Programas de monitoreo del medio marino costero

OBJETIVOS

Los objetivos de este capítulo son: (i) analizar la planificación y realización de monitoreos y la evaluación de impactos en sistemas inter y submareales someros de fondos duros, con especial énfasis en Chile; (ii) analizar la secuencia de pasos necesaria para alcanzar diseños de programas de monitoreo robustos, incluyendo los objetivos, preguntas, hipótesis y uso de estadística descriptiva e inferencial; (iii) destacar cuán clave resulta para un programa de monitoreo robusto las etapas de diseño, estudio piloto y línea base; (iv) presentar los modelos de diseños de muestreos y de análisis estadísticos más comúnmente usados en monitoreos bióticos costeros de fondos duros; (v) discutir el porqué, a nivel mundial, los programas de monitoreo presentan fallas, que en muchos casos impiden la publicación de los resultados (aún en el caso que exista acuerdo de publicación de ellos entre el mandante y el ejecutor); (vi) sugerir algunos puntos para mejorar lo anterior.

Figura 1

Esquema de secuencias mayores y tomas de decisiones en la planificación y diseño de un programa de monitoreo o de vigilancia ambiental (ver texto para detalles).

Tabla 1

Elementos básicos para métodos, tomas y análisis de datos en el diseño de un programa

de monitoreo bajo el modelo general “Control-Impacto”.

Diseño control-impacto: datos, modelos y análisis:• Identificar objetivos.• Identificar la(s) variable(s).• Decidir por diseño(s) de muestreo(s).• Decidir por modelos y estadística asociada.• Objetivos, revisión bibliográfica, preguntas, hipótesis.• Número de muestras, temporalidad, diseño, análisis estadístico.• Muy útil: tomar datos en sitio a ser impacto antes del impacto.• Muy útil: tomar datos en sitios aledaños o controles antes del impacto.• Análisis de la información del monitoreo y de la serie temporal.• El análisis de la información debe contener métodos estadísticos descriptivos y métodos estadísticos inferenciales, con prueba de hipótesis y uso de probabilidades.• Las conclusiones y recomendaciones, sobre la existencia o no de un efecto estresor/impacto, deben basarse en inferencias estadísticas con uso de probabilidades (puesta a prueba de ho) y tipo de errores usados.

PREGUNTAS RELEVANTES

Las preguntas más relevantes para los programas de monitoreo en los sistemas marinos costeros de fondos duros son: ¿qué es y en qué consiste un programa biótico/biofísico de monitoreo del inter y submareal somero de fondos duros? ¿cuáles deberían ser los objetivos e hipótesis relacionadas con los posibles impactos ambientales y cómo ellas se ponen a prueba en seguimientos de largo plazo ¿debe el ejecutante de un programa de monitoreo atenerse exclusivamente a las guías y sugerencias técnicas de la autoridad? ¿cómo se pueden mejorar los diseños, los análisis, la robustez estadística, y los resultados de los programas de monitoreo? ¿se puede/debe contemplar flexibilidad en la planificación y diseño de programas de monitoreo? ¿quién necesita monitoreos ambientales? (Lovett et al., 2007).

DESARROLLO

1. Programas de monitoreo

Una de las preguntas más simples, aunque clave, es cuál es la definición de un programa de monitoreo ambiental. En síntesis existen dos definiciones internacionales más aceptadas: (i) una serie de observaciones intermitentes o regulares de largo plazo, a fin de verificar el grado de cumplimiento de una norma o su grado de desviación (si las observaciones son regulares ello lleva a la conformación de series de tiempo); (ii) una serie de observaciones intermitentes o regulares de largo plazo en que se levanta información de terreno (biológica-física-química) a fin de alcanzar objetivos y poner a prueba hipótesis contenidas en un PVA (si las observaciones son regulares ello lleva a la conformación y análisis de series de tiempo).

