LA EFICIENCIA DE USO DE LLUVIA EN ECOSISTEMAS SEMIÁRIDOS

Enrico A. Yepez

University of New Mexico

Los Alamos National Laboratory

Incertidumbre en la respuesta de los ecosistemas al cambio climático

Incertidumbre en la respuesta de los ecosistemas al cambio climático

Concentración atmosférica de CO2

www.usgcrp.govwww.ipcc.ch

Temperaturas globales

Tem

pera

tura

(ano

mal

ía) o

C

Promedio anual

Promedio 5 años

La relación entre la disponibilidad de lluvia y la producción del ecosistema

La relación entre la disponibilidad de lluvia y la producción del ecosistema

Pro

duct

ivid

ad p

rimar

ia (k

gm

-2añ

o-1 )

Precipitación (cm año-1)Lieth, 1975

La Eficiencia de Uso de Lluvia es un

parámetro útil para describir el nivel de

degradación de ecosistema

L e H o u e ro u e t a l. , (1 9 8 8 )

R a in -u s e e f f ic ie n c y (g m -2 m m -1 )0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0

Num

ber o

f site

s (o

ut o

f 75)

0

2

4

6

8

1 0

1 2

E h le r in g e r 2 0 0 0

C u m m u la t iv e p re c ip ita t io n

Pro

duct

ivity

In c re a s in gd is tu rb a n c e

Eficiencia de Uso de Lluvia (g m-2 mm-1)`

a) Le Houerou et al., 1988. b) Ehleringer, 2000

Precipitación acumulada

Prod

uctiv

idad

No.

de

sitio

s pr

omed

iado

s

Aumento del

disturbio

a)

b)

Rumbo a la desertificación Rumbo a la desertificación

Resource availability in semiarid environmentsPr

ecip

i taci

ó n( m

md-1

)

Hu m

edad

de

l sue

lo(θ

v, %

)

Estación de crecimiento

AGO

25 cm

Disponibilidad de lluvia en ecosistemas semiáridosDisponibilidad de lluvia en ecosistemas semiáridos

Destino de la lluvia en el ecosistemaDestino de la lluvia en el ecosistema

En ecosistemas áridos la evaporación y la transpiración (ET) puede alcanzar hasta el 90% de la cantidad lluvia disponible

… pero la ET puede exceder la cantidad de lluvia disponible si las raíces accesan agua subterránea.

Lluvia

Intercepción/ evaporación

Escorrentía

Transpiración

Evaporación

Infiltración

Agua superficial

Agua Subterránea

Escurrimiento

foliar

Escurrimiento fustal

Respiración vegetal

Respiración del Ecosistema(CO2 flujo a la atm)

Componentes de la Productividad Neta del EcosistemaComponentes de la Productividad Neta del Ecosistema

Fotosíntesis(CO2 flujo al ecosistema)

raíces microbios

Respiración del suelo

= PNE

PNE = PP - Reco

PNE

Reco

PP

Chapin et al., 2002

El balance entre la productividad primaria (PP) y la Respiración (Reco) define la producción neta del

ecosistema (PNE)

El balance entre la productividad primaria (PP) y la Respiración (Reco) define la producción neta del

ecosistema (PNE)

Ganancia de carbono

Perdida de carbonoIn

terc

ambi

o de

car

bono

Invierno verano Inv.

Evapotranspiración

Evaporación del suelo Transpiración

Eficiencia de Uso de Agua del

Ecosistema

Productividad Neta del Ecosistema

Fotosíntesis Respiración (plantas y microbios)

Eco-hidrologíaEco-hidrología

PreguntasPreguntas

• ¿Cual es destino de la lluvia durante la estación de crecimiento?

•¿Como influencia la lluvia la actividad metabólica del ecosistema?

Bosque de mesquite

Cuenca del Rió San PedroCuenca del Rió San Pedro

Avance de la cobertura arbustiva

•Localización: Suroeste de EU

•Bio-región: Desierto Chihuahuense• Clima: Semiárido (360 mm lluvia total; 60% verano)

•Mesquite (Prosopis velutina)

Pastos perennes, C4 (Sporobolus wrightii)

•Mesquite (Prosopis velutina)

Pastos perennes, C4 (Sporobolus wrightii)

Agua subterránea

Agua del suelo

Intercambio de agua y carbono con micro-meteorología

Intercambio de agua y carbono con micro-meteorología

1

2

3

4

5

g

f

51 2 3 4

e

Pumph

in out

exhaust

b

1

2

3

4

5

c

1

2

3

4

5

d f l o w

a

a) Tubing b) Solenoids diverting flow to IRGA c) Solenoids returning flow to traps d) IRGA (Li-7000) e) Vapor traps f) Cold Bath (-90oC) g) Flow meters h) Diaphragm pump

From profile

Yepez et al., 2003 ag & for. met.

