Medida y parametrización de los fujos de co2 en un uso de suelo agrícola de la meseta utilizando datos en superficie y teledetección

Résumé

Esta tesis se enmarca dentro del proyecto CGL2006-08760 cofinanciado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) y fondos FEDER y ha sido posible gracias a una beca predoctoral FPI (BES-2007-16738). Su principal cometido es cuantificar y parametrizar la evolución temporal de los flujos de CO2 adquiridos durante 2007, 2008 y 2009 en un ecosistema agrícola del medio rural de la submeseta norte castellanoleonesa (CIBA, Centro de Investigación de la Baja Atmósfera), utilizando datos en superficie y teledetección. Dicho objetivo está dirigido a cuantificar la función de fuente o sumidero de este ecosistema, y contribuir a un mayor conocimiento del ciclo global del carbono. Así mismo, este trabajo incluye la utilización de parámetros ecofisiológicos obtenidos mediante imágenes de satélite del sensor MERIS para estimar la producción primaria bruta, GPP, mediante la aplicación de un modelo LUE. Introducción El cambio climático es uno de los principales retos ambientales a los que se enfrenta la sociedad actual. Su principal causa es el incremento de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera. Está ampliamente consensuado que el dióxido de carbono es el principal GEI de origen antropogénico causante del cambio climático, procedente principalmente del consumo de combustibles fósiles. Con el Protocolo de Kioto, los países firmantes se comprometieron a reducir las emisiones de este gas a nivel global al menos un 5% respecto a los niveles de 1990 en el período 2008-2012. Se sabe que la cantidad total de las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono, son superiores a la cantidad de carbono retenida en la atmósfera y en los océanos, lo que evidencia la existencia de un importante sumidero terrestre actuando mediante el proceso fotosintético. Por lo tanto, la cuantificación del intercambio neto de CO2 entre la vegetación y la atmósfera y la estimación de la producción primaria bruta (GPP) por parte de los ecosistemas terrestres, se considerada requisito esencial para entender el papel de la biosfera en el ciclo global del carbono y el cambio climático, y un instrumento para garantizar el cumplimiento de los objetivos del Protocolo de Kioto. Este intercambio neto de CO2 del ecosistema (NEE) depende de varios factores ambientales y su estimación permite saber si el ecosistema ejerce de sumidero o fuente de CO2. Dada la importancia que entraña el ciclo global del carbono en el contexto del cambio climático, en los últimos años se han ido instalando cada vez más estaciones para la medida de los flujos de CO2 en todo el planeta con el objetivo de identificar los sumideros y fuentes en la biosfera terrestre y analizar qué factores ambientales influyen en su caracterización y evolución en distintos usos del suelo en diversos climas. Para cuantificar tanto NEE como GPP el método de eddy covariance (correlación turbulenta) es uno de los métodos micrometeorológicos más ampliamente usados por la comunidad científica ya que la instrumentación de respuesta rápida utilizada habitualmente mide en continuo los flujos de CO2, agua y energía entre la vegetación y la atmósfera sin perturbar las condiciones de la vegetación durante un corto periodo o incluso hasta años. Por otra parte, el gran potencial de la Teledetección se ha abierto camino en este campo y muchos son los estudios que emplean parámetros obtenidos por imágenes de satélite para estimar la cantidad total de carbono asimilado en un ecosistema (GPP). La mayoría de estos estudios usan un modelo de eficiencia de la luz, LUE, el cual permite valorar la productividad de un ecosistema mediante parámetros biofísicos obtenidos por teledetección a distintas escalas espaciales. Sin embargo la información suministrada mediante teledetección debe ser contrastada o calibrada utilizando los datos experimentales adquiridos in situ. El objetivo de este trabajo es presentar los resultados experimentales de NEE y GPP medidos in situ en el ecosistema objeto de estudio, y, en conjunción con algunos parámetros biofísicos estimados mediante teledetección, suministrar un procedimiento robusto para el seguimiento de la evolución futura de NEE y GPP. Principales resultados de la tesis doctoral - Los flujos de CO2 netos, NEE, obtenidos en el agroecosistema castellano objeto de estudio han demostrado que éste actúa de sumidero neto de carbono, resultando una suma anual del intercambio neto de carbono entre