Como ejemplo, en Chile la Dirección General del Territorio Marítimo y de Marina Mercante, Armada de Chile, DIRECTEMAR (2001a) establece guías metodológicas (no vinculantes) en relación con los PVA para descargas de residuos líquidos, de puertos y terminales marítimos u otros; a modo de guía y definiciones indica:

[1] “El usuario planificará un Programa de Vigilancia Ambiental o Monitoreo de las condiciones del medio, cuyo objetivo será vigilar las condiciones ambientales del área de influencia, de manera que no se sobrepasen los límites de aceptabilidad establecidos según los criterios de las normas vigentes de calidad del cuerpo de agua (columna de agua y sedimentos)”… [2] “Además, deberá entregar información sobre el comportamiento de aquellos parámetros ambientales, que se estima puedan sufrir alteraciones como resultado de la operación de las instalaciones involucradas en el proyecto, con el objeto de detectar otras alteraciones e impactos no previstos, teniendo en cuenta los antecedentes de línea base y así considerar oportunamente las medidas correctivas más adecuadas” …[3] “Se deberá elaborar en cada campaña, un informe que recopile y compare la información obtenida de los monitoreos anteriores, así como también de los estudios de línea base, efectuando un análisis basado en una discusión acabada acerca de los cambios y tendencias ambientales que se verifiquen en y entre los elementos involucrados en el medio ambiente acuático, cuando corresponda”. (Además ver DIRECTEMAR, 2001b, 2015).

En general, se observa que en estas guías y definiciones están contenidos algunos de los elementos de las dos definiciones de monitoreo más aceptadas. En la primera sección [1] se destaca el objetivo de vigilar normas vigentes; en la segunda [2] la necesidad de medir parámetros ambientales y más aún detectar alteraciones e impactos, considerando la línea base; en la tercera [3] se indica que no basta con informar sobre las campañas de monitoreos, sino que se deben analizar cambios y tendencias y relacionarlos con la línea base. Desafortunadamente estas indicaciones no explicitan la necesidad de poner a prueba hipótesis con métodos estadísticos inferenciales robustos (ver más adelante).

2. Tipos de monitoreos

Algo que ayuda a explicitar los objetivos de los seguimientos es analizarlos técnicamente de acuerdo con los tres tipos básicos de monitoreos: (i) Monitoreo Centinela de Larga Duración, cuyo objetivo es medir la tasa y la dirección de una norma o cambio de largo plazo y permite distinguir tendencias direccionales de largo-plazo (e.g., concentración de un ion); (ii) Monitoreo Operacional de Relaciones de Presión-Estado, cuyo objetivo es medir los estados y cambios observados en relación con sus causas y permite complementar la información sobre tendencias y explorar cambios relacionados con normas, poblacionales, comunitarias; y otros, debidos a causas o presiones antropogénicas y/o de origen natural. Ello requiere la formulación de preguntas, hipótesis, diseños de muestreo, análisis estadístico inferencial y se aplica especialmente donde se espera un impacto o gradiente de “presión” (e.g. control-impacto); (iii) Monitoreo de Investigación, cuyo objetivo es conocer estructuras y dinámicas temporales y espaciales de sistemas, para así investigar, con el uso del método científico, cambios, sus causas y tendencias y permite evidenciar causalidad. Para la identificación de causa-efecto se ponen a prueba hipótesis a través de manipulaciones con diseño experimental y ello es una de las aproximaciones más potentes para determinar presiones y consecuencias (e.g., áreas marinas protegidas y efectos en el ecosistema de la no extracción de recursos litorales (Castilla, 1999; Navarrete et al., 2010).

“En general los programas de monitoreos ambientales planificados y no planificados tienen mala reputación y muchos han fallado” (Lowett et al., 2007; Lindenmayer & Likens, 2009). Por ejemplo, según Norton (1996) en Nueva Zelandia cerca del 50% de estos programas han fallado y no se publican los resultados. Para Chile no existe una revisión sistemática sobre la robustez de los numerosos programas de monitoreo para los ambientes inter y submareales de fondos duros y ciertamente son pocos los resultados publicados sobre estos tipos de monitoreos, no solo del medio marino litoral y sublitoral, sino que en los relacionados a otros sistemas (una de las excepciones es el libro editado por Arcos, 1998). Además, muchos científicos estiman que estos programas están alejados de la ciencia más dura (Hellawell, 1991) principalmente por las fallas en los diseños, puesta a prueba de hipótesis, robustez estadística y porque existe muy escasa flexibilidad para adaptaciones o modificaciones (Lindenmayer & Likens, 2009).

