FUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMAS

El funcionamiento de los ecosistemas se define como el conjunto de condiciones y procesos por los cuales el ecosistema mantiene su integridad, incluyendo la producción primaria, los ciclos biogeoquímicos y los flujos de materia y energía en general.  Las pérdidas de funcionalidad producen disminuciones en la capacidad de los ecosistemas de retener y utilizar los recursos locales tales como el agua o los nutrientes, así como en su estabilidad y capacidad de amortiguar las perturbaciones (Ludwig & Tongway, 1997; Díaz, S. 2001).  Las alteraciones funcionales se producen como consecuencia de cambios ambientales de muy diversa índole, como sequías, incendios, cambios en composición biótica, cambios en los usos del suelo o sobreexplotación de acuíferos (Paruelo et al., 2001; Muñoz-Reinoso,  2001; Cardinale et al., 2006).  El efecto de dichas alteraciones tiene importantes implicaciones ecológicas, afectando a la capacidad de los ecosistemas de capturar carbono y proporcionar energía utilizable por los consumidores primarios, o incluso modificando el clima local. Monitorear el funcionamiento de los ecosistemas en el espacio y el tiempo es por ello una prioridad en conservación (Alcaraz-Segura et al., 2009; Fernández et al, 2010). 
El ciclo del carbono
El intercambio de CO2 entre la Superficie y la atmósfera nos proporciona una información muy valiosa sobre el funcionamiento de un ecosistema. Un ecosistema determinado puede actuar como una fuente de CO2 (liberando CO2 a la atmósfera) o como sumidero (captándolo) según una serie de factores, por un lado la estructura del ecosistema (tipo de vegetación, de suelo, etc.) y por otro lado por factores climáticos (régimen de precipitación, temperatura media, etc.). Además, este intercambio neto de carbono varía en el tiempo tanto intra-anualmente (según la estación del año) como intra-anualmente (según factores como el régimen hídrico del año en curso o perturbaciones como plagas, incendios u otras). 
La observación sistemática en el tiempo del flujo de carbono nos permite entender la dinámica estacional del ecosistema (se necesitaría más de un año completo de datos para realizar esta tarea), las variaciones intra-anuales (para lo que sería necesario tener datos de  5 o más años, repercusiones del cambio climático en la dinámica del ecosistema (serían necesarias series de tiempo largas, de más de 10 años).
En la actualidad existen principalmente dos fuentes de datos que proporcionan información sobre el ciclo de carbono y el del agua: datos derivados de las Torres Edyy Covariance, y datos derivados de teledetección.

Datos que se usan en este Observatorio Ecosistémico
Actualmente, los sensores a bordo de satélite son la única fuente de datos cuantitativa y espacialmente explícita capaz de proporcionar observaciones frecuentes de la cubierta terrestre (Scholes et al., 2008), todos ellos requerimientos básicos de un sistema como éste. Una vez desarrollado, el sistema proporcionará información de bajo coste, con una cobertura espacial continua y una alta frecuencia de actualización. Ello permitirá un seguimiento en tiempo real, la detección temprana de anomalías y la capacidad de predecir a corto y medio plazo algunos de los parámetros que definen el funcionamiento de los ecosistemas.
Otra fuente de datos que se utilizarán en este Observatorio son los derivados de las torres Eddy covariance. Sin duda son los datos más precisos que existen en la actualidad para el estudio del flujo neto de CO2 entre la Superficie y la atmósfera. Estos datos han mejorado considerablemente nuestra capacidad para entender la dinámica inter e intra anual de diversos ecosistemas de la Superficie terrestre. 

Doñana y sus ecosistemas
La comarca de Doñana consta de dos grandes unidades ambientales: las marismas del Guadalquivir, que se inundan cada año y están formadas por los limos arrastrados por el río, y los cotos arenosos, cubiertos de sedimentos eólicos de origen marino. Una gran parte de las marismas se han desecado desde la primera mitad del siglo XX y se dedican a la agricultura, principalmente de regadío, con un papel destacado de los arrozales. En los cotos, una parte se dedica a agricultura intensiva, generalmente bajo plástico, y otra se plantó hace más de medio siglo con pinos piñoneros y eucaliptos (aunque estos últimos han sido eliminados en los últimos lustros). En las áreas menos transformadas, el tipo de vegetación depende en gran medida de la disponibilidad de agua: en la marisma alta la inundación anual dura poco tiempo y crecen los almajos y las herbáceas, mientras que en la marisma baja el agua dura más tiempo y predominan el bayunco y la castañuela; en los cotos, las zonas altas, con un acceso más limitado a la capa freática, están dominadas por cistáceas, en especial el jaguarzo, romero, y en algunas zonas sabinas y enebros; esta vegetación xerofítica es conocida como "monte blanco"; las zonas bajas se inundan en los inviernos más lluviosos y en ellas predominan los brezos, un tipo de vegetación hidrofítica llamado localmente "monte negro". El ecotono o transición entre los cotos y la marisma se conoce como La Vera, y en ella abundan los pastizales.   

