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Las comunidades microbianas del suelo y el funcionamiento de los ecosistemas de alta montaña mediterráneas

Autores: Alba Gutiérrez Girón(UCM), Rosario Gavilán García (UCM) y Agustín Rubio Sánchez (UPM)


La comunidades microbianas del suelo determinan el funcionamiento de los ecosistemas terrestres

Con frecuencia en los ecosistemas terrestres los procesos que suceden en la superficie del suelo y los que suceden en el interior del suelo han sido estudiados por separado. Sin embargo, ambos componentes de los ecosistemas son interdependientes y sus relaciones determinan el funcionamiento y propiedades de los ecosistemas (Wardle et al. 2004). Las plantas producen el carbono (C) orgánico necesario para los microorganismos del suelo (hongos y bacterias fundamentalmente), mientras que los microorganismos alteran y mineralizan la materia orgánica vegetal e indirectamente afectan a la productividad y composición de las comunidades vegetales al condicionar la tasa de renovación de nutrientes en el suelo. En un contexto de cambio global el papel de la microbiota del suelo en el reciclado de la materia orgánica es trascendental. Los suelos constituyen uno de los principales reservorios de C del planeta dado que se estima que el C orgánico del suelo representa aproximadamente el doble del C que se acumula en la atmósfera y en la vegetación terrestre (Schimel 1995). Por ello, un incremento de las temperaturas o un cambio en la composición de las comunidades vegetales puede tener efectos en la actividad microbiana y, por tanto, en la mineralización de la materia orgánica del suelo,  retroalimentando el incremento de las concentraciones de CO2 atmosférico (Davidson y Janssens 2006).

La comunidad microbiana del suelo en ecosistemas de alta montaña es diversa y dinámica

En contra de lo que podríamos esperar, en ambientes aparentemente hostiles para la vida, como son los ecosistemas de alta montaña, las comunidades microbianas de sus suelos son muy abundantes y poseen una llamativa diversidad genética y funcional (Lipson et al. 2002; Nemergut et al. 2005; Lipson 2007). Debido a las condiciones tan cambiantes que se dan en los ecosistemas de alta montaña, de una estación a otra las comunidades microbianas en estos suelos muestran variaciones importantes en su abundancia, composición y funcionamiento en periodos de tiempo muy cortos (Wardle 1998). Durante el invierno y comienzo de la primavera los cambios en las comunidades microbianas están relacionados con la existencia de una capa de nieve, con ciclos de helada y deshielo del suelo, así como con la disponibilidad de fuentes de C y N. Durante el verano los cambios en la comunidad microbiana se han relacionado con procesos de interacción con las plantas, en particular con procesos de partición y competencia por los nutrientes y con cambios en la disponibilidad de las fuentes de C procedentes de las plantas a través de exudados radiculares o calidad de la hojarasca (Bardgett et al. 2005). No obstante, en ecosistemas mediterráneos la humedad de suelo disminuye drásticamente durante el verano y es de esperar que la disponibilidad de agua en el suelo determine una dinámica de las comunidades microbianas diferente a la observada en otros ecosistemas durante este periodo. Así se ha comprobado que la disponibilidad de agua determina fuertemente la actividad de la microbiota edáfica en ecosistemas mediterráneos (Reichstein et al. 2002; Rey et al. 2002); sin embargo, en suelos de alta montaña mediterránea se desconoce si los periodos de sequía afectan a la abundancia de las comunidades microbianas y cómo la falta de agua modula el reciclado de la materia orgánica.

Figura. Aspecto de los pastos de alta montaña a mediados de junio (imagen izquierda) y a comienzos de septiembre (imagen derecha) en la Sierra de Guadarrama. Vista de la Bola del Mundo (2.200 m de altitud) desde la Maliciosa.

La comunidad microbiana en ecosistemas de alta montaña mediterránea es resistente a la sequía estival

