Paracatu, localizado en la sub-cuenca hidrográfica.
Área de estudio
La sub-cuenca hidrográfica del Ribeirão Santa Isabel (Figura 1) se encuentra en la Unidad de Planeamiento y Gestión de Recursos Hídricos del Rio Paracatu (UPGRH SF7), la cual está localizada, en su totalidad, en el municipio de Paracatu, Minas Gerais, Brasil.
Actualmente, existe una alta demanda hídrica en la sub-cuenca para el riego de extensas áreas con pivotes centrales de irrigación, de forma que, la Zonificación Ambiental Productiva (ZAP) (2018), documento que analiza el territorio de forma detallada, considerando los aspectos productivos, económicos y ambientales, que busca orientar o planeamiento del uso conservacionista de los recursos naturales en una determinada subcuenca hidrográfica; identifico que aproximadamente el 2% de los pivotes de irrigación están ubicados en un área específica.
Vale resaltar que esta situación representa una visión incompatible con la realidad de área de estudio, ya que, existen captaciones observadas en visitas de campo que no se encuentran en la base del Sistema Integrado de Información Ambiental (SIAM) según la ZAP (2018). En respuesta a esto, el IEF (2011) indica que fue creado el Parque Estatal de Paracatu, siendo considerado una técnica de preservación ambiental que busca garantizar los recursos hídricos necesarios para el abastecimiento del agua en la ciudad de Paracatu, así como la biodiversidad del área; proporcionando corredores ecológicos y refugio para la fauna local.
Según Álvares et al. (2014), el clima que predomina en la sub-cuenca hidrográfica del Ribeirão Santa Isabel es el tropical del tipo Aw, de acuerdo con la clasificación de Köppen (1931), contando con invierno seco (mayo - octubre) y verano lluvioso (noviembre - abril), con una temperatura media de 23,1ºC y precipitación media de 1305 mm/año, en donde los meses de mayor y menor precipitación son julio y diciembre, respectivamente.
Ya en cuestión a los tipos de suelo presente en el área, Santos et al. (2018) señalan que el Sistema Brasileño de Clasificación de Suelos (SiBCS) identificó la presencia de las clases Cambisoles mixtos, Latosoles rojos, Latosoles rojo-amarillos, Neosoles fluidos y Neosoles litólicos.
Elección del período analizado y obtención de los datos
La elección del período de las imágenes fue basada en la disponibilidad de los datos y ocurrencias de los fenómenos climáticos El Niño y La Niña, anomalías que según Duarte y Ribeira (2023), modifican la interacción entre el océano y la atmosfera afectando a diferentes regiones en Brasil, modificando el sistema climático, de acuerdo con lo establecido por Correia-Filho et al. (2022) y Santos et al. (2022).
También se optó por dos fechas distintas, siendo una de ellas anterior a la implementación decreto estatal de la implementación del parque (Decreto nº 45.567/2011 de 22/03/2011) y una fecha posterior, de tal forma que fuese posible verificar, temporalmente, la posible efectividad de la práctica de preservación, así como los efectos en el área de Brasil (2011).
Debido a la resolución temporal del satélite Landsat, en conjunto a la posible presencia de nubes en periodos de lluvia, varios estudios similares, como los de Govind y Ramesh (2019) y Carrasco et al. (2020), utilizaron análisis temporales de datos, principalmente la determinación de la LST, en donde generalmente, fue utilizada solo una imagen para representar un determinado periodo. En el presente estudio se optó por utilizar 2 imágenes satelitales para cada año (2005 y 2020), con el objetivo de representar, con mayor efectividad, el comportamiento espectral de los parámetros analizados.
El estudio realizado Xu et al. (2023) enfatiza como las imágenes Landsat son ampliamente utilizadas para la estimación de evaluaciones de la LST, por lo que, para mitigar las variaciones temporales, el presente estudio, utilizó la media entre las imágenes escogidas de la base de datos de la United States Geological Survey (USGS) (Tabla 1), para representar, con mayor efectividad, el comportamiento de la LST e del TVDI para los años 2005 y 2020.
Tabla 1 Fechas de las imágenes utilizadas
| Año | Imagen 1 | Imagen 2 | Imagen representativa del año |
|---|---|---|---|
| 2005 (Landsat-5) | 30/06 | 01/08 | Média de la imagen 1 e imagen 2 |
| 2020 (Landsat-8) | 05/09 | 12/09 | Média de la imagen 1 e imagen 2 |
Elaboración propia
Una vez seleccionadas, fueron seleccionadas aquellas imágenes con menor presencia de nubes en el área de estudio y que pertenecieran a la misma estación del año, esto con el fin de estandarizar el comportamiento de los parámetros analizados. Posteriormente, fue utilizado el proceso de Resampling y Reducing Resolution, con la técnica de vecino más próximo, utilizando el software QGIS 3.2.12, estandarizando los pixeles, buscando la uniformidad de la resolución espacial de los satélites (30m), puesto que presentan discrepancias en la misma para la banda termal, siendo esta de 120 metros en el caso de satélite Landsat 5 y 100 metros para Landsat 8.
