Evaluando las relaciones entre composición, estructura y funcionamiento del ecosistema en zonas áridas: la red de

parcelas global EPES-BIOCOM

Fernando T. Maestre & consorcio EPES-BIOCOM

Departamento de Biología y GeologíaUniversidad Rey Juan Carlos

Móstoles, España

La red EPES-BIOCOM

Argentina: Juan Gaitán, Donaldo Bran, Aníbal Prina & Eduardo Pucheta Australia: David Eldridge, Matt Tighe & James ValBrasil: Roberto Romao & Abel Conceicao Chile: Julio Gutiérrez, Claudia Barraza, Susana Gómez& Cristian Torres China: Deli Wang Ecuador: Carlos Iván Espinosa & Omar CabreraIsrael: Eli Zaady & Bertrand BoekenIrán: Mohammad Janku Kenia: Vicente Polo & José P. VeigaMéxico: Elisabeth Huber-Sannwald & Tulio Arredondo Marruecos: Mchich Derak Perú: Jorge Monerris & David A. Ramírez España: José L. Quero, Miguel García-Gómez, Manuel Delgado-Baquerizo, Victoria Ochoa, Adrián Escudero, Santiago Soliveres, Pablo García-Palacios, Cristina Escolar, Miguel Berdugo, Beatriz Gozalo & Enrique Valencia Túnez:  Zouhaier Noumi, Wahida Guiloufi & Mohammed Chiaeb USA : Matt Bowker, Becky Mou & Maria Miriti Venezuela: Adriana Florentino, Julio Blones, Abelardo Ospina & Rosa Mary Hernández

Introducción

El conocimiento de las relaciones entre estructura y funcionamiento es clave para mejorar nuestra comprensión sobre los ecosistemas naturales, evaluar y predecir los impactos ecológicos del cambio global y establecer medidas de gestión y restauración efectivas.

Las zonas áridas son un bioma terrestre clave, ya que cubren el 41% de la superficie terrestre y albergan al 38% de la población mundial.

Estos ambientes presentan un modelo ideal para analizar las relaciones entre los atributos del ecosistema y su funcionamiento a distintos niveles de organización, tanto por sus características intrínsecas como por la imperiosa necesidad de hacer frente a problemas ambientales que, como la desertificación y la pérdida de diversidad, afectan especialmente a estas áreas.

Pese a su extensión e importancia socio-ecológica, las relaciones entre la estructura y funcionamiento del ecosistema en zonas áridas están poco estudiadas, existiendo una notable falta de iniciativas globales al respecto.

La red de parcelas EPES-BIOCOM

Entre 2006 y 2011 se ha establecido y monitorizado una red de parcelas en zonas áridas, semi-áridas y seco-subhúmedas de todo el planeta.

La red consta de 225 parcelas repartidas por 16 países de todos los continentes excepto la Antártida: Argentina, Australia, Brasil, Chile, China, Ecuador, España, Irán, Israel, Kenia, Marruecos, México, Perú, Túnez, USA y Venezuela.

Este trabajo se ha coordinado desde la URJC (España), y ha supuesto la colaboración de más de 60 investigadores de 30 universidades y centros de investigación.

La red de parcelas EPES-BIOCOM

La selección de parcelas tuvo como objetivo capturar en la medida de lo posible la variedad de condiciones abióticas y bióticas que caracteriza a las zonas áridas. Las parcelas de la red comprenden buena parte de la variabilidad ambiental presente en las zonas áridas:

• Precipitación media anual: 66 mm a 1219 mm• Temperatura media anual: -1.8 ºC a 27.8ºC• Altitud: de 69 m a 4668 m• Suelos: más de 25 tipos de suelo distintos según la clasificación de la FAO• Cobertura vegetal: de 3 % a 83%• Tipos de vegetación: pastizales, matorrales, bosques secos, matorrales con

árboles y ecosistemas dominados por costra biológica.

