Atmospheric concentration and deposition of reactive nitrogen in Spanish forests of Quercus ilex
- Autores: Hector García Gómez
- Directores de la Tesis: Ignacio Anselmo González Fernández (dir. tes.), Rocío Alonso del Amo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Quemada (presid.), Victoria Bermejo Bermejo (secret.), David Elustondo Valencia (voc.), Ana Avila Castells (voc.), Cristina María Branquinho Fernandes (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Tecnología Agroambiental para una Agricultura Sostenible
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
El depósito atmosférico de nitrógeno (N) es considerado la tercera causa más importante de pérdida de biodiversidad, tras los cambios de uso del suelo y el cambio climático. La cuenca mediterránea presenta una extraordinaria riqueza biológica y se reconoce como uno de los 25 puntos de conservación prioritaria de la diversidad biológica mundial. Sin embargo, hay poca información disponible sobre la amenaza que la contaminación atmosférica puede representar para la biodiversidad en esta región. Esta Tesis se ha desarrollado en el marco del proyecto "Efectos del depósito de N en encinares mediterráneos" (EDEN), que surgió tras la publicación de varias evidencias de enriquecimiento en N en algunos ecosistemas españoles, con el objetivo de generar nuevos conocimientos sobre el depósito de N y sus efectos sobre los ecosistemas mediterráneos.
El primer enfoque consistió en realizar una evaluación del riesgo de los efectos nocivos que podría causar el depósito de N atmosférico en las áreas protegidas de la Red Natura 2000 en España. Para ello, se usaron datos de depósito de N atmosférico provenientes de modelos de calidad atmosférica de uso extendido. Estos datos fueron previamente comparados con valores medidos en la Península Ibérica para comprobar su adecuación para este tipo de análisis. En general, los modelos EMEP y CHIMERE estimaron valores de depósito húmedo de N inorgánico dentro de unos rangos aceptables en comparación con las mediciones disponibles, aunque los resultados indican que las estimaciones de los modelos deben aplicarse con precaución, sobre todo en escalas pequeñas y en las zonas de orografía compleja. El depósito húmedo de N en España mostró una distribución decreciente a lo largo de un eje NE–SO, mostrando un mayor depósito en las regiones costeras del norte y del este (hasta 16.1 kg de N ha-1 año-1) que en el interior y las zonas del sur. La distribución del depósito total de N inorgánico (incluyendo depósito húmedo y seco) siguió un patrón similar, mostrando una estimación máxima de 23.0 kg de N ha-1 año-1.
La evaluación de riesgos se realizó mediante la comparación del depósito total de N inorgánico estimado por los modelos EMEP y CHIMERE para 2008 con las cargas críticas (CC) empíricas definidas en el Convenio de Ginebra sobre la Contaminación Atmosférica Transfronteriza a Gran Distancia. Los pastizales naturales (en su mayoría ubicados zonas de alta montaña del norte) fueron los hábitats más sensibles, mostrando un 30–60% de su área evaluada en riesgo. La principal incertidumbre de la amenaza potencial del depósito de N para estos hábitats es que no existen estaciones de monitorización con las que se pueda comprobar el rendimiento de los modelos en la estimación del depósito de N en estas zonas elevadas. Por otra parte, del 41% al 71% de la superficie dentro de la región biogeográfica alpina en España, junto con algunos brezales, matorrales y bosques en otras zonas montañosas, podrían estar experimentando superaciones de las CC. Por lo tanto, se debería implementar un mayor despliegue de las redes de monitorización de depósito atmosférico en áreas de montaña españolas para controlar la contaminación atmosférica y evaluar el riesgo de los efectos sobre estos ecosistemas tan valiosos. Los resultados de esta evaluación coinciden con anteriores informes de enriquecimiento de N en algunas zonas de España, lo que sugiere que el método aplicado es adecuado para la evaluación del riesgo de aparición de efectos por depósito de N en los hábitats españoles. Sin embargo, se necesita urgentemente más investigación para confirmar la idoneidad de las CC empíricas utilizadas y la evaluación podría mejorarse mediante el uso de valores de depósito seco estimados para cada tipo particular de hábitat.
