1_catalan aguila j jornadas cambio global 09

Umbrales Ecológicos en Lagos Alpinos

y Cambio Global en la Montaña

Jordi Catalan CSIC

Foto: Lluis Camarero Lago Redon (Pirineos)

Índice

Las montañas del mundo están cambiando

Valor añadido de los lagos en el paisaje

Concepto de umbral ecológico

Umbrales en los lagos alpinos

Implicaciones en un contexto de Cambio Global

Los dioses deben estar enfadados …¿qué otro cosa podría ser si no?

Global vs. Alps temperature, 1901-2000

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

GlobalAlps

ΔT

com

pare

dto

196

1-19

90 [°

C]

Beniston, 2000: E

nvironmental C

hange in Mountains, A

rnold, London

An 1870 postcard view of the Rhone glacier in Gletsch, Switzerland, contrasted with the shrinking 21st-century version of it. (Dominic Buettner for The New York Times)

Alaska

1941 2004

Muir Glacier

1958 2003

McCall Glacier

Baltoro glacier,Karakoram. Liligo lake

SWSW LW

LW QS, QL

+-

GLACIER QG(20-30 levels)

+ / -

+-

+ / -

energy balance

SNOW

energy fluxes

sublimation, melt

refreezingdeposition

mass fluxes

snowfall

©M

ölg

Dinámica glacial conocida pero compleja

El grosor medio de los glaciares de montaña ha decrecido 2 m de 1961 a 2005

Los ecosistemas de montaña del mundo están cambiando

Vegetation changes, Glacier National Park, Montana, USA

Las montañas del mundo están cambiandoNecesidad de observación, proyección de los cambios y acciones de mitigación o adaptación





Los lagos recogeninformación de mucho más allá de sus propios límites


L. Redon

La contaminación a larga distancia empezó hacemucho

Contaminaciónpor plomoromana y visigoda

Camarero, L.; Masqué, P.; Devos, W.; Ani-Ragolta,I.; Catalan,J.; Moor,H.C.; Plá, S.; Sánchez-Cabeza, J.A. 1998. Historical variations in lead fluxes in the Pyrenees (Spain) from a dated lake sediment core. Water Air and Soil Pollution, 105: 439-449.

Acumulación en altitud de contaminantes orgánicossemivolátiles

Grimalt, J.O., Fernandez, P., Berdie, L., Vilanova, R., Catalan, J., Psenner, R., Hofer, R., Appleby, P.G., Rosseland, B.O., Lien, L., Massabau, J.C., Battarbee, R.W. 2001. Selective trapping of organochlorine compounds in mountain lakes of temperate areas. Environmental Science & Technology: 35: 2690-2697

Cl

Cl Cl

Cl

PCB#28 mw: 256

Cl Cl

Cl

Cl ClPCB#153 mw: 358

Cl

ClCl

ClCl

Cl

HCB mw: 282

Cl

ClCl

Cl Cl

4,4’-DDT mw: 352

Cl

Cl Cl

Cl

PCB#28 mw: 256

Cl Cl

Cl

PCB#28 mw: 256

Cl Cl

Cl

Cl ClPCB#153 mw: 358

Cl

ClCl

ClCl

Cl

HCB mw: 282

Cl

ClCl ClCl

ClCl

Cl

HCB mw: 282

Cl

ClCl

Cl Cl

4,4’-DDT mw: 352

Cl

ClCl

Cl Cl

4,4’-DDT mw: 352

0 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

AGE (years B.P.)

0

20

40

60

80

100di

atom

infe

rred

ALK

ALI

NIT

Y (µ

eq l-1

)

LAKE REDON (PYRENEES)

6.5

6.7

6.9

7.1

7.3

7.5

7.7

pHTO

TrcapH

ALKALINITY pH

Reconstrucción con restos de diatomeas de la alcalinidad y el pH del agua durante los últimos 10.000 años

Catalan J., S. Pla, J. García and L. Camarero. Climate and CO2 saturation in an alpine lake throughout the Holocene. Limnology and Oceanography (in press)


Valor añadido de los lagos en el paisajeLos cambios en los lagos van más allá del propio lago. Interés por los cambios más abruptos.




