El humedal mediterráneo y su papel como sumidero de gases de efecto invernadero

Este estudio cuantifica las variaciones diurnas, estacionales e interanuales en los intercambios ecosistema-atmósfera de dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) y vapor de agua (o evapotranspiración), principales gases de efecto invernadero (GEIs), en base a cinco años (2012-2016) de mediciones continuas en un humedal Mediterráneo dominado por la especie Phragmites australis (caña común) ubicado en la localidad granadina de El Padul, en el Parque Natural de Sierra Nevada. Además, analiza los procesos subyacentes y los factores ambientales que explican esta variabilidad, para finalmente determinar el papel de este ecosistema como fuente o sumidero de carbono y su vulnerabilidad frente al cambio climático. 

Actualmente, el cambio climático es uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la humanidad, suponiendo un desafío científico excepcional. El incremento de GEIs en la atmósfera está alterando drásticamente el equilibrio radiativo de la Tierra, representando uno de los principales motores impulsores del cambio climático. En este sentido, el óptimo conocimiento del ciclo global de carbono es crucial para promover decisiones políticas destinadas a aumentar el secuestro de carbono en los ecosistemas terrestres, siendo la región Mediterránea una de las áreas con mayor incertidumbre asociada a su contribución al calentamiento global.

En las últimas décadas, el desarrollo tecnológico está permitiendo cuantificar de forma continua y con técnicas no invasivas los intercambios de carbono (CO₂ y CH₄) y la evapotranspiración de diversos ecosistemas, con una resolución temporal de hasta media hora, permitiendo por tanto una integración temporal a mayor escala (mensual, anual o incluso de décadas). Nos referimos a las comúnmente conocidas “torres de flujo”, (técnica micrometeorológica “eddy covariance”) distribuidas por todo el mundo, formando la red FLUXNET (https://daac.ornl.gov/FLUXNET/guides/Fluxnet_site_DB.html)  que cuenta actualmente con más de 550 torres. Estas torres son gestionadas por investigadores de diversos centros, con la intención de garantizar la calidad y fiabilidad de las medidas en base a unos estándares internacionales establecidos. Además, se llevan a cabo otras medidas complementarias como por ejemplo medidas del intercambio de gases a nivel de la hoja de la planta, caracterizaciones de suelos, variaciones anuales en el índice de área foliar, etc., que complementan y ayudan a entender el funcionamiento de los diversos ecosistemas. En definitiva, lo que pretende esta red internacional es estudiar más a fondo el papel de estos ecosistemas en el ciclo global del carbono.

En este contexto, se están incrementando los esfuerzos internacionales para cuantificar los intercambios de CH₄ a nivel mundial, pero dicha información es aún muy limitada, con importantes fuentes de incertidumbre atribuidas principalmente a las emisiones de los humedales y otras aguas continentales. Los humedales, a pesar de su escasa representatividad espacial (entre el 2% y el 6% de la superficie terrestre de la Tierra), son ecosistemas cruciales que modulan el cambio climático, dado su gran potencial para capturar CO₂, emitir CH₄ y regular el clima local a través de la evapotranspiración. Dichos ecosistemas se caracterizan por una alta producción de biomasa, conteniendo en sus suelos el 25% de la reserva total de carbono orgánico a nivel mundial. Sin embargo, en paralelo, al ser zonas inundadas, las condiciones de anoxia promueven los procesos metanogénicos, representando el 51-82% de las emisiones naturales de CH₄ (Kirschke et al., 2013). Por lo tanto, el papel de los humedales en el calentamiento global está determinado por el equilibrio entre la absorción neta de CO₂ atmosférico y la liberación de CH₄. Además, la evapotranspiración influye en la temperatura y la humedad de la capa límite atmosférica, contribuyendo a la formación de nubes convectivas y alterando los patrones de convergencia del viento.

Concretamente, en los humedales mediterráneos es muy frecuente la presencia de caña común (Phragmites australis), especie vegetal muy productiva que se extiende desde regiones templadas/frías hasta los trópicos. En el hemisferio norte, la caña común alcanza su biomasa máxima en verano con tasas de crecimiento máximas que aumentan de norte a sur en Europa (Engloner, 2009). En particular, los humedales mediterráneos españoles están frecuentemente bordeados por formaciones monoespecíficas, densas y vigorosas de caña común, con un pico máximo de crecimiento a finales de junio, que disminuye abruptamente en octubre con una senescencia foliar avanzada. Hemos comprobado que dicha dinámica de crecimiento determina una fuerte estacionalidad en los intercambios de carbono (CO₂ y CH₄) y evapotranspiración.