Para obtener datos representativos de ecosistemas reales, los sitios muestreados engloban una gran variedad de usos (excluidos los agrícolas y las zonas muy alteradas por actividades como minería).

Todas las parcelas se han muestreado siguiendo el mismo protocolo.

Para minimizar los efectos de la orientación en las variaciones climáticas, todas las parcelas tienen orientación NE-NO (hemisferio sur) y SE-SO (hemisferio norte).

La red incluye los principales tipos de ecosistemas áridos

Características del muestreo I. Vegetación

30 m

30 m

8 m8 m8 m

4 transectos de 30 m por parcela

Características del muestreo I. Vegetación

En los transectos lineales se recoge información sobre la cobertura de la vegetación, su tamaño y su distribución espacial

30 m

30 m

80 cuadrados de 1.5 m x 1.5 m por parcela

Características del muestreo I. Vegetación

En cada cuadrado se registra la presencia y cobertura de todas las especies perennes (0-100%), datos que se utilizarán para calcular la composición y diversidad de las comunidades estudiadas, así como los patrones de co-ocurrencia entre plantas vasculares.

Características del muestreo I. Vegetación

Características del muestreo I. Vegetación

1) Selección de 15-20 manchas de vegetación de las principales especies que aparecen en la parcela (2-3 especies por parcela).

2) Muestreo de cobertura y número de individuos (en los casos en que sea posible) de todas las especies perennes que aparecen dentro de cada mancha

3) Muestreo del mismo área en una zona de suelo desnudo adyacente localizada al azar, evaluando la cobertura y número de individuos de todas las especies perennes que aparezcan.

Vegetación

Suelo desnudo

Características del muestreo II. Suelos

De cada parcela se extraen 5 muestras de suelo de los microambientes principales: zonas de suelo desnudo y bajo vegetación perenne.

Vegetación

Suelo desnudo

Características del muestreo II. Suelos

En cada muestra se han evaluado las siguientes variables:

• Físicas: pH, textura, conductividad eléctrica, capacidad de almacenamiento de agua.

• Del ciclo del C: carbono orgánico, b-glucosidasa, hexosas, pentosas, fenoles y compuestos aromáticos.

• Del ciclo del N: nitrógeno total, nitrato, amonio, aminoácidos, proteinas, nitrificación potencial, nitrógeno orgánico disuelto, amonificación potencial, producción potnecial de DON.

• Del ciclo del P: P disponible y fosfatasa.

En total se han obtenido unas 2600 muestras de suelo, que se han procesado en su totalidad en los laboratorios de las Universidades Rey Juan Carlos, Pablo de Olavide y de Jaén (España).

Antecedentes: ¿cómo se hizo posible la red?

2006-2007: Establecimiento de 29 parcelas experimentales en España gracias al apoyo de los proyectos CEFEMED (URJC) e INTERCAMBIO (Fundación BBVA).

2007-2010: Expansión de la red en América Latina (69 parcelas adicionales) gracias a la red de investigación EPES (CYTED).

2010-actualidad: Expansión de la red a escala global (127 parcelas adicionales), análisis de laboratorio y de datos, gracias a la financiación del proyecto BIOCOM (European Research Council).

Financiación adicional de los proyectos BIOCHANGE (MICINN), REMEDINAL (Comunidad de Madrid) y Studentship (British Ecological Society).

Primeros resultados. Relaciones entre riqueza y multifuncionalidad I

Maestre et al. 2012. Science 335: 214-218

1 2 3 4 5 6 7 8

Mul

tifun

ctio

nalit

y in

dex

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

A) Multifunctionality

C) Nitrogen cycling

1 2 3 4 5 6 7 8

C c

yclin

g in

dex

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

B) Carbon cycling

Species richness (sqrt-transformed)