Interés por los cambios súbitos, cambios de fase, umbrales ecológicos… cambios no-lineales

Umbrales ecológicoscontingencia

contingencia

necesidad

PlanificaciónGestiónMenos frecuenteComúnPredicciones de cambios abruptosProyecciones a corto plazoSusceptibles de modelizaciónDependientes de la observaciónSelección, leyes interacciónAzarLeyes deterministasHistoriaSistema físicoSistema biológicoNecesidadContingencia

Umbrales ecológicos: definición sinecológica

Los umbrales ecológicos se definen como valores dentro de un gradiente ambiental en los que las pautas de configuración de las comunidades cambian respecto de puntos alejados de los valores del umbral.

Se asume que la organización del ecosistema, y en consecuencia el escenario co-evolutivo, cambia a ambos lados del umbral.

a a a a ac agaead bdgh

abh

bdefgh

af bcdgh

bdh

bdh

bd bdbdgh

bdh

bdgh

b

Fact

or a

mbi

enta

l

Clases de comunidades

Umbral ecológico

1) Determinar pautas en la configuración comunidades para distintos grupos taxonómicos (formas de vida)

2) Relación entre clases de comunidades y factores ambientales

3) Establecimiento de umbrales ecológicos por discontinuidades en la relación entre las clases de comunidades y el ambiente

Detección de umbrales sinecológicos



Concepto de umbral ecológicoPonerlos de manifiesto implica estudios extensivos a través de amplios gradientes ambientales



Sotllo

Romedo de dalt

Puis

Sust

rato

roco

so

Lliterola

Trescuro de baix

Estanyet d’Amitges

Alti

tud

Major de la Gallina

Redon

La Llosa

Tam

año

del l

ago

Lakes

Alps 86

Central Swiss Alps (CA) 12

Piedmont-Ticino (PT) 29

Tyrol (TY) 31

Julian Alps (JA) 14

Pyrenees (PY) 85

Tatra Mountains (TA) 49

Retezat Mountains (RE) 6

Rila Mountains (RI) 9

TOTAL 235

Verano 2000

Proyecto EMERGE

Muestreolagos alpinoseuropeos

Catalan J., Barbieri M.G., Bartumeus F., Bitušík P., Botev I., Brancelj A., Cogălniceanu D., Manca M., Marchetto A., Ognjanova-Rumenova N., Pla S., Rieradevall M., Sorvari S., Štefková E., Stuchlík E. & Ventura M. Ecological thresholds in European alpine lakes. Freshwater biology (in press).

Diatomeas* (542 taxa) Rotíferos (34) Quidóridos* (22)

Crustáceos planctónicos (41) Quironómidos* (93)

* restos en sedimento

Grupos considerados

Condiciones ambientales (47 variables)

4.53.11.738.90.02(part. mg-1

dw)SCPSpheroidal carbonaceous particles

0.30.30.230.0(µg g-1 dw)HgMercury1.71.61.4130.0(µg g-1 dw)SeSelenium268851834340.1(µg g-1 dw)AsArsenic140482319340.1(µg g-1 dw)CuCopper4.31.30.7560.0(µg g-1 dw)CdCadmium1325295138178504.8(µg g-1 dw)ZnZinc16614711018555.3(µg g-1 dw)PbLead2045642303289741.7(µg g-1 dw)MnManganese85512611243403089(µg g-1 dw)PPhosphorus12281658131985974.5(µg g-1 dw)TiTitanium3038322261.0(mg g-1 dw)FeIron2341361692.0(mg g-1 dw)AlAluminium531.4380.03