A pesar de la relevancia de los humedales en el ciclo global de carbono y la abundancia de la caña común en todo el mundo, no hay estudios disponibles en los que se mida simultáneamente los intercambios de CO₂ y CH₄ con tiempo suficiente como para analizar su variabilidad interanual y para estimar la cantidad total de GEIs (expresado en CO₂ equivalente) netamente asimilado o emitido a la atmósfera por este tipo de ecosistemas. Además, aunque la dinámica de crecimiento de esta especie apenas varía en todo el hemisferio norte (Engloner, 2009), es bien sabido que las diferentes condiciones climatológicas pueden inducir grandes diferencias. Es más, el efecto de las inundaciones estacionales (típico de humedales mediterráneos) sobre estos intercambios, aún se desconoce.

Los resultados obtenidos muestran una gran (e inesperada) variabilidad interanual en relación al papel de este humedal como sumidero (o fuente) de GEIs. En 2014 el humedal de “El Padul” se comportó como un importante sumidero, asimilando 660 ± 150 g CO₂-eq m^-2 año^-1, mostrando un comportamiento similar al de los bosques templados que pueden llegar a absorber entre 100 a 660 g C m^-2 año^-1 (Valentini et al., 2000). Por el contrario, solo dos años después, emitió a la atmósfera 360 ​​± 120 g CO₂-eq m^-2 año^-1. Este comportamiento revela la importancia relativa de las emisiones de CH₄ en el humedal estudiado, ya que a pesar de presentar emisiones muy bajas de metano en comparación con otros humedales (van den Berg et al., 2016; Zhang et al., 2016), su elevado potencial de calentamiento global (28 veces superior al CO₂), transformó este ecosistema, con balance de CO₂ cercano a valores neutrales en 2016, en fuente de GEIs.

No obstante, la variabilidad interanual parece estar principalmente dominada por  los intercambios netos de CO₂ que son el resultado de procesos de absorción (Producción Primaria Bruta (PPB) o Gross Primary Production (GPP) en inglés) y emisión de CO₂ (Respiración del ecosistema, «Reco») que ocurren paralelamente en el ecosistema y cuya relevancia dependerá tanto de factores fenológicos como climáticos. En nuestro estudio hemos comprobado que generalmente durante el período de crecimiento la PPB domina sobre la «Reco» mientras que durante el período de senescencia ocurre lo contrario. Sin embargo, es durante el período de transición cuando el balance entre estos dos procesos es más variable y más dependiente de las condiciones meteorológicas. De hecho, hemos comprobado que durante este período, condiciones de temperatura de suelo más elevadas aumentarán exponencialmente la magnitud de los procesos de emisión de CO₂ en el ecosistema de estudio (Reco). También hemos comprobado que la producción primaria bruta (PPB) está relacionada con la temperatura del suelo (Ts) y se refleja en el grado de verdor de la vegetación, variable que puede obtenerse a través de imágenes de satélite [Índice de Vegetación Mejorado o Enhanced Vegetation Index (EVI) en inglés; https://modis.ornl.gov/cgi-bin/MODIS/global/subset.pl]. Con respecto a los procesos de evapotranspiración, la variabilidad diaria es principalmente consecuencia de variaciones en la temperatura del suelo, y su variación interanual no fue notable durante los cinco años de estudio.

Para concluir, en consonancia con la reciente declaración de emergencia climática por parte del gobierno, hacemos un llamamiento a la imperiosa necesidad de mantener este tipo de medidas continuas a largo plazo, como herramienta esencial para establecer políticas de gestión destinadas a conservar y mejorar la capacidad de los ecosistemas como sumideros de carbono.

AUTORES DEL POST: Penélope Serrano Ortiz, Sergio Aranda Barranco, Ana López Ballesteros, Clement Lopez Canfin, Enrique Pérez Sánchez-Cañete,  Ana Meijide y Andrew Kowalski.

Referencia al artículo:

Serrano-Ortiz, P., S. Aranda-Barranco, A. López-Ballesteros, C. Lopez-Canfin, E. P. Sánchez-Cañete, A. Meijide, and A. S. Kowalski. 2020. Transition Period Between Vegetation Growth and Senescence Controlling Interannual Variability of C Fluxes in a Mediterranean Reed Wetland. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 125, 2019JG005169. https://doi.org/10.1029/2019JG005169

Referencias:

Engloner, A.I., 2009. Structure, growth dynamics and biomass of reed (Phragmites australis) – A review. Flora, 204: 331-346.