3. Causas de las fallas en los programas de monitoreo

En la literatura internacional se destaca que las causas de las fallas de estos programas son varias: (i) falta de financiamiento a largo plazo; en especial para monitoreos regionales que permitan conocer la variabilidad natural de los sistemas; (ii) sus ejecuciones, por aspectos políticos contingentes (emergencias), no se basan en preguntas e hipótesis; (iii) existen fallas de formulación correcta de las hipótesis, los diseños de muestreos, los modelos y la estadística utilizada suele ser inadecuada en relación con la evaluación de los impactos y sus causas: “de modo que se distinga y separe la variabilidad ambiental del impacto antropogénico”; (iv) existe una falta de trabajo interdisciplinario, en particular con la participación de profesionales estadísticos; (v) existe muy escasa flexibilidad para adaptaciones o modificaciones; (vi) existe falta de control de calidad por las autoridades responsables; (vii) algunos o todos los anteriores (Lindenmayer & Likens, 2009). Algunos de estos puntos son discutidos a continuación.

4. Una posible ruta en la planificación y diseño de los programas de monitoreo

La Figura 1 muestra 3 unidades (encuadradas) con algunos de los conceptos centrales, secuencias y posibles pasos a seguir para la adecuada planificación y diseño de un programa tipo de monitoreo. A pesar de que muchos de los programas de monitoreo son idiosincráticos para un lugar e impacto determinado, la primera unidad de la Figura muestra los elementos básicos a considerar en el primer paso. Esto es, señalar él o los objetivos, preguntas, diseños, modelos, hipótesis, análisis estadísticos, y en especial una revisión bibliográfica exhaustiva de la literatura nacional e internacional (biológica, ambiental, física, estadística, otra). Además, se deben considerar los posibles sitios de estudio, las posibles unidades biofísicas a medir y los problemas para la disposición de las réplicas y controles que presenta el sitio a ser estudiado. Por ejemplo, para el intermareal de fondo duro tomando en cuenta no solo variables bióticas, como las unidades de franjas de zonación intermareal (e.g., Castilla, 1981), sino que algunas geofísicas; por ejemplo, variables como: exposición al oleaje (e.g., Castilla et al., 1998), orientación, pendientes de las plataformas, heterogeneidad del hábitat.

La segunda unidad de la Figura incluye un estudio piloto, que antecede a la realización de línea de base, donde se ensaye un diseño del tipo de muestreo (e.g., sitios fijos o elegidos al azar); número de réplicas a usar y la distribución de los sitios controles en relación al sitio a ser impactado; determinación del tamaño del cuadrante mínimo a usar (a través del uso de diversos tamaños de cuadrantes y estimado del tamaño mínimo: donde se produce el aplanamiento respecto al número de especies). Además, muy importante, la determinación del número de réplicas o número mínimo de muestras a usar en la medición. Por ejemplo, para esto último, a través de un muestreo piloto: (i) usar la fórmula de Kingsford & Battershill (1998) y graficar en un gráfico cartesiano el número de réplicas (n) versus el error estándar (EE) de la Media; con ello se producirá una curva con decaimiento negativo y a partir de allí decidir (a ojo) el número de réplicas en el lugar en que se produce un aplanamiento/nivelación en EE / Media; ya que a partir de allí existe poca diferencia al agregar más réplicas; (ii) usar la fórmula de Andrew & Mapstone (1987):

n = [DS / p Media]2; donde p es la precisión deseada (i.e., 0,20), como una proporción de la Media (e.g., número de cuadrantes); la Media es el valor promedio de las muestras y SD es la Desviación Estándar de la Media; (iii) usar la fórmula de Snedecor & Cochran (1980),

n = 4s2 / L2, donde, L es el error predeterminado (95% límite de confianza) de la Media y s es la Varianza (para un ejemplo cuantitativo ver Murray et al., 2002).