Recientemente desde el Dpto. de Biología Vegetal II de la UCM, en colaboración con el Dpto de Silvopascicultura de la UPM, hemos abordado algunas de estas cuestiones estudiando la ecología de la comunidad microbiana en comunidades vegetales de alta montaña mediterránea en la Sierra de Guadarrama (Gutiérrez-Girón et al. 2013). Los resultados obtenidos indican un funcionamiento particular de los ecosistemas de alta montaña mediterránea determinado por la sequía estival. La microbiota del suelo en estos ecosistemas es resistente a la sequía y mantiene valores altos y relativamente constantes durante el verano. La resistencia a la sequía de la comunidad microbiana conlleva que no se liberen nutrientes, ni formas lábiles de C provenientes de la lisis de los microorganismos, en un periodo en el que la actividad biológica de las plantas y microorganismos es reducida y, por tanto, la demanda de recursos es escasa. La dinámica observada de la microbiota del suelo puede suponer un mecanismo relevante para la conservación del C y de los nutrientes del suelo. Esta dinámica es muy diferente a la observada hasta ahora en ecosistemas de alta montaña de latitudes templadas donde la alternancia en la demanda de nutrientes de plantas y microorganismos se ha descrito como el principal mecanismo que determina las variaciones de la microbiota del suelo (Jaeger et al. 1998, Bardgett et al. 2005). Finalmente, ante futuros procesos de cambio climático estos resultados sugieren que las variaciones en los patrones de precipitación en ecosistemas de alta montaña mediterránea pueden alterar notablemente la dinámica estacional de las comunidades microbianas y, por tanto, la disponibilidad y conservación de las formas lábiles de C y de los nutrientes en el suelo, lo que finalmente podría tener efectos en la productividad de estos ecosistemas.

 

Referencias

 

Bardgett RD, Bowman WD, Kaufmann R, Schmidt SK (2005) A temporal approach to linking aboveground and belowground ecology. Trends Ecol Evol 20: 634-641

Davidson EA, Janssens IA. 2006. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change. Nature 440: 165-172.

Gutiérrez-Girón A, Rubio A, Gavilán RG (2013). Temporal microbial biomass and plant biomass variation during summer in a Mediterranean high-mountain dry grassland. Plant and Soil DOI 10.1007/s11104-013-1887-6

Jaeger CH, Monson RK, Fisk MC, Schmidt SK (1998) Seasonal partitioning of nitrogen by plants and soil microorganisms in an alpine ecosystem. Ecology 80: 1883-1891

Lipson DA, Schadt CW, Schmidt SK (2002) Changes in Soil Microbial Community Structure and Function in an Alpine Dry Meadow Following Spring Snow Melt. Microbial Ecol 43: 307-314

Lipson DA (2007) Relationships between temperature responses and bacterial community structure along seasonal and altitudinal gradients. Microbial Ecol 59: 418–427

Nemergut DR, Costello EK, Meyer AF, Pescador MY, Weintraub MN, Schmidt SK. 2005. Structure and function of alpine and arctic soil microbial communities. Research in Microbiology 156: 775-784

Reichstein M, Tenhunen JD, Roupsard O, Ourcival JM, Rambal S, Dore S, Valentini R. 2002. Ecosystem respiration in two Mediterranean evergreen Holm Oak forests: drought effects and decomposition dynamics. Functional Ecology 16: 27-39

Rey A, Pegoraro E, Tedeschi V, De Parri I, Jarvis PG, Valentini R. 2002. Annual variation in soil respiration and its components in a coppice oak forest in Central Italy. Global Change Biology 8: 851-866

Schimel DS. 1995. Terrestrial ecosystems and the carbon cycle. Global Change Biology 1: 77-91

Wardle DA (1998) Controls of temporal variability of the soil microbial biomass: A global-scale synthesis. Soil Biol Biochem 30: 1627-1637

Wardle DA, Bardgett RD, Klironomos JN, Setälä H, van der Putten WH, Wall DH (2004) Ecological Linkages Between Aboveground and Belowground Biota. Science 304: 1629-1633

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Cambio global y sus efectos sobre la biosfera

Dra. Alba Gutiérrez Girón, Facultad de Farmacia, Universidad Complutense de Madrid

Los procesos implicados en el cambio global son múltiples e interactivos. Tres son los factores determinantes del cambio global: incremento del CO2 atmosférico, incremento en la fijación y deposición del nitrógeno (N) y cambio en el uso del suelo (Vitousek 1994). Una de las manifestaciones más evidentes del cambio global son las alteraciones climáticas como consecuencia del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero desde la era preindustrial. Durante los últimos 100 años (desde 1906 a 2005) la tendencia de calentamiento de la superficie terrestre ha sido de 0,74 ºC (IPCC 2007). Las tendencias de precipitación también han variado en los últimos 100 años, en particular las precipitaciones han disminuido en la región mediterránea, el Sahel, Sur de África y Sur de Asia, mientras que en otras regiones han aumentado (IPCC 2007). A los procesos de cambio climático hay que sumarles la alteración de ciclo de N y el cambio en el uso del suelo. Los cambios en el ciclo del N son tan drásticos que actualmente se fija más N por la actividad humana que mediante procesos naturales (Smil 1991; Vitousek et al. 1997). Por otro lado, el cambio en el uso del suelo es de los tres procesos el más heterogéneo en intensidad y naturaleza (Vitousek 1994); se estima que la mitad de la superficie terrestre libre de hielo ha sido transformada por la actividad humana (Kates et al. 1990), que controla aproximadamente un tercio de la producción neta primaria terrestre (Chapin et al. 2000).

