Integración de tecnologías geoespaciales y datos multifuente para el análisis de la presencia de metales pesados en explotaciones agro-forestales en el Ecuador continental

Over the past five years, the European Union has recorded annual import values exceeding $6 million in food products, with bananas, shrimp, and cocoa derivatives standing out. Germany, Belgium, Spain, France, the Netherlands, and Italy represent key export markets for these products from Ecuador. Sustaining and enhancing this economic activity, while ensuring compliance with Europes stringent production and quality standards for agricultural products, necessitates monitoring the health status of agricultural operations at their origin before commercialization. This doctoral thesis proposes an analytical method for detecting trace elements in agroforestry soils, involving the integration of geospatial technologies and multi-source data. Through these technologies, heavy metals are spectrally characterized, utilizing specific wavelengths relevant to the study of the issue. These wavelengths allow for the proposal and adjustment of vegetation indices and/or differential analysis of principal components, aiming to spatially identify these elements. Following the theoretical study, experimental research was conducted in the Southeast Regional Park and the Guadalquivir River Valley in Spain. Additionally, technology transfer was carried out, leveraging the knowledge, skills, and tools acquired in Spain and applying them to Ecuador, specifically in the study area located between the towns of Francisco de Orellana and Shushufindi. In the Spanish study areas, trace elements such as: arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr), copper (Cu), mercury (Hg), nickel (Ni), lead (Pb), and zinc (Zn) were characterized in both soil and vegetation using spectral signatures obtained in controlled environments and analytical results from laboratory testing. Based on this characterization, distinctive spectral bands were selected to locate potential areas impacted by heavy metals using techniques such as Crosta analysis and normalized difference spectral indices. The study demonstrated high accuracies (>80%) using the Crosta technique with Sentinel-2 imagery for detecting As, Cr, and Ni in soil, as well as As in vegetation in the Southeast Regional Park. In contrast, in the Guadalquivir River Valley, the detection of Hg and Zn in soil and As, Cr, Cu, and Zn in vegetation stood out, while the lowest accuracy was observed in detecting Cd. On the other hand, the use of PRISMA imagery facilitated spectral selection; however, it showed lower accuracies compared to Sentinel-2, ranging between 45% and 55%, primarily due to the limited number of samples available for validation. Normalized difference indices in Sentinel-2 were more user-friendly than the Crosta technique, yielding good results for Cr and Cu (>80%) in vegetation. Regarding the results of technology transfer from Spain to Ecuador, acceptable accuracies were achieved in the detection of trace elements, with significant improvements in some cases, such as Cd and Ni in soil (>60%) and Cr, Ni, and Zn in vegetation. Spectral indices demonstrated good accuracy for As, Cd, Cr, and Ni in soil, as well as Hg, Ni, and Pb in vegetation, although elements such as Cu, Hg, Pb, and Zn showed lower performance. Direct beneficiaries of this research include farmers, agroforestry producers, institutions such as the Ministry of Agriculture and Livestock (MAG), local authorities, and researchers. Indirectly, the work benefits consumers, importing countries, the environment, public policy, and society, promoting more effective regulations for sustainable land management. RESUMEN La Unión Europea, en los últimos 5 años, ha registrado valores anuales sobre los 6 millones de dólares en importación de productos alimenticios, de los que sobresalen el banano, el camarón y derivados de cacao. Alemania, Bélgica, España, Francia, Holanda e Italia, constituyen uno de los principales mercados de exportación para Ecuador de los mencionados productos. Mantener y potenciar esta línea económica y el cumplimiento de las normativas que Europa impone a las condiciones de producción y a la calidad de los productos agrícolas, genera la necesidad de monitorear el estado de salud de las explotaciones agrícolas en origen, previo a su comercialización. La presente tesis doctoral propone un método de análisis para la detección de elementos traza en tierras agro-forestales, el cual implica la integración de tecnologías geoespaciales y datos multifuente. A partir de estas tecnologías se caracterizan espectralmente los metales pesados, contando con longitudes de onda útiles para el estudio del problema, las cuales permiten proponer y ajustar índices de vegetación, y/o analizar diferencialmente componentes principales, con la finalidad de localizarlos especialmente. Una vez realizado el estudio teórico del problema, se efectuaron investigaciones experimentales en el Parque Regional del Sureste y en el valle del río Guadalquivir en España. Además, se llevó a cabo una transferencia de tecnología, a partir de las habilidades, conocimientos y herramientas adquiridas en territorio español, a suelo ecuatoriano, específicamente a la zona de estudio ubicada entre los poblados de Francisco de Orellana y Shushufindi. A partir de las zonas de estudio en España, se pudieron caracterizar los elementos traza: arsénico (As), cadmio (Cd), cromo (Cr), cobre (Cu), mercurio (Hg), níquel (Ni), plomo (Pb) y zinc (Zn), tanto en suelo como en vegetación, empleando como insumo principal las firmas espectrales obtenidas en gabinete como las analíticas realizadas en laboratorio. A partir de la caracterización mencionada se seleccionaron bandas espectrales características las cuales fueron utilizadas en el proceso de localización de posibles zonas afectadas por metales pesados, empleando técnicas como la de Crósta e índices espectrales de diferencia normalizada. El estudio evidenció buenas precisiones (> 80%), empleando la técnica Crósta con imágenes Sentinel-2, para detectar As, Cr y Ni en suelo, y As en vegetación en el Parque Regional del Sureste, mientras que en el valle del río Guadalquivir destacó la detección de Hg y Zn en suelo, y As, Cr, Cu y Zn en vegetación, mientras que, la menor precisión obtenida fue al momento de detectar Cd. Por otro lado, el uso de imágenes PRISMA facilitaron la selección espectral, sin embargo, presentaron precisiones menores en comparación a Sentinel-2, las cuales fluctúan entre 45 y 55%, debiéndose a la escasa cantidad de muestras para validación. Los índices de diferencia normalizada en Sentinel-2 fueron más amigables que la técnica Crósta, con buenos resultados para Cr y Cu (> 80%) en vegetación. En cuanto a los resultados de la transferencia de tecnología de España a Ecuador, se obtuvieron precisiones aceptables en la detección de elementos traza, con mejoras significativas en algunos casos, como Cd y Ni en suelo (> 60%) y Cr, Ni y Zn en vegetación. Los índices espectrales evidenciaron una buena precisión para As, Cd, Cr y Ni en suelo, y para Hg, Ni y Pb en vegetación, aunque elementos como Cu, Hg, Pb y Zn presentaron rendimientos más bajos. Los beneficiarios directos de la investigación incluyen agricultores, productores agroforestales, instituciones como el Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG), autoridades locales e investigadores. Indirectamente, impacta a consumidores, países importadores, medio ambiente, políticas públicas y sociedad, promoviendo normativas más efectivas para la gestión territorial sostenible.