Bibliografía recomendada

Alcaraz-Segura, D., Cabello, J., Paruelo, J.M., Delibes, M. Use of descriptors of ecosystem functioning for monitoring a national park network: A remote sensing approach. (2009) Environmental Management, 43 (1), pp. 38-48. 
Cardinale, B.J., Srivastava, D.S., Duffy, J.E., Wright, J.P., Downing, A.L., Sankaran, M., Jouseau, C. Effects of biodiversity on the functioning of trophic groups and ecosystems (2006) Nature, 443 (7114), pp. 989-992.
Díaz, S. Ecosystem function measurement, terrestrial communities. (2001), In Encyclopedia of Biodiversity (Vol 2) (Levin S.A., ed) pp. 321-344, Academic Press.
Fernández, N., Paruelo, J.M., Delibes, M. Ecosystem functioning of protected and altered Mediterranean environments: A remote sensing classification in Doñana, Spain. (2010) Remote Sensing of Environment, 114 (1), pp. 211-220
Kerr, J.T., Ostrovsky, M. From space to species: Ecological applications for remote sensing. (2003) Trends in Ecology and Evolution, 18 (6), pp. 299-305. 
Ludwig, J.A. & Tongway, D.J. A landscape approach to rangeland ecology. In J.A. Ludwig, D.J. Tongway, D.O. Freudenberger, J.C. Noble & K.C. Hodgkinson (eds), Landscape ecology, function and management: principles from Australia’s rangelands (1997), 1-12. Melbourne: CSIRO Publishing.
Muñoz-Reinoso J.C, Vegetation changes and groundwater abstraction in SW Doñana, Spain, (2001), Journal of Hydrology, Volume 242, Issues 3-4, 28 pp. 197-209.
Paruelo, J.M., Burke, I.C., Lauenroth, W.K. Land-use impact on ecosystem functioning in eastern Colorado, USA (2001), Global Change Biology, 7 (6), pp. 631-639. 
Roberts, D.A., Numata, I., Holmes, K., Batista, G., Krug, T., Monteiro, A., Powell, B., Chadwick, O.A.. Large area mapping of land-cover change in Rondônia using multitemporal spectral mixture analysis and decision tree classifiers. (2002) Journal of Geophysical Research D: Atmospheres, 107 (20)
Scheffer, M., Carpenter, S., Foley, J.A., Folke, C., & Walker, B. Catastrophic shifts in ecosystems (2001), Nature, 413 (6856), 5 pp. 91-596.
Scholes, R.J., Mace, G.M., Turner, W., Geller, G.N., Jürgens, N., Larigauderie, A., Muchoney, D., Walther, B.A., Mooney, H.A. Ecology: Toward a global biodiversity observing system. (2008), Science, 321 (5892), pp. 1044-1045.

 

Torres Eddy Covariance

Sin duda los datos más precisos que existen en la actualidad para el estudio del flujo neto de CO2 entre la Superficie y la atmósfera son los proporcionados por la Torres Eddy Covariance.  Estos datos han mejorado considerablemente nuestra capacidad para entender la dinámica inter e intra anual de diversos ecosistemas de la Superficie terrestre. 
Resolución temporal: 1 dato cada 30 minutos
Resolución espacial: Las medidas que toman son representativas de un área de influencia(o footprint) generalmente menor de 1Km2. 
Datos proporcionados por las torres: Intercambio (flujo) neto de CO2, H2O y calor sensible
Datos auxiliares: Temperatura del aire, Precipitación, Temperatura del suelo, Humedad del Suelo (a tres profundidades), Flujo de calor al suelo, Rn (radiación neta), NDVI (Normalized Difference vegetation Index), PRI (Photochemical Reflectance Index)

En la actualidad se encuentran operativas tres torres Eddy covariance en el parque Nacional de Doñana (Figura 2), en los ecosistemas de: Matorral hidrofítico, Marisma baja y Pinares dispersos. 

Datos derivados de imágenes de satélite
Ciclo del carbono
Los datos ópticos derivados de imágenes de satélite se relacionan con los flujos de CO2 a través de índices de vegetación tales como el NDVI (Normalized Vegetation Index) o EVI (Enhanced Vegetation Index). Se ha estudiado, para distintos tipos de vegetación, que existe una relación lineal entre estos índices y la fAPAR (fracción de la radiación fotosintéticamente activa interceptada por la vegetación). 
Resolución temporal:  1 dato cada 16 días
Resolución espacial: 250 m
Datos proporcionados en el Observatorio: Serie temporal EVI preprocesada (datos limpios, sin huecos y serie temporal suavizada)

Ciclo del agua
Conocer el balance de agua es crucial para el desarrollo de medidas de manejo sostenible del recurso del agua. El balance de agua se entiende como el equilibrio entre el agua que recibe el sistema (inputs) frente al agua que pierde (outputs). Inputs: principalmente precipitación. Outputs: escorrentía, infiltración y evapotranspiración. 
La evapotranspiración ha sido calculada a partir de datos de Observación de la Tierra, imágenes cada 16 días de EVI (MOD31Q1) y de Temperatura Superficial (Land Surface Temperature, LST). A partir de estos datos se ha calculado el índice de sequía TVDI siguiendo la metodología propuesta por Sandholt et al (2002). 
Resolución temporal: 1 dato cada 16 días
Resolución espacial: 1 km.
Datos proporcionados en el Observatorio: Serie temporal de TVDI