Todo lo anterior guiado por los objetivos, preguntas, métodos e hipótesis del estudio. Este paso exploratorio es esencial y permite revisitar las estrategias y decisiones tomadas inicialmente en la primera unidad del programa. Cada situación de monitoreo es idiosincrática y no basta en la metodología de un monitoreo, por ejemplo, decir: “se usó un cuadrante de 25 x 25 cm2 y citar una fuente bibliográfica”. Estos ejercicios pilotos deben realizarse en cada sitio de monitoreo y deben ser parte de la metodología del PVA. La etapa del estudio piloto habitualmente no es considerada como un paso indispensable en los PVA; lógicamente esta unidad encarece los estudios. Sin embargo, ella es de alta trascendencia para la planificación y el diseño, no solo de la línea base, sino que para los seguimientos posteriores donde el ahorro inicial de fondos se puede transformar en problemas insolubles a lo largo de los seguimientos.

La tercera unidad en la secuencia en la Figura 1 es la planificación y diseño de una línea base, que idealmente debería considerar al menos 2-4 estudios anuales, incluyendo estacionalidad; lo que también encarece el estudio. Sin embargo, es básico contar con más de una campaña anual de línea base. Una sola campaña de línea base no puede recoger la variabilidad biológica-físico-química temporal. Si se cuenta con más de una campaña de línea base (idealmente 4-6), se podrá tener una aproximación a la variabilidad natural del sistema antes del impacto. Esto es algo que se reforzaría si existiesen mediciones en el tiempo de carácter permanente o esporádico, en un ámbito geográfico más regional; por ejemplo, que incluyese mediciones a lo largo de decenas o centenas de kilómetros del litoral. En esta unidad es más difícil generalizar por lo idiosincráticos de los diferentes monitoreos; sin embargo, algunas mediciones y decisiones pueden ser generalizadas. Se sugiere que el árbol de toma de decisiones podría estar guiado por el uso de la estadística, en función de los objetivos, preguntas e hipótesis. Los métodos estadísticos a usar deben elegirse antes de la realización del estudio piloto o de la línea base, y ponerse a prueba allí (sobre todo en el caso que se cuente con más de una línea base), y pueden ser de carácter descriptivo e inferencial; ya sea que se utilice estadística paramétrica; no paramétrica, bayesiana, geo-estadística u otra. La estadística descriptiva hace referencia al uso de diferentes métodos para describir, organizar y resumir la información (e.g., promedios, dispersión, varianza, percentiles) y sirve para la construcción de gráficos y tablas. Mientras que la estadística inferencial hace referencia al uso de métodos para obtener y medir la confiabilidad de las conclusiones acerca de una población (parámetros) o característica/propiedad de una población o comunidad, basado en la información obtenida a través de muestras y con el uso de modelos de distribución y teoría de probabilidades (e.g., análisis de varianza uni, bi o multivariado). El método básico de la estadística inferencial es la prueba de hipótesis.

5. Una posible secuencia de decisiones en los monitoreos

La Tabla 3-1 muestra un esquema básico de secuencias de decisiones a ser implementado durante la línea base y durante un monitoreo del tipo Impacto-Control Planificado, con la tipología Presión-Estado o de Investigación (además ver Kroger & Johnston, 2016). La secuencia lógica es identificar con precisión los objetivos generales y específicos; identificar la(s) variable(s) a medir; decidir por una estrategia y diseño de muestreo, los modelos y la estadística descriptiva e inferencial a usar. Se deben generar las hipótesis a poner a prueba y él o los modelos estadísticos a ser usados. Aparece como esencial generar información (el máximo posible) para el sitio a ser impactado y aledaños “antes” de que ocurra el impacto (ver abajo los modelos y estadística más usada). Las conclusiones a extraer de los PVA deben ser inferenciales, con uso de probabilidades y discriminaciones entre los impactos naturales y los de origen antropogénicos. A medida que avanza el programa es necesario recurrir a análisis de las series de tiempo y en los análisis estadísticos siempre incorporar la información de línea(s) base.