Los bosques esclerófilos mediterráneos mostraron una gran área amenazada (cerca de 500 km2). Estos bosques representan un ecosistema y un paisaje característicos de la cuenca mediterránea e incluyen los bosques de Quercus ilex L. (encinares), una especie de árbol presente en un amplio rango de ambientes de la cuenca mediterránea. El encinar fue el ecosistema objetivo de monitorización intensiva y de estudio del proyecto EDEN. El objetivo principal de este proyecto fue caracterizar las diferentes entradas de N en los bosques de Quercus ilex de la Península Ibérica, así como el estudio de los efectos de este depósito en el ciclo biogeoquímico del N en este tipo de bosques. Con este fin, se seleccionaron cuatro encinares situados en tres regiones con diferentes condiciones ambientales en España. Tres de estos sitios estaban cerca de fuentes de contaminantes de origen urbano y por tráfico rodado (considerados aquí como bosques periurbanos) y se situó un cuarto punto en una zona más remota, como referencia no urbana. En la presente Tesis, además del objetivo inicial de evaluación del riesgo a escala nacional anteriormente expuesto, se abordaron otros objetivos principales del proyecto EDEN, tales como la caracterización de las concentraciones atmosféricas y del depósito húmedo y seco de N inorgánico en los encinares, a la vez que se evaluaron los riesgos ambientales derivados de esta contaminación y se buscaron evidencias de una posible mejora de la calidad del aire atribuible a los servicios de los ecosistemas forestales.
Las concentraciones atmosféricas de dióxido de nitrógeno (NO2), amoníaco (NH3), ácido nítrico (HNO3) y ozono (O3) se midieron en áreas abiertas y dentro de los bosques durante dos años; mientras que los aerosoles (PM10) fueron monitorizados sólo en las zonas abiertas durante un año. Los bosques periurbanos estuvieron expuestos a contaminantes atmosféricos procedentes de actividades tanto urbanas como rurales, soportando elevadas concentraciones de contaminantes fotoquímicos secundarios. Los resultados indicaron que el O3 es el único contaminante atmosférico estudiado del que se pueden esperar efectos fitotóxicos directos en los cuatro bosques. Sin embargo, los compuestos gaseosos nitrogenados podrían estar contribuyendo a través del depósito atmosférico de N a la eutrofización de estos bosques, y su interacción con otros factores de estrés podría estar afectando a su funcionamiento ecosistémico. Es por esto que la monitorización de los compuestos nitrogenados atmosféricos tales como NH3 y HNO3 debería incorporarse en las redes de seguimiento de calidad del aire.
Las concentraciones de gases contaminantes bajo el dosel arbóreo fueron, en general, menores que las encontradas en campo abierto. Las reducciones estadísticamente significativas de la concentración de NO2 en el interior de los encinares fueron comparables, e incluso superiores, a valores presentados en estudios empíricos similares con especies forestales caducifolias. La “reducción bajo dosel” de la concentración de NH3 fue muy elevada, lo que sugiere que los encinares actúan como sumideros de amoníaco. Esta reducción fue mayor en el bosque más natural (56%) que en los peri-urbanos (29–38%). Aunque se esperaba una alta tasa de depósito de HNO3, la “reducción bajo dosel” de HNO3 fue inferior a la de NO2 y NH3. Los resultados del estudio proporcionan evidencia científica de la capacidad de estos bosques para mejorar la calidad del aire en las aglomeraciones urbanas, pero todavía se necesitan más investigaciones para cuantificar la relevancia de este servicio ecosistémico y entender los procesos ambientales involucrados. Una buena planificación de programas de vigilancia atmosférica de los bosques urbanos y periurbanos podría lograr este objetivo, a la vez que podría evaluar la amenaza que la contaminación atmosférica puede suponer para la vegetación.