(mmol g-1

LOI)Sed_CarTotal carotenoids

820.2920.01(a:a)C:NC:N101817451.0(%)LOILoss on ignition

Sediment features3.72.21.0290.0(µg l-1)ChlChlorophyll118.032.819.716710.5(µg C l-1)BacteriaBacteria7.85.63.7780.7(µg l-1)TPTotal phosphorus22.112.95.81240.010(µeq l-1)TONTotal organic nitrogen10.512.912.1470.003(µeq l-1)NitrateNitrate1.51.41.1140.007(µeq l-1)AmmoniumAmmonium0.60.80.750.001(mg l-1)SiSilicon1.10.90.690.003(mg l-1)DOCDissolved organic carbon182.778.743.122070.1(µeq l-1)SulphateSulphate153.074.914.913413.8(µeq l-1)MgMagnesium426.8332131248215.6(µeq l-1)CaCalcium525.83481092660-40.0(µeq l-1)ANCAcid neutralising capacity0.97.07.094.5pHpH46.743.121.32285.1(µS cm-1)ConConductivity5.75.64.1560.0(µeq l-1)KPotassium14.620.616.1890.0(µeq l-1)NaSodium9.47.55.5911.8(µeq l-1)ClChloride

Water column features22.1120.01000(%)Liit_OrgOrganic littoral zone21.320151000(%)Lit_SandSandy littoral zone28.267801000(%)Lit_RockRocky littoral zone34.166711001.0(%)Phot_IPhotic Index17.617.712.01230.7(m)DepthDepth0.90.50.270.005(years)WRtWater residence time7.65.52.8530.05(ha)L_AreaArea26.5188193239105(days)Ice_coverIce cover duration4.11010182(oC)SSWTSurface summer temperature3252141214029901311(m a.s.l)AltAltitude

Physical features

Standard deviationMeanMedianMaximumMinimumUnitsAcronym

4.53.11.738.90.02(part. mg-1

dw)SCPSpheroidal carbonaceous particles

0.30.30.230.0(µg g-1 dw)HgMercury1.71.61.4130.0(µg g-1 dw)SeSelenium268851834340.1(µg g-1 dw)AsArsenic140482319340.1(µg g-1 dw)CuCopper4.31.30.7560.0(µg g-1 dw)CdCadmium1325295138178504.8(µg g-1 dw)ZnZinc16614711018555.3(µg g-1 dw)PbLead2045642303289741.7(µg g-1 dw)MnManganese85512611243403089(µg g-1 dw)PPhosphorus12281658131985974.5(µg g-1 dw)TiTitanium3038322261.0(mg g-1 dw)FeIron2341361692.0(mg g-1 dw)AlAluminium531.4380.03

(mmol g-1

LOI)Sed_CarTotal carotenoids

820.2920.01(a:a)C:NC:N101817451.0(%)LOILoss on ignition

Sediment features3.72.21.0290.0(µg l-1)ChlChlorophyll118.032.819.716710.5(µg C l-1)BacteriaBacteria7.85.63.7780.7(µg l-1)TPTotal phosphorus22.112.95.81240.010(µeq l-1)TONTotal organic nitrogen10.512.912.1470.003(µeq l-1)NitrateNitrate1.51.41.1140.007(µeq l-1)AmmoniumAmmonium0.60.80.750.001(mg l-1)SiSilicon1.10.90.690.003(mg l-1)DOCDissolved organic carbon182.778.743.122070.1(µeq l-1)SulphateSulphate153.074.914.913413.8(µeq l-1)MgMagnesium426.8332131248215.6(µeq l-1)CaCalcium525.83481092660-40.0(µeq l-1)ANCAcid neutralising capacity0.97.07.094.5pHpH46.743.121.32285.1(µS cm-1)ConConductivity5.75.64.1560.0(µeq l-1)KPotassium14.620.616.1890.0(µeq l-1)NaSodium9.47.55.5911.8(µeq l-1)ClChloride