Los tipos más comunes de modelos de diseño y de análisis estadísticos usados en monitoreos operacionales de relaciones de presión-estado y de investigación son: (i) diseño de gradiente, donde los muestreos son realizados a intervalos de distancias desde el punto de impacto (e.g., ducto submarino). Se usan cuando existe evidencia, teórica o práctica, de que se producirá un gradiente del impacto. Los análisis estadísticos pueden ser por Regresión, Análisis de Varianza (ANDEVA), Análisis de Covarianza (ANCOVA), Multivariado, otros; (ii) diseño Antes-Después- Impacto-Operación (Before-After), donde los muestreos son tomados en el mismo sitio, “antes” y “después” de un impacto planificado. El sitio de muestreo es siempre el mismo y eso elimina los problemas de variaciones espaciales; sin embargo, el gran problema es que este diseño no permite separar variaciones naturales temporales (e.g., variaciones en surgencias marinas, temperatura del agua de mar, otras) del efecto debido al impacto del agente; (iii) diseño Control-Impacto-Antes-Después (Before-After-Control-Impact: BACI), donde el diseño más simple es el de un sitio control y un sitio impactado. Ambos son muestreados para la variable de interés una vez “antes” y una vez “después”. La discriminación sobre el impacto está entonces basada en la interacción entre Tiempo y Sitio y se usa la variabilidad entre las muestras (en un sitio) como el término de error. Sin embargo, se debe asumir que las variables medidas en ambos sitios siguen una misma trayectoria a través del tiempo y si ello no es así, es posible que las diferencias sean o no producto del impacto; (iv) diseño de Series Pareadas Antes-Después-Control-Impacto (BACIPS: Paired Series), donde se combinan dos diseños. La base estadística para la determinación de impacto son las diferencias “antes” versus las diferencias “después”, de la variable seleccionada y se analiza con ANDEVA (Underwood, 1997). La base de comparación estadística es que cada diferencia en el tiempo “antes” es un estimado independiente de la variación espacial natural entre el Control y el Sitio Impactado. El análisis asume que cada diferencia en las mediciones “antes” es un estimado independiente de la variación espacial entre el sitio control y el que va a ser impactado. El diseño tiene limitaciones, ya que no hay réplicas espaciales (Underwood, 1994), pero existen aproximaciones analíticas para solucionarlo (Stewart-Oaten et al., 1986; Stewart-Oaten, 1996); (v) diseño Antes-Después-Control-Impacto Asimétrico, donde existen varios controles y un solo sitio impactado, que es analizado “antes” y “después” del impacto. El uso de varios sitios controles ayuda a mejorar problemas del diseño BACI tradicional, incluyendo el problema de interacciones espacio-temporales de BACIPS. El análisis estadístico (ANDEVA) permite observar diferencias estadísticas entre los cambios de múltiples controles (presumiblemente variables) versus el sitio impactado (Underwood, 1997; Guiñez & García-Bartolomei, 2020).

Aparte de las citas entregadas en esta sección de modelos y análisis estadísticos para monitoreos existe una cantidad importante de información científica y estadística relacionada, de la cual se destacan: Green (1979, 1989); Hulrbert (1984); Stewart-Oaten et al. (1986, 1992); Fairweather (1991); Warwick & Clarke (1991); Keough & Quinn (1991); Underwood (1991, 1992); Underwood & Peterson (1988); Clarke (1993,1997); Underwood & Petraitis (1993); Osenberg et al. (1994, 1996); Osenberg & Schmitt (1996); Ellis & Schneider (1997); Kingsford & Battershill (1998); Kingsford (1998a,b); Underwood & Chapman (1998); Clarke & Gorley (2001) Murray et al. (2002); Peterson et al. (2003); Lindenmayer & Likens (2009); Magurran et al. 2010; Boon et al. (2011); Schwartz (2015); Kroger & Johnston (2016); Guiñez & García-Bartolomei (2020).