La necesidad de ampliar las redes de monitorización de depósito húmedo requiere e impulsa el uso de métodos cada vez más baratos, más fáciles de operar, y que no requieran frecuentes visitas al campo, como por ejemplo los métodos de colección basados en resinas de intercambio iónico (IEC). En la presente Tesis, se muestreó el depósito global y de trascolación de N inorgánico en los tres encinares peri-urbanos del proyecto EDEN durante dos años a través de IEC y un método convencional utilizando botellas colectoras (CBC). Los resultados indicaron que el método de muestreo de depósito de N basado en IEC puede ser recomendado para estudios a largo plazo en la región mediterránea, ya que, en comparación con el método basado en CBC, mostró un buen rendimiento en la medida del depósito de nitrato (NO3-) y un rendimiento aceptable en la medida del depósito de amonio (NH4+) y de N inorgánico disuelto (DIN). Las recomendaciones metodológicas para el uso de IEC que surgieron en este estudio deberían tenerse en cuenta en futuros diseños de monitorización en ambientes mediterráneos.
La media anual del depósito global de N varió desde 2.42 hasta 6.83 y de 3.09 a 5.43 kg N ha-1 año-1 entre los sitios de muestreo de acuerdo a las metodologías CBC e IEC, respectivamente. El depósito de trascolación de DIN varió desde 2.33 hasta 8.20 y de 4.59 a 8.91 kg N ha-1 año-1 de acuerdo a las metodologías CBC e IEC, respectivamente. Los datos de trascolación neta indicaron que existe un flujo de N oxidado al suelo forestal procedente del depósito seco, que fue muy elevado en el bosque de mayor influencia urbana. En los bosques de mayor influencia urbana se observaron valores positivos relativamente altos de trascolación neta, que implican entradas espontáneas y relativamente grandes de N en el suelo forestal, con las primeras lluvias tras períodos secos. Estas entradas, junto con el aumento de concentraciones de NO3- en el agua del suelo, concuerdan en al menos uno de los sitios de muestreo con la "hipótesis de la asincronía" temporal entre la disponibilidad de nutrientes y la demanda biológica en ecosistemas Mediterráneos.
En las zonas mediterráneas, el depósito seco de N puede jugar un papel importante en la entrada total de N en los ecosistemas naturales, particularmente en los forestales. Sin embargo, su estimación aun presenta muchas incertidumbres y no existe un método estandarizado. Un enfoque innovador, llamado método inferencial empírico, se utilizó en la presente Tesis para estimar el depósito seco superficial de contaminantes nitrogenados. Este método se combinó el modelo DO3SE (Depósito de Ozono e Intercambio Estomático), empleado en el marco del convenio de Ginebra para la estimación del depósito estomático. Las tasas de depósito superficial calculados por medio de lavados de ramas fueron muy robustas para las formas reducidas de N, pero muy variables (temporal y regionalmente) para las formas oxidadas. La estimación del depósito superficial de gases y partículas de N promedió 10.17 ± 3.29 kg N ha-1 año-1 para los cuatro sitios, mientras que el depósito estomático de gases nitrogenados promedió 3.31 ± 0.83 kg N ha-1 año-1. El depósito superficial de HNO3 y partículas de NO3- dominó el depósito seco total de N inorgánico, con una contribución media del 54%. La contribución relativa del depósito de NO2 al depósito seco total fue de 14.6% en los bosques periurbanos y de 7.9% en el sitio más natural. El depósito seco de N reducido fue importante sólo en el punto de muestreo más agrario, con 8.16 kg N ha-1 año-1 (33% del depósito seco de N atmosférico). Teniendo en cuenta el depósito húmedo de N inorgánico, con una media de 3.83 ± 0.71 kg N ha-1 año-1 para los cuatro sitios, el depósito seco representó el 76.2% ± 2.1% del depósito total de N inorgánico.
El depósito total estimado varió entre los sitios de muestreo en coincidencia con los patrones geográficos previamente encontrados en las estimaciones de los modelos, mostrando un mayor depósito en el norte (30.36 kg N ha-1 año-1 en el punto de muestreo más septentrional) y en la costa este (17.42 y 12.17 kg N ha-1 año-1 en los sitios situados en el NE de España) que en el interior (9.29 kg N ha-1 año-1 en el sitio punto situado en el centro de la península). Para el período de muestreo, la CC empírica propuesta en el marco del Convenio de Ginebra (10–20 kg N ha-1 año-1) fue superada en todos los puntos de muestreo menos uno, mientras que en todos ellos se superó la CC propuesta para la protección de los líquenes epífitos sensibles en ecosistemas naturales similares de California (5.5 kg N ha-1 año-1).