En términos generales los cambios climáticos afectan a la distribución y abundancia de las especies, al reciclado de nutrientes y la productividad de los ecosistemas. La alteración en la fijación y deposición de N tiene consecuencias en la productividad neta de los ecosistemas, y por tanto en la fijación de CO2 (Vitousek et al. 1997; Gruber y Galloway 2008), pero también en la composición, estructura y riqueza de las biocenosis (e.g. Tilman 1987; Huenneke et al. 1990; Lilleskov et al. 2002). Los cambios en el uso del suelo determinan cambios rápidos en el funcionamiento y composición de los ecosistemas, contribuyen al cambio en los ciclos biogeoquímicos del carbono (C) y del N, y tienen también efectos locales y regionales sobre el clima (Vitousek et al. 1994).

A pesar de que a lo largo de la historia de la Tierra la condiciones climáticas y los ciclos biogeoquímicos han experimentado importantes variaciones, los procesos de cambio global que se producen actualmente como consecuencia de la actividad humana suceden a una velocidad anormalmente grande (Gitay et al. 2001). Estos procesos de cambio global amenazan gravemente la biodiversidad en gran parte del planeta (Chapin et al. 2000; Sala et al. 2000) y las evidencias sobre cambios actuales en la biosfera son numerosas (Hughes 2000; IPCC 2007). Entre las respuestas al cambio global de los organismos se han detectado alteraciones en la fenología de las especies, desajustes de las interacciones entre especies, desplazamientos altitudinales y latitudinales en sus área de distribución o incluso extinciones locales (Hughes 2000; Walther et al. 2002; Parmesan 2006). Sin embargo existe una gran incertidumbre sobre los impactos potenciales de estos cambios en los ecosistemas, puesto que la respuestas en la biosfera son sinérgicas (Chapin et al. 2000; Brook et al. 2008), lo que puede determinar cambios en cascada en la biodiversidad, que alteren drásticamente la estructura y funcionamiento de los ecosistemas. Por otro lado no todas las especies ni los ecosistemas que constituyen son igualmente sensibles al cambio lo que condiciona los potenciales efectos del cambio global y determina la capacidad de respuesta a estos cambios.

Esquema de los procesos múltiples e interactivos causantes del cambio global y sus efectos en la biosfera.

Referencias:

 

Brook BW, Sodhi NS, Bradshaw C. 2008. Synergies among extinction drivers under global change.Trends in Ecology & Evolution 23: 453-459.

Chapin III FS, Zavaleta ES, Eviner VT, Naylor RL, Vitousek PM, Reynolds HL, Hooper DU, Lavorel S, Sala OE, Hobbie SE, Mack MC, Diaz S. 2000. Consequences of changing biodiversity. Nature 405: 234-242.

Gitay H, Brown S, Easterling W, Jallow B. 2001: Ecosystems and their goods and services. Climate Change 2001: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, McCarthy JJ, Canziani OF, Leary NA, Dokken DJ, White KS. Eds. Cambridge University Press, Cambridge.

Gruber N, Galloway JN. 2008. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature 451: 293-296.

Huenneke LF, Hamburg SP, Koide R, Mooney HA, Vitousek PM. 1990. Effects of Soil Resources on Plant Invasion and Community Structure in Californian Serpentine Grassland. Ecology 71: 478-491.

Hughes L. 2000. Biological consequences of global warming: is the signal already apparent? Trends in Ecology & Evolution 15: 56-61.

IPCC. 2007. Climate change 2007: the scientific basis. Synthesis report. Contributions of Working Groups I, II, and III to the Fourth Assesment Report of the Intergovernmental Panel of Climate Change. IPCC. Ginebra.

Lilleskov EA, Fahey TJ, Horton TR, Lovett GM. 2002. Belowground ectomycorrhizal fungal community change over a nitrogen desposition gradient in Alaska. Ecology 83: 104-115.

