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Tesis:

Atmospheric concentration and deposition of reactive nitrogen in Spanish forests of Quercus ilex

  • Autor: GARCÍA GÓMEZ, Héctor

  • Título: Atmospheric concentration and deposition of reactive nitrogen in Spanish forests of Quercus ilex

  • Fecha: 2016

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS

  • Departamentos: QUIMICA Y TECNOLOGIA DE ALIMENTOS

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/44554/

  • Director/a 1º: ALONSO DEL AMO, Rocío
  • Director/a 2º: GONZÁLEZ FERNÁNDEZ, Ignacio
  • Director/a 3º: VALLEJO GARCÍA, Antonio

  • Resumen: El depósito atmosférico de nitrógeno (N) es considerado la tercera causa más importante de pérdida de biodiversidad, tras los cambios de uso del suelo y el cambio climático. La cuenca mediterránea presenta una extraordinaria riqueza biológica y se reconoce como uno de los 25 puntos de conservación prioritaria de la diversidad biológica mundial. Sin embargo, hay poca información disponible sobre la amenaza que la contaminación atmosférica puede representar para la biodiversidad en esta región. Esta Tesis se ha desarrollado en el marco del proyecto "Efectos del depósito de N en encinares mediterráneos" (EDEN), que surgió tras la publicación de varias evidencias de enriquecimiento en N en algunos ecosistemas españoles, con el objetivo de generar nuevos conocimientos sobre el depósito de N y sus efectos sobre los ecosistemas mediterráneos. El primer enfoque consistió en realizar una evaluación del riesgo de los efectos nocivos que podría causar el depósito de N atmosférico en las áreas protegidas de la Red Natura 2000, usando para ello datos de modelos de calidad atmosférica de uso extendido. En general, los modelos EMEP y CHIMERE estimaron valores de depósito húmedo de N inorgánico dentro de unos rangos aceptables en comparación con las mediciones disponibles, aunque los resultados deben aplicarse con precaución, sobre todo en escalas pequeñas y en las zonas de orografía compleja. El depósito húmedo de N en España mostró una distribución decreciente a lo largo de un eje NE–SO, mostrando un mayor depósito en las regiones costeras del norte y del este (hasta 16.1 kg de N ha-1 año-1) que en el interior y las zonas del sur. La distribución del depósito total de N inorgánico (incluyendo depósito húmedo y seco) siguió un patrón similar, mostrando una estimación máxima de 23.0 kg de N ha-1 año-1. La evaluación de riesgos se realizó mediante la comparación del depósito total de N inorgánico estimado por modelos EMEP y CHIMERE para 2008 con las cargas críticas (CC) empíricas definidas en el Convenio de Ginebra sobre la Contaminación Atmosférica Transfronteriza a Gran Distancia. Los pastizales naturales (en su mayoría ubicados zonas de alta montaña del norte) fueron los hábitats más sensibles, mostrando un 30–60% de su área evaluada en riesgo. La principal incertidumbre de la amenaza potencial del depósito de N para estos hábitats es que no existen estaciones de monitorización con las que se pueda comprobar el rendimiento de los modelos en la estimación del depósito de N en estas zonas elevadas. Por otra parte, del 41% al 71% de la superficie dentro de la región biogeográfica alpina en España, junto con algunos brezales, matorrales y bosques en otras zonas montañosas, podrían estar experimentando superaciones de las CC. Por lo tanto, se debería implementar un mayor despliegue de las redes de monitorización de depósito atmosférico en áreas de montaña españolas para controlar la contaminación atmosférica y evaluar el riesgo de los efectos sobre estos ecosistemas tan valiosos. Los resultados de esta evaluación coinciden con anteriores informes de enriquecimiento de N en algunas zonas de España, lo que sugiere que el método aplicado es adecuado para la evaluación del riesgo de aparición de efectos por depósito de N en los hábitats españoles. Sin embargo, se necesita urgentemente más investigación para confirmar la idoneidad de las CC empíricas utilizadas y la evaluación podría mejorarse mediante el uso de valores de depósito seco estimados para cada tipo particular de hábitat. Los bosques esclerófilos mediterráneos mostraron una gran área amenazada (cerca de 500 km2). Estos bosques representan un ecosistema y un paisaje característicos de la cuenca mediterránea e incluyen los bosques de Quercus ilex L. (encinares), una especie de árbol presente en un amplio rango de ambientes de la cuenca mediterránea. El encinar es el ecosistema objetivo de monitorización intensiva y de estudio del proyecto EDEN. El objetivo principal de este proyecto fue caracterizar las diferentes entradas de N en los bosques de Quercus ilex de la Península Ibérica, así como el estudio de los efectos de este depósito en el ciclo biogeoquímico