Sistema de captura de vapor y CO2 para análisis isotópico

Sistema de captura de vapor y CO2 para análisis isotópico

Los Isótopos estables:

•Documentan procesos•Integran procesos en tiempo y espacio•Indican presencia y magnitud•Trazan rutas de transporte de elementos

Uso de isótopos estables para la descripción del ciclo de agua en estudios ecológicos

Uso de isótopos estables para la descripción del ciclo de agua en estudios ecológicos

δ = [Rmuestra – Rstd ] / Rstd x 1000 (‰)

en donde:

R, es la proporción molar de isótopos pesados y ligeros

(e.j. 18O/16O o 2H/1H)

Porcentaje de abundancias naturales

Oxigeno 16O 99.759 vs. 18O 0.204

Hidrogeno 1H 99.985 vs. 2H 0.015

Notación isotópica:Notación isotópica:

Variabilidad natural de isótopos estables

δ = [Rmuestra/Restandard -1 ] x 1000

Evaporación

Transpiración

1/[concentración]

Aire inicial

ATM

Transpiración

Transpiración

Evaporación

(‰)

δT

δE

Mezclas isotópicas de vapor y CO2 en el ecosistemaMezclas isotópicas de vapor y CO2 en el ecosistema

-35

δET

T/ET = (δET - δE)/(δT - δE)

“Keeling plot”

Respiración de árboles

δRP

Respiración

de suelo δRS

δ13C de

CO2

(‰)

Respiración de árboles

Respiración de suelo

-14

δReco

RP/Reco = (δReco- δRS) / (δRP - δRS)

Modificado de Scott et al., 2004

Inte

rcam

bio

de C

O2

(µm

olm

-2s-1

)Componentes del intercambio de CO2 en bosque

de mesquiteComponentes del intercambio de CO2 en bosque

de mesquite

Lluv

ia(m

m)

Jun Jul Ago Sep Oct Nov

Agua subterránea

Agua del suelo

PP

PNE

Composición isotópica de la respiraciónComposición isotópica de la respiración

Respiración de árboles (C3)

δ13C= -26 a -28 ‰

Respiración del suelo (C3-C4)

δ13C= -19 a -21 ‰

Lluvias

Secas

Mezcla de dióxido de carbono de la respiración en bosque de mesquite

Mezcla de dióxido de carbono de la respiración en bosque de mesquite

Williams et al., 2006 Hydrol. Proc.

δ13C respiración de planta

δ13C respiración de suelo

Modificado de Scott et al., 2004

Inte

rcam

bio

de C

O2

(µm

olm

-2s-1

)Componentes del intercambio de CO2 en bosque

de mesquiteComponentes del intercambio de CO2 en bosque

de mesquite

Lluv

ia(m

m)

Jun Jul Ago Sep Oct Nov

Agua subterránea

Agua del suelo

PP

PNE

Periodo seco Periodo húmedo

δTranspiración

δEvaporación

δTranspiración

δEvaporación

Mezcla isotópica de vapor de agua Mezcla isotópica de vapor de agua

T/ET = 0.95 T/ET = 0.65

Componentes de la evapotranspiración en bosques de mesquite

Componentes de la evapotranspiración en bosques de mesquite

Yepez et al., en prensa (ecosystems 2007)

Eficiencia de uso de agua en bosques de mesquite

Eficiencia de uso de agua en bosques de mesquite

Lluvias

Secas

Foto

sínt

esis

TranspiraciónYepez et al., en revisión (ecosystems)

Contribución del sotobosque a la ETContribución del sotobosque a la ETC

ober

tura

en

el s

otob

osqu

e

PastosHierbas

Junio Julio Agosto

Evap

otra

nspi

raci

ón

Agosto 14

EvaporaciónTranspiración sotobosqueTranspiración mesquite

Respiración del ecosistema influenciada por la humedad del suelo

Respiración del ecosistema influenciada por la humedad del suelo

Res

pira

ción

del

eco

sist

ema

(µm

olm

-2s-

1 )

Humedad del suelo

Lluvias

Secas

Efecto de la lluvia en la productividad del bosque de mesquite

Scott RL., en proceso

Acu

mul

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n ne

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e C

O2

(g C

m-2

)

Lluvia acumulada en verano(mm)

Parámetros eco-hidrológicos que determinan la eficiencia de uso de lluvia

Parámetros eco-hidrológicos que determinan la eficiencia de uso de lluvia

•La proporción de lluvia que circula en la transpiración

•La eficiencia de uso de agua de la vegetación (productividad primaria)

•Tiempo de residencia de agua superficial en el suelo (ej. controlada por la evaporación)