Kirschke, S. et al., 2013. Three decades of global methane sources and sinks. Nature Geosci, 6(10): 813-823.

Valentini, R. et al., 2000. Respiration as the main determinant of carbon balance in European forests. Nature, 404: 861 – 865.

van den Berg, M., Ingwersen, J., Lamers, M. and Streck, T., 2016. The role of Phragmites in the CH4 and CO2 fluxes in a minerotrophic peatland in southwest Germany. Biogeosciences, 13(21): 6107-6119.

Zhang, Q., Sun, R., Jiang, G., Xu, Z. and Liu, S., 2016. Carbon and energy flux from a Phragmites australis wetland in Zhangye oasis-desert area, China. Agricultural and Forest Meteorology.

Lo que dice el informe IPCC SR15 sobre el sector agroforestal y la cuenca mediterránea

El pasado mes de octubre se hizo público el informe “Global Warming of 1.5 °C”, que analiza los impactos que tendría establecer este límite de incremento de temperatura con respecto a niveles preindustriales, y analiza posibles formas para no superarlo.

Alcanzar el objetivo de mantener el incremento de temperatura en 1,5 °C respecto a la época preindustrial implica no sólo reducir a cero las emisiones netas de CO₂ en unas tres décadas, sino también importantes reducciones de otros gases como el CH₄. El camino para alcanzarlo implica reducciones en el uso energético y descarbonización de la energía, con tendencia a la electrificación energética, reducciones importantes de las emisiones agrarias y estrategias de captura de CO₂ en el suelo o en reservorios geológicos. Estas medidas no son muy diferentes a las propuestas para lograr no superar el escenario de 2 °C de incremento previstos. Sin embargo sí hay una diferencia importante: la necesidad de ejecutarlas con una mayor premura y ambición.

El I Premio de Tesis Doctorales sobre Cambio Climático en el arco mediterráneo recae en el investigador de RED REMEDIA Guillermo Pardo (BC3)

El investigador del Basque Centre For Climate Change (BC3) Guillermo Pardo Nieva y miembro de la RED REMEDIA ha sido premiado con el I Premio de Tesis Doctorales sobre Cambio Climático en el arco mediterráneo español. Premio otorgado por la Cátedra de Cambio Climático de la Universidad Politécnica de Valencia (CATCLIMA). La tesis fue también premiada ex-equo el año pasado como la mejor tesis dentro de la RED REMEDIA (Premios MITI).

La tesis desarrollada en el Basque Centre For Climate Change (BC3) en colaboración con la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche y defendida en la UMH dentro del programa RETOS analiza cómo el manejo de residuos orgánicos afecta al calentamiento global vía emisión de gases de efecto invernadero.

En este trabajo, titulado “Utilización de modelos y análisis de ciclo de vida para el estudio de estrategias de mitigación en agricultura ligadas a la gestión de residuos orgánicos”, se analiza cómo las diferentes prácticas de gestión y manejo de los residuos orgánicos generan un mayor o menor calentamiento global vía emisión de gases de efecto invernadero como el metano, óxido nitroso u otro tipo de impactos como la acidificación del suelo ligada a la emisión del gas amoniaco.

Se desarrollan modelos  (e.g. SIMSWASTE) para poder optimizar la gestión de flujos residuales mediante digestión anaeróbica o el compostaje como grandes conjuntos de tratamientos de los residuos orgánicos.

Por último, se realiza un profundo estudio de las opciones de secuestro de C mediante manejo agronómico en ambientes mediterráneos, a través de un estudio del caso de la correlación entre dieta ganadera caprina y su repercusión en la emisión de gases de efecto invernadero.

Guillermo Pardo Nieva (BC3) ha desarrollado la tesis bajo la dirección del investigador Agustin del Prado Santeodoro (BC3) y el profesor del Departamento de Agroquímica y Medio Ambiente de la UMH Raúl Moral Herrero. Los contenidos de la tesis se han publicado en 4 revistas científicas de alto impacto, así como una reseña en la revista técnica séctorial más importante en el tema de los residuos y medio ambiente (RETEMA):

–Pardo et al (2015). Global Change Biology. 21, 1313-1327.
–Pardo et al. (2016). Animal Production Science. 56(3) 646-654
–Pardo et al. (2017a) Agriculture, Ecosystems & Environment. 238: 153-167.
–Pardo et al. (2017b) Science of The Total Environment, 574:806–817.