del N en este tipo de bosques. Con este fin, se seleccionaron cuatro encinares situados en tres regiones con diferentes condiciones ambientales en España. Tres de estos sitios estaban cerca de fuentes de contaminantes de origen urbano y por tráfico rodado (considerados aquí como bosques periurbanos) y se situó un cuarto punto en una zona más remota, como referencia no urbana. En la presente Tesis, además del objetivo inicial de evaluación del riesgo a escala nacional anteriormente expuesto, se abordaron otros objetivos principales del proyecto EDEN, tales como la caracterización de las concentraciones atmosféricas y el depósito húmedo y seco de N inorgánico en los encinares, a la vez que se evaluaron los riesgos ambientales derivados de esta contaminación y se buscaron evidencias de una mejora de la calidad del aire atribuible a los servicios de los ecosistemas forestales. Las concentraciones atmosféricas de dióxido de nitrógeno (NO2), amoníaco (NH3), ácido nítrico (HNO3) y ozono (O3) se midieron en áreas abiertas y dentro de los bosques durante dos años; mientras que los aerosoles (PM10) fueron monitorizados sólo en las zonas abiertas durante un año. Los bosques periurbanos estuvieron expuestos a contaminantes atmosféricos procedentes de actividades tanto urbanas como rurales, soportando elevadas concentraciones de contaminantes fotoquímicos secundarios. Los resultados indicaron que el O3 es el único contaminante atmosférico estudiado del que se pueden esperar efectos fitotóxicos directos en los cuatro bosques. Sin embargo, los compuestos gaseosos nitrogenados podrían estar contribuyendo a través del depósito atmosférico de N a la eutrofización de estos bosques, y su interacción con otros factores de estrés podría estar afectando a su funcionamiento ecosistémico. Es por esto que la monitorización de los compuestos nitrogenados atmosféricos tales como NH3 y HNO3 debería incorporarse en las redes de seguimiento de calidad del aire. Las concentraciones de gases contaminantes bajo el dosel arbóreo fueron, en general, menores que las encontradas en campo abierto. Las reducciones estadísticamente significativas de la concentración de NO2 en el interior de los encinares fueron comparables, e incluso superiores, a valores presentados en estudios empíricos similares con especies forestales caducifolias. La “reducción bajo dosel” de la concentración de NH3 fue muy elevada, lo que sugiere que los encinares actúan como sumideros de amoníaco. Esta reducción fue mayor en el bosque más natural (56%) que en los peri-urbanos (29–38%). Aunque se esperaba una alta tasa de depósito de HNO3, la “reducción bajo dosel” de HNO3 fue inferior a la de NO2 y NH3. Los resultados del estudio proporcionan evidencia científica de la capacidad de estos bosques para mejorar la calidad del aire en las aglomeraciones urbanas, pero todavía se necesitan más investigaciones para cuantificar la relevancia de este servicio ecosistémico y entender los procesos ambientales involucrados. Una buena planificación de programas de vigilancia atmosférica de los bosques urbanos y periurbanos podría lograr este objetivo, a la vez que podría evaluar la amenaza que la contaminación atmosférica puede suponer para la vegetación. La necesidad de ampliar las redes de monitorización de depósito húmedo requiere e impulsa el uso de métodos cada vez más baratos, más fáciles de operar, y que no requieran frecuentes visitas al campo, como por ejemplo los métodos de colección basados en resina de intercambio iónico (IEC). En la presente Tesis, se muestreó el depósito global y de trascolación de N inorgánico en los tres encinares peri-urbanos del proyecto EDEN durante dos años a través de IEC y un método convencional utilizando botellas colectoras (CBC). Los resultados indicaron que el método de muestreo de depósito de N basado en IEC puede ser recomendados para estudios a largo plazo en la región mediterránea, ya que, en comparación con el método basado en CBC, mostró un buen rendimiento en la medida del depósito de nitrato (NO3-) y un rendimiento aceptable en la medida del depósito de amonio (NH4+) y de N inorgánico disuelto (DIN). Las recomendaciones metodológicas para el uso de IEC que surgieron en este estudio deberían tenerse en cuenta en futuros diseños de monitorización en ambientes mediterráneos. La media anual del depósito global de N varió desde 2.42 hasta 6.83 y de 3.09 a 5.43 kg N ha-1 año-1 entre los sitios de muestreo de acuerdo a las metodologías CBC e IEC, respectivamente. El depósito de trascolación de DIN varió desde 2.33 hasta 8.20 y de 4.59 a 8.91 kg N ha-1 año-1. Los datos de trascolación neta indicaron que existe un flujo de N oxidado al suelo forestal procedente del depósito seco, que fue muy elevado en el bosque de mayor influencia urbana. En los bosques