Kates RW, Turner PL, Clark WC. 1990. The great transformation. In: Turner PL, Clarck WC, Kates RW, Richards JF, Mathews JT and Meyer WB, eds. The earth as transformed by human action. Cambridge University Press, Cambridge.

Parmesan C. 2006. Ecological and evolutionary responses to recent climate change. Annual Review of Ecology and Systematics 37: 637-669.

Sala OE, Chapin FS, Armesto JJ, Berlow E, Bloomfield J, Dirzo R, Huber-Sanwald E, Huenneke LF, Jackson RB, Kinzig A, Leemans R, Lodge DM, Mooney HA, Oesterheld MÌn, Poff NL, Sykes MT, Walker BH, Walker M, Wall DH. 2000. Global Biodiversity Scenarios for the Year 2100. 1770-1774.

Smil V. 1991. Population Growth and Nitrogen: An Exploration of a Critical Existential Link. Population and Development Review 17: 569-601.

Tilman D. 1987. Secondary Succession and the Pattern of Plant Dominance Along Experimental Nitrogen Gradients. Ecological Monographs 57: 189-214.

Vitousek PM. 1994. Beyond Global Warming: Ecology and Global Change. Ecology 75: 1862-1876.

Vitousek PM, Aber JD, Howarth RW, Likens GE, Matson PA, Schindler DW, Schlesinger WH, Tilman DG. 1997. Human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences. Ecological Applications 7: 737-750.

Walther GR, Post E, Convey P, Menzel A, Parmesan C, Beebee TJC, Fromentin J-M, Hoegh-Guldberg O, Bairlein F. 2002. Ecological responses to recent climate change. Nature 416: 389-395.

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La transformación de la superficie terrestre por actividades humanas como componente principal del Cambio Global

Autor: José Francisco Martín Duque, Universidad Complutense de Madrid (UCM). Participante en el Programa de Actividades de I+D entre Grupos de Investigación de la Comunidad de Madrid REMEDINAL-2.

 

Con anterioridad a la actual crisis (¿sólo económica?) del ‘mundo occidental’, el problema ambiental ‘estrella’ en los medios de comunicación de estas zonas del planeta era el denominado Cambio Climático. Decimos “con anterioridad”, porque apenas queda rastro hoy de alguna noticia ecológica ‘global’ en estas regiones. Todo ello, a pesar de las evidentes conexiones que parece haber entre crisis, conflictos, crecimiento demográfico y competencia por recursos naturales, incluido el ‘territorio’.

En un artículo publicado recientemente (diciembre de 2012) en la revista GSA Today, del que son coautores dos investigadores de la red REMEDINAL (ver Hooke et al., 2012), se muestran algunas realidades que deberían dar lugar al inicio de una intensa discusión pública sobre el estado de degradación de la superficie terrestre. Esta degradación está ejercida por la presión que ha desencadenado y desencadena el crecimiento demográfico de las últimas décadas y las actividades humanas asociadas al legítimo desarrollo de las distintas sociedades.

Según dicho artículo, para el año 2007, las actividades humanas habían modificado ya el 53% de la superficie terrestre en términos ‘geomorfológicos’. Es decir, directamente moviendo tierras, o indirectamente mediante acciones que han causado cambios en los flujos de sedimentos. En un artículo anterior (Hooke, 1994), se había demostrado que los humanos éramos ya hace casi dos décadas el principal agente geomorfológico ‘esculpiendo’ la superficie terrestre.

En efecto, son varias las actividades humanas que mueven tierras y modifican, y en muchos casos degradan, la superficie terrestre. La minería, la construcción de infraestructuras o los procesos de urbanización son algunos ejemplos. Pero también el laboreo de superficies cultivadas mueve grandes cantidades de tierra, y favorece una erosión acelerada del suelo. A su vez, el pastoreo y los aprovechamientos forestales también incrementan la erosión. Una gran parte de los sedimentos erosionados acaba depositándose en la base de las mismas laderas transformadas, o bien en llanuras aluviales, modificando a su vez la configuración de la superficie terrestre. El resto es transportado por la red fluvial.

Muchas de estas actividades tienen además efectos indirectos más allá de las superficies directamente afectadas, de manera que el impacto total debido a la transformación de la superficie terrestre es muy superior al 53 %. Tanto los efectos directos como indirectos de esa modificación comprometen los servicios ecosistémicos que son esenciales para la supervivencia humana, muchos de los cuales son irremplazables.

Por todo ello, estos autores afirman que la transformación de la superficie terrestre por las actividades humanas es ya, y a buen seguro será en las próximas décadas, el componente más importante del Cambio Global.