Portada realizada con la ilustración de  Luana del Prado

El contenido de la tesis se ha divulgado en radio en varias ocasiones:

-radio UMH

-radio EITB

 

Finalmente, muy importante reseñar que la tesis doctoral de Guillermo Pardo ha sido un ejemplo de colaboración dentro de la RED REMEDIA. A parte de los co-autores de los estudios, todos y cada uno de los integrantes de la RED REMEDIA ha estado presente de una u otra forma en esta tesis.

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La tesis completa se puede visualizar en este video:

Una mejor distribución espacial de los fertilizantes permitiría reducir la contaminación sin afectar a las cosechas

Un reciente trabajo publicado en la revista Global Biogeochemical Cycles señala cómo una redistribución espacial de los fertilizantes aplicados a cultivos podría reducir sensiblemente la contaminación por nitrógeno sin afectar a las cosechas (Mueller et al. 2017). Este trabajo liderado por Nathaniel Mueller (Harvard University, USA) es el resultado de una colaboración internacional entre varios países en la que también han participado investigadores de la red REMEDIA. El trabajo ha sido resaltado por el Editor de la revista.

La distribución espacial eficiente de nitrógeno (N), u  “optimal allocation” en inglés, tiene como objetivo maximizar la eficiencia de una cantidad definida de N reduciendo las pérdidas al medioambiente (Figura 1). Esta metodología fue desarrollada por Mueller et al. (2014) y aplicada a los principales cereales en base a la base de datos previamente generada a escala global (Mueller et al. 2012) para el año 2000.

Figura 1. La línea azul muestra la “tradeoff frontier” que describe la máxima cosecha alcanzable a un nivel de surplus determinado tras relocalizar eficientemente los fertilizantes. Como se observa el surplus podría ser reducido sensiblemente sin afectar la cosecha o también sin modificarse el surplus, la cosecha podría ser incrementada. Esta figura corresponde a los resultados de 1994-2009. Los resultados de décadas anteriores pueden consultarte en el artículo (Mueller et al. 2017).

En este caso se ha estudiado la evolución de los patrones espaciales de eficiencia de uso del nitrógeno desde 1960 a 2009 a nivel de 12 grandes macro-regiones del mundo y para todos los cultivos agregados. Este estudio ha utilizado los datos obtenidos recientemente por Lassaletta et al. (2016) y publicados en los materiales suplementarios del mismo trabajo (link).

Mueller et al. 2017 concluyen que las mejoras agronómicas han aumentado significativamente la productividad de los cultivos durante las últimas cinco décadas sin embargo la eficiencia espacial en la aplicación de los fertilizantes se ha reducido en paralelo. Una redistribución óptima de los fertilizantes a escala global permitiría una reducción de las emisiones de N de hasta un 41% sin afectar a la producción global.

Los autores reconocen que llevar a cabo esta redistribución a escala global podría ser difícil desde un punto de vista práctico, sin embargo los resultados indican hasta qué punto la agricultura podría ser mucho más sostenible. Esta aproximación es conservadora debido a la resolución de la aproximación y la optimización podría ser mayor abordando la redistribución a escala local. Escalas más locales o regionales pueden ser mucho más adecuadas y además más eficientes para generar alternativas de manejo más fácilmente aplicables. Los mismos autores incluyendo también nuevos investigadores, continúan esta línea de trabajo para la agricultura mediterránea.

Referencias

Lassaletta, L., Billen, G., Garnier, J., Bouwman, L., Velazquez, E., Mueller, N.D., Gerber, J.S., 2016. Nitrogen use in the global food system: past trends and future trajectories of agronomic performance, pollution, trade, and dietary demand. Environmental Research Letters 11, 095007.

Mueller, N.D., Gerber, J.S., Johnston, M., Ray, D.K., Ramankutty, N., Foley, J.A., 2012. Closing yield gaps through nutrient and water management. Nature 490, 254-257.

Mueller, N.D., Lassaletta, L., Runck, B., Billen, G., Garnier, J., Gerber, J.S., 2017. Declining spatial efficiency of global cropland nitrogen allocation. Global Biogeochemical Cycles, 31.

Mueller, N.D., West, P.C., Gerber, J.S., MacDonald, G.K., Polasky, S., Foley, J.A., 2014. A tradeoff frontier for global nitrogen use and cereal production. Environmental Research Letters 9, 054002

Esta entrada ha sido redactada por los autores de Mueller et al 2017