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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
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 lagos recogeninformación de mucho más allá de sus propios límites
Valor añadido de los lagos en el paisaje
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)
Las montañas del mundo están cambiandoNecesidad de observación, proyección de los cambios y acciones de mitigación o adaptación
Valor añadido de los lagos en el paisajeLos cambios en los lagos van más allá del propio lago. Interés por los cambios más abruptos.
Concepto de umbral ecológico
Umbrales en los lagos alpinos
Implicaciones en un contexto de Cambio Global
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
Las montañas del mundo están cambiandoNecesidad de observación, proyección de los cambios y acciones de mitigación o adaptación
Valor añadido de los lagos en el paisajeLos cambios en los lagos van más allá del propio lago. Interés por los cambios más abruptos.
Concepto de umbral ecológicoPonerlos de manifiesto implica estudios extensivos a través de amplios gradientes ambientales
Umbrales en los lagos alpinos
Implicaciones en un contexto de Cambio Global
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
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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
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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
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th (m
)
1.00100.00
0.1 1.0 10.0
Lake area (ha)
1
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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
Las montañas del mundo están cambiandoNecesidad de observación, proyección de los cambios y acciones de mitigación o adaptación
Valor añadido de los lagos en el paisajeLos cambios en los lagos van más allá del propio lago. Interés por los cambios más abruptos.
Concepto de umbral ecológicoPonerlos de manifiesto implica estudios extensivos a través de amplios gradientes ambientales
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 Global
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)
Las montañas del mundo están cambiandoNecesidad de observación, proyección de los cambios y acciones de mitigación o adaptación
Valor añadido de los lagos en el paisajeLos cambios en los lagos van más allá del propio lago. Interés por los cambios más abruptos.
Concepto de umbral ecológicoPonerlos de manifiesto implica estudios extensivos a través de amplios gradientes ambientales
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
catalan@ceab.csic.es
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.
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