Water column features22.1120.01000(%)Liit_OrgOrganic littoral zone21.320151000(%)Lit_SandSandy littoral zone28.267801000(%)Lit_RockRocky littoral zone34.166711001.0(%)Phot_IPhotic Index17.617.712.01230.7(m)DepthDepth0.90.50.270.005(years)WRtWater residence time7.65.52.8530.05(ha)L_AreaArea26.5188193239105(days)Ice_coverIce cover duration4.11010182(oC)SSWTSurface summer temperature3252141214029901311(m a.s.l)AltAltitude

Physical features

Standard deviationMeanMedianMaximumMinimumUnitsAcronym

Directa o indirectamente se consideraron la mayoría de factores ambientales que definen las condiciones próximas a los organismos de carácter químico, físico y biológico.

50

100

200

400

300

400

200

400

2 4 6 8 10 12 14 16

500

1000In

dVal

Sum

Number of clusters

Diatoms

Rotifers

Chydorids

Zooplankton

Chironomids

50

100

200

400

300

400

200

400

2 4 6 8 10 12 14 16

500

1000In

dVal

Sum

Number of clusters

Diatoms

Rotifers

Chydorids

Zooplankton

Chironomids

Configuración de comunidades

Lake partition (k-means) into N clusters using similarities between lake communities

Indicative value of each taxa for each cluster

MonteCarlo test of the taxon indicative value

Sum of the indicative value of all the significant taxa

(SumIndVal)

Max(SumIndVal) for N = 2, 3, 4,……n

pHC

ond

Ca

Mg

K

AN

C

Nitr

ate

TN

TP

Si

DO

C

TON

L_A

rea

Dep

th

Lit_

OrgW

Rt P

hot_

I

Fish

SS

WT

C:N Pb

As

Seep

age

Sed_

Car

Bac

teriaIc

e_C

over

Inle

t

Cu

Zn

Fe

LOI

Lit_

Roc

k

SC

P

Se Cd

Mn Sul

phat

e

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Hei

ght

Las variables ambientales relevantes difieren entre y dentro de los grupos. Sin embargo, existen unos pocos factores ambientaleslatentes

Balance ácido-base

Tamañodel lago

Estado trofo-dinámico

“Gradientealtitudinal”

Assemblage

1

10

2

3

45678

20

30

40

Lake

are

a (h

a)

D_A_Aniv

Z_B_Aalp

R_C_Bde

Z_E_Csph

D_bC_Fpin

Q_acE_Pseu

D_B_Dten

C_B_Csph

R_B_Pdol

Q_B_Tlug

D_bF_Ccom

C_aC_Ahar

Z_aC_Caby

R_A_Klon

D_bE_Fnan

R_aF_Kcoc

R_bE_Khie

Z_D_Mlac

Q_acI_Csyl

Q_A_Mrad

Q_bF_Proc

a a a a ac agaead bdgh

abh

bdefgh

af bcdgh

bdh

bdh

bd bdbdgh

bdh

bdgh

b

Umbral de tamaño de lago(3 ha area, 10-15 m depth)

0.1 1.0 10.0

Lake area (ha)

1

10

100

Dep

th (m

)

1.00100.00

1 %

100 %

B0.1 1.0 10.0

Lake area (ha)

1

10

100

Dep

th (m

)

1.00100.00

1 %

100 %

0.1 1.0 10.0

Lake area (ha)

1

10

100

Dep

th (m

)

1.00100.00

0.1 1.0 10.0

Lake area (ha)

1

10

100

Dep

th (m

)

1.00100.00

1 %

100 %

B

Geometría ecosistema: extensión de las condiciones del litoral a todo lago. Falta zona trofolítica.