Además, se sugiere que tres son referencias claves de ser analizadas en la planificación general, diseño, métodos y ejecución de programas de monitoreos litorales: (1) Murray et al. (2002), que resume y analiza críticamente los varios métodos biofísicos para la correcta realización de estudios de monitoreo, de impacto y ecológicos para costas litorales rocosas. (2) Noble-James et al. (2017), que presentan una guía actualizada para el análisis de ambientes marinos bentónicos; (3) Lindenmayer & Likens (2009), quienes resumen y analizan la problemática de flexibilización de los programas de monitoreo a lo largo del tiempo y lo presentan como un nuevo paradigma de futuro.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Como conclusiones y recomendaciones es posible precisar que en Chile es necesario hacer vinculantes, actualizar y precisar con mayor rigor las instrucciones, ordenanzas o guías oficiales para la planificación, métodos, diseño, análisis y ejecución de PVAs de monitoreos bióticos-biofísicos de fondos duros del borde costero. Esto especialmente en relación con: (i) estudios piloto de monitoreo, previos a la realización de las líneas de base; (ii) clarificar y enfatizar más la rigurosidad estadística y robustez requerida en los análisis de cada estudio de los monitoreos; (iii) se deben hacer esfuerzos para guiar la metodología que permita distinguir entre impactos naturales y antropogénicos, ya que en un estudio de impacto ambiental ello está en la base misma de las hipótesis a contrastar. En Chile esto aparece como un déficit en muchos de los informes de monitoreos litorales; (iv) se deben exigir muchos más análisis de series de tiempo, incluyendo las líneas base; (v) las autoridades deberían estar abiertas a recibir sugerencias, bien fundadas, sobre adaptaciones o modificaciones de los PVA litorales, lo que en inglés se conoce como “adaptive monitoring” (Lindenmayer & Linkens, 2009); (vi) se requiere trabajar en la elaboración y perfeccionamiento permanente de Manuales o Guías Operativas de procedimientos, diseños, métodos y análisis estadísticos para estos monitoreos. Por ejemplo, países como USA, UK, N. Zelandia que mantiene estos manuales actualizados en sus agencias ambientales y los consultores los usan como los mínimos necesarios y sobre ello agregan mediciones que hacen más robustos los resultados, conclusiones y recomendaciones. Sin embargo, la falta (o escases) de estos manuales en Chile, no justifica, en muchas ocasiones, la falta de acuciosidad y robustez de los diseños, métodos y análisis estadísticos y conclusiones de los PVA litorales, ya que existe numerosa literatura al respecto.

El mensaje final es que en Chile podemos/debemos hacer monitoreos bióticos de fondos duros en el borde costero del tipo Impacto-Control planificado, bajo la tipología Presión-Estado, con mucho mayor robustez que la que muestran la gran mayoría de los monitoreos actuales.

REFERENCIAS

Andrew, N. L. & Mapstone, B.C. (1987). Sampling and the description of spatial pattern in marine ecology. Oceanography & Marine Biology Annual Review, 25: 39-90.

Arcos, D. (1998). Minería del Cobre, Ecología y Ambiente Costero. Concepción, Chile: Editorial Aníbal Pinto, S.A.

Armada de Chile. (2001a). Dirección General del Territorio Marítimo y de Marina Mercante, Dirección de Intereses Marítimos y Medio Ambiente Acuático. Guía Metodológica de revisión técnica sectorial de estudios de impacto ambiental en el medio ambiente acuático de jurisdicción nacional para proyectos que contemplan “Descargas de residuos líquidos, de puertos y terminales marítimos u otros”, 27 pp.

Dirección General del Territorio Marítimo y de Marina Mercante, Armada de Chile. (2001b). Dirección de Intereses Marítimos y Medio Ambiente Acuático. Guía Metodológica sobre procedimientos y consideraciones ambientales básicas para la descarga de aguas residuales mediante emisarios submarinos, 15 pp.