atmósfera y biosfera (NEE) durante el primer año completo de medidas (de marzo de 2007 a febrero de 2008) de -180.9 g C m-2 año-1. En cuanto a los periodos de crecimiento vegetativo (PMI) de los tres años de estudio, los valores acumulados de NEE obtenidas fueron de: -238.4 y -168.6 g C m-2, para los años 2007 y 2008, y tan sólo de -127.2 g C m-2 para el PMI de 2009, detectándose una importante reducción de hasta el 50% del NEE acumulado en el PMI 2009 frente al PMI 2007, demostrando la influencia de la sequía acontecida ese año. - Los valores diurnos semihorarios de NEE han sido parametrizados en función de la radiación fotosintéticamente activa, PAR, según un modelo hiperbólico basado en la cinética de Michaelis-Menten. Mediante este modelo obtuvimos coeficientes de determinación muy satisfactorios, oscilando entre 0.72 y 0.94, correspondiendo los valores más bajos de R2 a los meses propios de la senescencia de la vegetación, julio y agosto, junto con los meses de invierno, y los más altos en los meses de mayor actividad de la vegetación, abril y mayo. Los valores nocturnos semihorarios de respiración se modelaron mediante una ecuación empírica en función de la temperatura del aire y de la fracción evaporativa, dando correlaciones menos satisfactorias, con valores de R2 en el rango de 0.45 a 0.56. Aplicando la anterior ecuación empírica para estimar valores diarios de la REeco diurna, se obtuvieron R2 más satisfactorios, del orden de 0.74 a 0.79. - La acusada variabilidad interanual de los flujos de CO2 cabe atribuirla a la influencia que ejercen las condiciones meteorológicas: presencia de sequías, duración del periodo con condiciones óptimas y régimen pluviométrico. - El régimen pluviométrico ha desempeñado un papel esencial sobre los valores de NEE y la REeco, provocando un aumento considerable de ésta tras un evento de lluvias y una notable disminución durante los períodos de sequía. Así pues, en los PMI de 2007 y 2009, periodos con régimen pluviométrico muy diferente, 232.1 y 108.3 mm respectivamente, hemos obtenido valores de REeco de 462.7 y 321 g C m-2. - Durante el primer año de medidas la cantidad de dióxido de carbono respirada por el ecosistema estimada constituyó el 80% del CO2 total asimilado por fotosíntesis. ¿ Los valores estimados de la GPP, calculados a partir de la suma de NEE y de REeco, mostraron una marcada estacionalidad y oscilaron entre 0.42 y 8.17 g C m-2 día-1. Los mínimos valores se dieron en invierno y los máximos en el mes de mayo o junio, dependiendo del año, así los máximos valores obtenidos fueron 8.17, 7.84 y 5.76 g C m-2 día-1, en los días julianos 134, 165 y 134 para los años 2007, 2008 y 2009 respectivamente. - La tasa media de GPP obtenida en el PMI de 2009, año dominado por la sequía, fue un 38% más baja que la obtenida en el PMI de 2007 y un 27 % más baja que aquella promediada en el PMI de 2008. - La evolución de los parámetros biofísicos extraídos de imágenes de satélite, demostraron una satisfactoria consistencia con la variación estacional e interanual de la GPP observada mediante medidas in situ. Así los máximos valores de los compuestos de 8 días del fAPAR fueron 0.61, 0.58 y 0.34, y del LAI: 1.75, 1.54 y 0.62 en los años 2007, 2008 y 2009 respectivamente, repitiéndose el mismo comportamiento que en la GPP, con una significativa reducción cuantitativa en los valores alcanzados en el año 2009. ¿ El modelo ECIBA-LUE aplicado con datos satelitales de fAPAR-MERIS y datos in situ de PAR, Tair y EF ha resultado eficaz en el seguimiento de la dinámica evolutiva de la GPP y ha explicado el 91 % de la variabilidad de la GPPobs. El valor obtenido de la eficiencia del uso de la luz óptima, ¿max, específica de nuestro ecosistema de estudio fue de 1.902 g C MJ-1. - El modelo ECIBA-LUE ha resultado adecuado para la detección de condiciones ambientales de sequía en el periodo de estudio: el valor de GPPmod en el PMI 2009 sufrió una reducción de hasta el 40% respecto a los valores alcanzados en 2007 y 2008 - Dada la representatividad que el ecosistema elegido tiene dentro de la meseta castellanoleonesa, los resultados obtenidos han contribuido a un mayor conocimiento del ciclo del C y una mejor comprensión de la posible respuesta de los agroecosistemas castellanos frente al cambio climático. Bibliografía (1) ANDERSON, D. E., et al. Eddy Correlation Measurements of CO2, Latent Heat, and Sensible Heat Fluxes Over a Crop Surface. Boundary-Layer Meteorology, 1984, vol. 29, no. 3, pp. 263-272 (2) BALDOCCHI, D. D. 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