Los ciclos del agua, el carbono y los nutrientes en ecosistemas terrestres dependientes de agua subterránea de zonas áridas: los matorrales de Ziziphus lotus como caso de estudio

Tipología: 
detalles
2022
Programa: 
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otros:

Autoría:

Torres, M. Trinidad

Título: 

Los ciclos del agua, el carbono y los nutrientes en ecosistemas terrestres dependientes de agua subterránea de zonas áridas: los matorrales de Ziziphus lotus como caso de estudio

Autor: 

M. Trinidad Torres García

Fecha de publicación:

Marzo de 2022

Resumen:

Los ecosistemas terrestres dependientes de agua subterránea (por sus siglas en inglés GDEs) dependen de esta fuente de agua para mantener su estructura, composición y funcionamiento. En zonas áridas, donde el agua es el factor ecológico más limitante, estos ecosistemas tienen un papel fundamental para la biodiversidad y el bienestar humano debido a que utilizan una fuente de agua inaccesible para muchas plantas. El cambio climático, la disminución del agua subterránea y su contaminación, y los cambios de uso del suelo podrían estar reduciendo el agua disponible para los GDEs, amenazando su capacidad de proveer funciones y servicios ecosistémicos. Entender los procesos ecológicos subyacentes al uso del agua de las plantas, la obtención de carbono y nutrientes, y las interacciones suelo-planta en estos ecosistemas es esencial para la gestión sostenible del agua subterránea, la conservación de la biodiversidad y la adaptación al cambio climático en zonas áridas. El objetivo principal de esta tesis es investigar el funcionamiento de un GDE terrestre de zonas áridas mediterráneas y a su vegetación freatófita para: (1) entender su contribución en los ciclos del agua, carbono y nutrientes y (2) proporcionar evidencia científica a gestores y legisladores que tienen que lidiar con la gestión sostenible del agua subterránea y asegurar las contribuciones de los GDE a la sociedad ante el cambio global. Para ello, me centré en el arbusto Ziziphus lotus (L.) Lam. (Rhamnaceae), un freatófito longevo, caducifolio, y con un sistema radicular profundo, que modifica de forma significativa las condiciones áridas del paisaje, creando un GDE considerado como hábitat prioritario de conservación en Europa. La hipótesis general es que las variaciones espaciotemporales en la disponibilidad de agua subterránea y la variabilidad climática pueden alterar el funcionamiento del GDE. La llanura costera del parque natural de Cabo de Gata-Níjar (España) ha sido una zona de estudi idónea para confirmar esta hipótesis ya que proporciona un gradiente espacial de profundidad al agua subterránea (DTGW). Desarrollé cuatro estudios que abordan variaciones espaciotemporales en procesos relacionados con los ciclos del agua, el carbono y los nutrientes a diferentes niveles estructurales, desde las hojas y los individuos, hasta los parches de vegetación.

El Capítulo I se centra en el estudio de características morfo-funcionales y fisiológicas de las plantas para identificar patrones de crecimiento a nivel individual y variaciones temporales a lo largo de la estación de crecimiento. Describí el patrón de crecimiento de Z. lotus como la repetición de unidades modulares compuestas de brotes (cortos y largos) y ramas (floríferas y plagiotrópicas) con diferentes funciones. En relación a las ramas, identifiqué hojas morfo-funcionalmente distintas (i.e., heterofilia) con diferentes patrones de uso del agua. Tanto el crecimiento modular como la heterofilia podrían contribuir a priorizar la inversión de recursos en funciones concretas en el tiempo, tanto para reproducción (en primavera cuando las plantas obtendrían el agua y los nutrientes de las capas superiores del suelo) o para crecimiento (a lo largo de la estación de crecimiento). 

El objetivo del Capítulo II fue evaluar dos aspectos principales relacionados con la estrategia en el uso del agua de Z. lotus: la fuente de agua y la regulación de su transporte a través de la planta. Utilicé isótopos estables (δ 2H, δ 18O y Δ 13C), potenciales hídricos, medidas de intercambio gaseoso y concentraciones de nutrientes en las hojas para descubrir la dependencia parcial del agua subterránea y la regulación estomática anisohídrica de Z. lotus a través del gradiente de profundidad al agua subterránea. Sin embargo, con el aumento de la profundidad, encontré que Z. lotus (1) disminuyó la cantidad de agua subterránea obtenida y (2) redujo la pérdida de agua a través de la transpiración mientras que aumentaba su eficiencia (i.e., un comportamiento anisohídrico menos extremo). También detecté un umbral ecofisiológico a 13 − 14 m que indica la máxima profundidad de agua subterránea para un mejor funcionamiento. 

El Capítulo III introdujo la variabilidad temporal definida por las condiciones climáticas estacionales (p. ej., la demanda evapotranspirativa de la atmósfera) con el objetivo de identificar umbrales ecofisiológicos através de un análisis basado en características de la planta. Encontré que algunas características estaban más afectadas por una mayor profundidad al agua subterránea y salinidad (p. ej., bajo ratio fotosintético y conductancia estomática, y alto Huber value [relación entre el área transversal de la albura y el área foliar]). Por el contrario, otras características estuvieron más relacionadas con las variaciones estacionales en las condiciones atmosféricas (p. ej., transpiración alta y potenciales hídricos antes del amanecer y a medio día más negativos en verano). Este estudio confirmó los umbrales espaciales ecofisiológicos (Capítulo II) que dependen de las características del agua subterránea (i.e., las dificultades para obtener agua subterránea a elevada profundidad [> 14 m] y niveles de salinidad). Además, el análisis identificó nuevos umbrales temporales relacionados con la demanda evapotranspirativa de la atmósfera que indican de forma significativa un menor déficit de presión de vapor y estrés hídrico en primavera que en verano. 

En el Capítulo IV consideré la distribución espacial heterogénea de la vegetación en zonas áridas para el estudio de las interacciones suelo-planta. Evalué el acoplamiento espaciotemporal entre el funcionamiento de la vegetación y la actividad biológica del suelo y su relación con la calidad del suelo (propiedades del suelo y disponibilidad de nutrientes), las tasas de mineralización y la disponibilidad de agua en los parches de Z. lotus. Descrubrí que el suelo y la vegetación tenían una actividad desacoplada. Mientras que la respiración del suelo y los procesos de mineralización responden rápidamente a los pulsos de lluvia, la actividad de la vegetación estaba desacoplada de la precipitación. La presencia de freatófitos mejoró la calidad del suelo y su actividad biológica, por lo tanto, fomentando las islas de fertilidad en zonas áridas. 

En general, los GDE dominados por Z. lotus contribuyen a mejorar la productividad primaria de zonas áridas a través de su naturaleza freatófita, lo que aumenta la transpiración, la asimilación de carbono y los procesos de mineralización, promoviendo el ciclado de nutrientes. Sin embargo, estos procesos y los GDE están amenazados por la sobreexplotación de los acuiferos, los efectos del cambio climático y los cambios de uso del suelo debido a: (1) la dependencia de los freatófitos del agua subterránea (umbral de profundidad al agua subterránea para un buen funcionamiento hasta los 14 m en Z. lotus); (2) la necesidad de agua en el suelo (principalmente de la precipitación) para la obtención de nutrientes, la inversión en reproducción y la activación de la microbiota del suelo; y (3) la importancia de cada planta longeva para mantener el funcionamiento del ecosistema.

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