Obtención, extracción y análisis de la LST y del TVDI
Para el cálculo de la LST (Ecuación 1), los números digitales de la imagen se convirtieron a unidades de radiancia, tal y como es recomendado en la metodología propuesta por el USGS (2023).
Ecuación 1.
(1)
Leyenda: ML= Factor multiplicativo de redimensionamiento de la banda termal*, AL= Factor de redimensionamiento adictivo especifico de la banda termal*, Ocal = Valor calibrado cuantificado por el píxel en DN, T = temperatura en Celsius, K2 = constante de calibración 2* y K1 = constante de calibración 1*. *Valores empleados em el procesamiento de las imágenes (extraído del archivo de metadatos).
Para la imagen Landsat-8, se adicionó el valor de -0,29 a los valores de radiancia de cada píxel de la imagen, conforme a la recomendación del USGS (2016). Este ajuste corrige el error de luz dispersa, estimado em 0,29 W/m²/sr/µm. Además, el USGS (2016) recomienda el uso de la banda 10 durante la estimativa de la temperatura para minimizar a interferencia, la cual ocurre con mayor intensidad en la banda 11 (0,51 W/m²/sr/ µm).
Posteriormente, fue utilizada una máscara a escala 1:50.000 que representase la cuenca hidrográfica analizada, la cual fue obtenida de la secretaria del Medio Ambiente del municipio de Paracatu y una máscara para el Parque Estatal de Paracatu, obtenida en la plataforma de Registro Nacional de Unidades de Conservación del Ministerio de Medio Ambiente.
Para el monitoreo de las condiciones hídricas de la vegetación, se utilizó el TVDI propuesto por Sandholt et al. (2002), en donde fueron aplicados los ajustes propuestos por Zare et al. (2019), visualizados en la Ecuación 2.
Ecuación 2.
(2)
Leyenda: TS corresponde a la LST del pixel, TSMIN es la LST mínima del triángulo, definiendo el límite húmedo, NDVI es el índice vegetación estimado; a y b son parámetros que definen el límite seco modelado como ajuste linear de los datos (TSMAX=a+bNDVI), en donde: TSMAX es la observación máxima de la LST para un determinado NDVI. Los parámetros a y b son estimados con base en píxeles de un área lo suficientemente extensa como para representar la condición hídrica de la vegetación que se encuentra en el área, tal y como es expuesto por Sandholt et al. (2002).
Elaboración propia con base al Martins et al. (2022); Sandholt et al. (2002)
Figura 2 Diagrama Triangular Evaporativo del TVDI
Una vez realizados los cálculos, los datos pasaron por un proceso de validación, siendo esta realizada por medio del conocimiento previo del área de estudio; en donde es resalta que, ante los dos años analizados en el presente estudio (2005 y 2020), no fue posible realizar la validación in situ. Sin embargo, la validación fue de manera visual con ayuda de profesionales que trabajan en el Parque Estatal y, también con colaboradores de la secretaria de medio ambiente del Ayuntamiento Municipal de Paracatu.
Para esto, fueron utilizadas imágenes históricas del software Google Earth v. 7.3.6 e imágenes satelitales a color Landsat 5 y Landsat 8, para los respectivos años analizados, esto posibilito que los colaboradores pudiesen verificar la realidad actual del área de estudio del periodo analizado y los resultados obtenidos a través de los parámetros utilizados.
Resultados y discusión
Los resultados de la variación temporal de la LST en el área de estudio son presentados en la Figura 3, en donde es posible verificar la variación de la LST en °C para la sub-cuenca de captación del Ribeirão Santa Isabel y del Parque Estatal de Paracatu.
El comportamiento de la variación espacio-temporal de la LST para los años de 2005 y 2020, son presentados en la Figura 4, en donde es posible verificar los resultados para la sub-cuenca de captación de Ribeirão Santa Isabel y en el Parque Estatal de Paracatu, demostrando la importancia de esta UCI para el control del microclima y, consecuentemente, colaborando para el mantenimiento de los servicios ecosistémicos para abastecimiento público de agua en el área de estudio.