1 2 3 4 5 6 7 8

Nitr

ogen

cyc

ling

inde

x

-2

-1

0

1

2

1 2 3 4 5 6 7 8

P c

yclin

g in

dex

-2

-1

0

1

2

3

D) Phosphorus cycling

OLS, R2 = 0.030, P = 0.009 SAR, R2 = 0.022, P = 0.027

OLS, R2 = 0.018, P = 0.044SAR, R2 = 0.014, P = 0.082

OLS, R2 = 0.032, P = 0.008 SAR, R2 = 0.016, P = 0.061

OLS, R2 = 0.029, P = 0.011SAR, R2 = 0.022, P = 0.027

Primeros resultados. Relaciones entre riqueza y multifuncionalidad II

Species richness

Abiotic Climatic Geographic R2 AICc ΔAICc AICc wi

SL SA A1 A2 A3 A4 LA LO EL0.564 282.750 0 0.217

0.559 283.226 0.475 0.171

0.554 283.595 0.845 0.143

0.558 283.862 1.111 0.125

0.565 284.502 1.751 0.091

0.556 284.637 1.887 0.085

0.561 284.677 1.927 0.083

0.560 285.035 2.285 0.069

Mejor modelo sin riqueza de especies: R2 = 0.539, AICc = 293.236 y ΔAICc = 10.486

Modelo más parsimonioso sin la riqueza de especies : R2 = 0.515, AICc = 300.078 y ΔAICc = 17.328

SA = sand content , SL = slope, A1 = axis 1 of climatic PCA (mean annual precipitation, r = 0.910), A2 = axis 2 of climatic PCA (mean temperature of the driest quarter, r = 0.901), A3 = axis 3 of climatic PCA (precipitation in the driest quarter, r = 0.946), A4 = axis 4 of climatic PCA (annual mean temperature [r = 0.682] and mean temperature of the wettest quarter, r = 0.884), LA = lattitude, LO = longitude, and EL = elevation.

Primeros resultados. Relaciones entre riqueza y multifuncionalidad III

SR SL SA A1 A2 A3 A4 EL

Impo

rtan

ce

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

SR SL SA A1 A2 A3 A4 EL

Impo

rtan

ce

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dependent variable

SR SL SA A1 A2 A3 A4 EL

Impo

rtan

ce

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

SR SL SA A1 A2 A3 A4 EL

Impo

rtan

ce

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

A) Multifunctionality B) Carbon cycling

C) Nitrogen cycling D) Phosphorus cycling

Maestre et al. 2012. Science 335: 214-218

Algunos estudios en marcha

Efectos de factores abióticos, bióticos y el impacto humano en la dinámica del nitrógeno.

Análisis de patrones y determinantes de la vegetación leñosa en zonas áridas.

Calibración de índices funcionales del paisaje como predictores del funcionamiento ecosistémico.

Importancia del clima, la filogenia y los atributos funcionales como determinantes de las interacciones planta-planta en zonas áridas.

Efectos de la aridez y el carbono orgánico en el contenido en nitrógeno de zonas áridas en la cuenca mediterránea.

Determinantes del funcionamiento ecosistémico en matorrales de Larrea en América Central y del Sur.

Escala global

Escala regional

Estado actual y desarrollo futuro de la red

Análisis de laboratorio adicionales: fraccionamiento de materia orgánica, análisis isotópicos (13C y 15N) del suelo y análisis de P total y K.

Remuestreo de las parcelas cada 6 años para evaluar cambios temporales.

Amplicación del número de parcelas en África (Niger, Mali y Burkina Faso) y China.

Recoleccíón de nuevas muestras de suelo para el análisis de la composición y estructura de las comunidades microbianas mediante técnicas basadas en el ADN (pirosecuenciación y PCR cuantitativa).

Realización de un árbol filogenético de todas las especies de plantas vasculares perennes presentes en las parcelas muestreadas (unas 1300).

Recopilación de rasgos funcionales de todas las especies de plantas vasculares.

Agradecimientos

Para más información

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Páginas web:

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Contacto: fernando.maestre@urjc.es