La continua degradación de tierras agrícolas y la expansión del suelo urbano a expensas de suelos muy productivos (Figura 1), junto con la incesante degradación de servicios ecosistémicos esenciales, probablemente van a limitar la capacidad de la superficie terrestre para proporcionar una calidad de vida aceptable, incluso para la población mundial actual. De hecho, todo apunta a que podamos estar ya en un estado de superpoblación.

Figura 1. Cambios de algunos usos del suelo a lo largo del tiempo, con su extrapolación a 2050. Los datos de población y su proyección proceden de UNPD (1999). KG’01—Klein Goldewijk (2001); KG’11—Klein Goldewijk et al. (2011); P+—Pongratz et al. (2008); R+— Ramankutty et al. (2008); RF—Ramankutty and Foley (1999). Véase Hooke et al. (2012 para referencias, otras fuentes y otras estimaciones.

La superpoblación es un fenómeno según el cual la población de una especie determinada excede la capacidad de acogida de su ambiente. Y después de un tiempo en el que las reservas de los recursos se consumen de forma más rápida de la que éstos se renuevan, las poblaciones colapsan. Por todo ello, los citados autores argumentan que este tema de sostenibilidad es mucho más serio, si bien se verá amplificado por el mismo, que el Cambio Climático.

Con el objetivo de buscar una verdadera sostenibilidad de la especie humana en el planeta, las alternativas son bien conocidas: 1) reducir la demanda de recursos; 2) desarrollar soluciones tecnológicas que puedan mitigar nuestros impactos; 3) adoptar medidas que, inicialmente ralenticen el crecimiento demográfico, y eventualmente lo reviertan. En el artículo citado se argumenta cómo es improbable que, por sí solas, las dos primeras medidas solucionen el problema. En este contexto, la Restauración Ecológica constituye una herramienta esencial para invertir los procesos de degradación territorial y restituir el capital natural y los servicios ecosistémicos que son imprescindibles para la supervivencia de la especie humana.

 

 

Referencias

Hooke, R.LeB. 1994. On the efficacy of humans as geomorphic agents. GSA Today, 4: 217- 224,225.

Hooke, R. LeB., Martín-Duque, J.F. and Pedraza, J. 2012. Land transformation by humans.GSA Today, 22(12): 4-10.

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Importancia de la trashumancia en el mantenimiento de las dehesas.

Dra. Begoña Peco Vázquez, Catedrática de Ecología, Universidad Autónoma de Madrid.

Entre el 6 y el 8 de febrero de 2013 tuvo lugar en Évora, Portugal, el congreso Acknowledging the MONTADOS and DEHESAS as High Nature Value Farming Systems: implications for classification and for policy support. En dicha conferencia, se presentó el trabajo realizado por algunos miembros del Grupo de Ecología Terrestre de la UAM en el contexto del Programa REMEDINAL-2, y titulado: Assessing the effects of transhumant grazing on the regeneration and vegetative status of holm oaks in Dehesas”. Este trabajo se centra en la falta de regeneración del arbolado, uno de los principales problemas que amenazan a las dehesas, poniendo en riesgo la estabilidad a largo plazo de estos sistemas.

Las dehesas han sido tradicionalmente el área de invernada de los rebaños trashumantes, pero en las últimas décadas las prácticas trashumantes han experimentado un importante declive debido a múltiples factores. En este estudio se compararon el estado vegetativo y la regeneración de encinas de fincas pastoreadas por ganado trashumante con los de fincas con presencia permanente de ganado. Los resultados mostraron que las encinas juveniles de fincas trashumantes sufren una intensidad de ramoneo mucho menor y que, a consecuencia de esto, tanto el área ocupada por encinas juveniles  como la densidad de encinas adultas de tamaño medio es superior a las de las fincas con ganado estante.

Estos resultados sugieren que la falta de regeneración de las encinas en dehesas puede no ser debida sólo a la alta carga ganadera que sufren, sino también al abandono de prácticas tradicionales como la trashumancia, e indican que la recuperación de este tipo de prácticas debería contemplarse como una de las medidas dirigidas a mejorar el estado de conservación de las dehesas.

 

Referencias

C.P. Carmona, F.M. Azcárate, E. Oteros-Rozas, J.A. González, B. Peco. 2013. Assessing the effects of seasonal grazing on holm oak regeneration: Implications for the conservation of Mediterranean dehesas. Biological Conservation 159, 240-247.

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