No obstante, al comparar el comportamiento de la LST en el área de estudio, es identificado que la media de este parámetro tuvo un incremento de 1,47°C en el interior de la sub-cuenca hidrográfica, mientras que, en el Parque Estatal presento un comportamiento opuesto, con una disminución de 1,85°C, evidenciando que la vegetación, independientemente del tamaño del área, es un factor determinante de las condiciones climáticos locales, así como es demostrado por Chen et al. (2022), Kaiser et al. (2022), Yao et al. (2022), Algretawee (2022), Santos et al. (2024).
El mismo patrón fue observado al analizar la LST máxima de las áreas, como se muestra en la Tabla 2. Sin embargo, en relación con la LST mínima, esta tendencia no se mantuvo, lo cual puede estar relacionado con la presencia de nuevas áreas verdes en las proximidades de la UCI. Esto se contempla en el estudio de Santos et al. (2023) que analiza las variaciones del uso y ocupación del suelo para esta sub-cuenca hidrográfica entre 1990 y 2020, lo que también es un efecto positivo de la práctica de preservación, dado el aumento de las inspecciones de los órganos ambientales en las inmediaciones.
Tabla 2 Variación de la LST máxima y mínima em el área de estudio
| Variación de la LST máxima del área de estudio | |||
|---|---|---|---|
| 2005 (ºC) | 2020 (ºC) | Variación (ºC) | |
| sub-cuenca hidrográfica | 27,78 | 30,20 | + 2,42 |
| Parque Estatal de Paracatu | 26,46 | 24,08 | - 2,38 |
| Variación de la LST mínima del área de estudio | |||
| 2005 (ºC) | 2020 (ºC) | Variación (ºC) | |
| Cuenca hidrográfica | 19,27 | 18,83 | - 0,44 |
| Parque Estatal de Paracatu | 18,86 | 19,26 | + 0,4 |
Elaboración propia.
En lo que respecta al incremento de la LST media en la sub-cuenca de captación, se encuentra el valor de 0,098ºC por año analizado, bajo un presunto cambio gradual durante los 15 años analizados. Un resultado similar fue encontrado también por Alemu (2019), el cual verificó un incremento de 0,081ºC en la serie temporal en la cuenca hidrográfica de Andassa, que forma parte de la cuenca del Nilo Azul de Etiopía, evidenciando la validez del método.
Contrariamente a lo anterior, el área UCI presentó una disminución de aproximadamente 0,16ºC por año. Este escenario indica que la implementación del Parque Estatal de Paracatu, considerado como una práctica de preservación por el Instituto Estatal de Florestas (2011), obtuvo resultados positivos en el confort térmico del área, actuando como agente reductor de las altas temperaturas y presentando condiciones micro climáticas favorables, conforme observado por Paixão et al. (2020), al encontrarse aguas arriba de la sub-cuenca hidrográfica.
El aumento temporal de la LST media, mínima y máxima en el área externa del Parque Estatal de Paracatu indica que se presentó, durante el intervalo de 15 años, una intensificación en la degradación de la vegetación del área, con un incremento de áreas de pastoreo y diferentes tipos de cultivos como soja y café, los cuales provocaron cambios en su LST. Vale la pena destacar que, por más que el presente estudio no haya analizado los cambios en el uso y ocupación del suelo en el área de estudio, la LST es un parámetro que se encuentra correlacionado con dichas alteraciones, esto es demostrado en estudios como el de Wang et al. (2018), Alemu (2019), Kaiser et al. (2022) y por Njoku y Tenenbaum (2022), en donde fue encontrado que la LST aumenta de acuerdo con la intensificación de la supresión de la vegetación natural para la implementación de actividades antrópicas.
Además, Santos et al. (2023) verifican la interferencia de los cambios del uso del suelo en la variación de la LST de la sub-cuenca, siendo estos cambios, correlacionados con las variaciones de la LST. Sin embargo, los autores no analizaron la interferencia de la práctica de preservación ambiental (Parque Estatal de Paracatu) en el área; de esta forma, el estudio es complementado a los resultados obtenidos por los autores.
Según Wang et al. (2018) y Dissanayake et al. (2019), diversos estudios han demostrado que el mapeo de la LST es un parámetro clave para comprender los impactos del cambio de uso del suelo en el medio ambiente, proporcionando información útil sobre las condiciones de la superficie, tal como lo estipulan Govind y Ramesh (2019) y Santos y Simionatto (2023), y ayudando a comprender los parámetros correlacionados con las condiciones ambientales. En el presente estudio, por más que no haya sido realizado ningún tipo de análisis temporal del cambio y ocupación del suelo, se cree que es posible vincular esa variación a través de parámetros indirectos y que sean influenciados por este manejo, como la LST y el TVDI.