Assemblage

10

100

1000

AN

C (

µeq

l-1)

D_A_Aniv

Z_E_Csph

D_aD_Adis

D_abH_Asac

D_abG_Agra

D_bC_Fpin

D_bE_Fnan

D_bF_Ccom

D_B_Dten

a a a a ab bcdabcb bd

Umbral balance ácido-base (ANC 200 µeq l-1)

200

Umbral fisiológico: mayor influencia en organismos con mayor intercambio iónico con el medio (i.e., algas)

Assemblage

0.1

1.0

0.2

0.3

0.4

0.50.60.70.8

2.0

3.0

4.0

Dis

solv

ed O

rgan

ic C

arbo

n (m

g l-1

)

Q_acE_Pseu

Q_aC_Hmar

Z_B_Aalp

C_B_Csph

R_C_Bde

R_A_Klon

Z_A_Dlon

R_D_Lec

C_acD_Aexc

Q_bdH_Mspp

Q_bD_Chir

a ac a a ae bcebcbce bbce bce

Umbral trofo-dinámico(0.6 mg L-1 DOC, 3-4 µg L-1 TP)

0.1 1.0 10.0

Dissolved organic carbon (meq l-1)

1

10

Tota

l pho

spho

rus

(µg

l-1)

CAJAPTPYRERITATY

C0.1 1.0 10.0

Dissolved organic carbon (meq l-1)

1

10

Tota

l pho

spho

rus

(µg

l-1)

CAJAPTPYRERITATY

C

Flujo de carbono en el ecosistema: ultraoligotrogia

Assemblage

120

160

200

240

Ice

cove

r dur

atio

n (d

ays)

C_acD_Aexc

Q_bdH_Mspp

Q_bdG_Paus

Z_A_Dlon

C_aC_Ahar

Q_bdhK_Psor

C_B_Csph

Q_acE_Pseu

Z_B_Aalp

a a ac ad bc bcdbbcd b

190

Umbral de gradiente altitudinal(190 días de duración de la cubierta de hielo)

1300 1800 2300 2800Altitude (m a.s.l.)

100

140

180

220

Ice

cove

r dur

atio

n (d

ays)

CAJAPTPYRERITATY

Condiciones de contorno bioclimático




Umbrales en los lagos alpinosPodemos identificar valores en variables ambientales alrededor de los cuales los cambios en las comunidades son más probables


Redon La Llosa

Umbral de tamaño de lago(3 ha area, 10-15 m depth)

Lagos grandes y pequeños (lagunas) no es una arbitrariedad, corresponden a formas de organización del ecosistema distintas (también marcos evolutivos distintos) y, por tanto, sistemas de gestión distintos

Umbral balance ácido-base (ANC 200 µeq l-1)

El Cambio Global no es sólo cambio climático: acidificación, fertilización…

Psenner, R. Schmidt R. 1992. Climate-driven pH control of remote alpine lakes and effects of acid deposition. Nature, 781-783

Umbral trofo-dinámico (0.6 mg L-1 DOC, 3-4 µg L-1 TP)Vegetation changes, Glacier National Park, Montana, USA

Conjunto de la dinámica trófica relacionada cambios vegetación

Puede darse unarespuesta biológicamayor ante un cambio físicoaparente menor

Umbral duración hielo

Umbral de gradiente altitudinal(190 días de duración de la cubierta de hielo)




Umbrales en los lagos alpinosPodemos identificar valores en variables ambientales alrededor de los cuales los cambios en las comunidades son más probables

Implicaciones en un contexto de Cambio GlobalEs un reto identificar umbrales, su origen en términos “mecanicistas” y sus implicaciones para la gestión, mitigación y adaptación al cambio

Gracias por vuestra atención

[email protected]

Co-autores del estudio dentro del proyecto EMERGE: M. Grazia BARBIERI, Frederic BARTUMEUS, Peter BITUŠÍK, IvanBOTEV, Anton BRANCELJ, Lluís CAMARERO, Dan COGĂLNICEANU, Marina MANCA, Aldo MARCHETTO, Nadja OGNJANOVA-RUMENOVA, Sergi PLA, Maria RIERADEVALL, Sanna SORVARI, Elena ŠTEFKOVÁ, Evžen STUCHLíK, Marc VENTURA.

1_catalan aguila j jornadas cambio global 09

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