De esta manera, el escenario presentado en el área de estudio puede convertirse en un parámetro importante a ser evaluado e investigado en las evaluaciones de impacto ambiental de las actividades antrópicas en la región, considerando que, dada la potencial supresión de la vegetación natural para la implantación de estas actividades, sería posible, en el área de estudio, conciliar el desarrollo económico con el bienestar climático, considerando el comportamiento de la LST, para los años 2005 y 2020, en el interior del Parque Estatal y en toda la sub-cuenca hidrográfica.
En este sentido, el uso de índices es extremadamente importante para la evaluación del comportamiento del cambio climático, como el TVDI utilizado para evaluar la variación temporal en el área de estudio, mostrado en la Figura 5.
El comportamiento de la variación espacio-temporal del TVDI para los años 2005 e 2020, son presentados en la Figura 6.
Con respecto al resultado del comportamiento espacio-temporal del TDVI, es posible analizar la situación hídrica de la vegetación presente en el sub-cuenca hidrográfica del Ribeirão Santa Isabel para los años 2005 y 2020, verificándose un desplazamiento de los píxeles a valores próximos a 1 en el último año analizado, lo que representa una tendencia de las condiciones de estrés hídrico del suelo y, que muy probablemente está relacionado con la posible supresión de la vegetación natural por la implantación de actividades antrópicas comunes en la zona, el pastoreo.
Por otro lado, cuando se verifica el comportamiento espacio-temporal de este parámetro en el Parque Estatal de Paracatu, se observa que su comportamiento fue opuesto al presentado por los píxeles de la sub-cuenca, ya que los valores se aproximan de 0, indicando una mejora temporal en las condiciones hídricas del suelo, señalando que la práctica de preservación - implementación del Parque Estatal (IEF, 2011) - ha influido, de forma positiva, en la región analizada.
Con relación al comportamiento espectral del TVDI para los años 2005 y 2020, se observó un aumento de la media del parámetro, durante el intervalo de 15 años, en la sub-cuenca hidrográfica, mientras que, en el Parque Estatal de Paracatu, este valor disminuyó.
Tal situación, analizada con el comportamiento de la variación de la LST en las respectivas áreas, atestigua que la práctica de preservación ambiental está causando un efecto positivo en los aspectos ambientales de la sub-cuenca hidrográfica del Ribeirão Santa Isabel.
Finalmente, cabe destacar que, dados los resultados presentados anteriormente, los Gestores Públicos pueden estudiar acciones para certificar la creación de una nueva UCI, con el fin de garantizar una mayor preservación del área estudiada y la seguridad hídrica de la ciudad de Paracatu, a través del incremento de la vegetación.
Conclusiones
Ante la variación espacio-temporal de la LST y del TVDI, es posible concluir que la implementación del Parque Estatal de Paracatu, creado para conservar las características del bioma cerrado y garantizar los recursos hídricos necesarios para el abastecimiento de agua de la ciudad de Paracatu, está teniendo un efecto positivo en el área, ya que, mientras que la sub-cuenca hidrográfica presento un incremento general en la LST máxima (2,4 °C) durante el periodo analizado, dentro del Parque Estatal de Paracatu el comportamiento fue opuesto, con una disminución de 2,38°C, presentándose una situación similar en la evaluación del comportamiento de la LST mínima en ambas áreas.
En relación con el TDVI, analizando el comportamiento del índice para los años 2005 y 2020 en la sub-cuenca hidrográfica, se identificó que su distribución espacial permite concluir que existe una tendencia de estrés hídrico en el área, mientas que para el Parque Estatal de Paracatu, los valores son próximos a 0 para el 2020, lo cual indica una mejoría temporal en la condición hídrica dentro del área de conservación ambiental.
Frente a esta perspectiva, se considera que los indicadores analizados en el presente estudio representan instrumentos efectivos de gestión ambiental, cuyos resultados pueden ser base para una mejor toma de decisiones por los organismos públicos y fiscalizadores, al igual que el uso de herramientas de SIG y técnicas de geoprocesamiento utilizadas.
Finalmente, se recomienda la creación de puntos, aquí denominados estratégicos, distribuidos por el perímetro de la sub-cuenca hidrográfica para que, a lo largo de los años, pueda existir una armonía entre las actividades antrópicas presentes en la región y el medio ambiente, teniendo como objetivos la preservación del bioma cerrado, el aumento de la vegetación y, consecuentemente, la disponibilidad hídrica en el área de estudio