de mayor influencia urbana se observaron valores positivos relativamente altos de trascolación neta, que implican entradas espontáneas y relativamente grandes de N en el suelo forestal, con las primeras lluvias tras períodos secos. Estas entradas, junto con el aumento de concentraciones de NO3- en el agua del suelo, concuerdan con la "hipótesis de la asincronía" en al menos uno de los sitios de muestreo. En las zonas mediterráneas, el depósito seco de N puede jugar un papel importante en la entrada total de N en los ecosistemas naturales, particularmente en los forestales. Un enfoque innovador, llamado método inferencial empírico, se utilizó en la presente Tesis para estimar el depósito seco superficial de contaminantes nitrogenados. Además, el modelo DO3SE (Depósito de Ozono e Intercambio Estomático), empleado en el marco del convenio de Ginebra, se utilizó en la estimación de su depósito estomático. Las tasas de depósito superficial calculados por medio de lavados de ramas fueron muy robustas para las formas reducidas de N, pero muy variables (temporal y regionalmente) para los las formas oxidadas. La estimación del depósito superficial de gases y partículas de N promedió 10.17 ± 3.29 kg N ha-1 año-1 para los cuatro sitios, mientras que el depósito estomático de gases nitrogenados promedió 3.31 ± 0.83 kg N ha-1 año-1. El depósito superficial de HNO3 y partículas de NO3- dominó el depósito seco total de N inorgánico y la contribución relativa del depósito de NO2 al depósito seco total fue el 14.6% en los bosques periurbanos y el 7.9% en el sitio más natural. El depósito seco de N reducido fue importante sólo en el punto de muestreo más agrario, con 8.16 kg N ha-1 año-1. El depósito húmedo anual de N inorgánico, con una media de 3.83 ± 0.71 kg N ha-1 año-1 para los cuatro sitios, fue ligeramente dominado por el N reducido. El depósito total estimado, con el depósito seco representando el 76.2% ± 2.1%, varió entre los sitios de muestreo en coincidencia con los patrones geográficos previamente encontrados en las estimaciones de los modelos, mostrando un mayor depósito en el norte (30.36 kg N ha-1 año-1 en el punto de muestreo más septentrional) y en la costa este (17.42 y 12.17 kg N ha-1 año-1 en los sitios situados en el NE de España) que en el interior (9.29 kg N ha-1 año-1 en el sitio punto situado en el centro de la península). Para el período de muestreo, la CC empírica propuesta en el marco del Convenio de Ginebra (10–20 kg N ha-1 año-1) fue superada en todos los puntos de muestreo menos uno, mientras que en todos ellos se superó la CC propuesta para la protección de los líquenes epífitos sensibles en ecosistemas naturales similares de California (5.5 kg N ha-1 año-1). ABSTRACT Nitrogen deposition is considered the third most important driver affecting biodiversity after changes in land use and climate change. The Mediterranean Basin presents an extraordinary biological richness and it is recognized as one of the 25 Global Biodiversity Hotspots for conservation priorities. However, little information is available on the threat that air pollution can pose to biodiversity in this region. The present Thesis has been developed in the framework of the project “Effects of N deposition in Mediterranean evergreen forests” (EDEN), that emerged when evidence of N enrichment in Spanish ecosystems was published with the aim of generate new knowledge in N deposition and its effects over Mediterranean ecosystems. The first approach was to perform a risk assessment of deleterious effects caused by atmospheric N deposition in those areas included in the Natura 2000 networks, using data from commonly-used chemical transport models. The performance of EMEP and CHIMERE models estimating wet deposition of atmospheric inorganic N was in general within acceptable ranges in comparison with the available measurements, although results should be applied with caution, especially at small regional scale and in areas of complex topography. Wet deposition of N in Spain showed a decreasing distribution along a NE–SW axis, with higher deposition in the northern and eastern coastal regions (up to 16.1 kg N ha-1 year-1) than inland and southern areas. The distribution of total N (including wet and dry deposition) followed a similar pattern and reached a maximum estimate of 23.0 kg N ha-1 year-1. The risk assessment was performed by testing the total N deposition estimated with EMEP and CHIMERE models for 2008 against the empirical critical loads (CL) defined under the Convention on Long-range Transboundary Air Pollution (CLRTAP). Natural grasslands (mostly located in northern alpine areas) were the most sensitive habitats, showing a 30–60% of its assessed area at risk. The major uncertainty of the potential threat of N deposition to these habitats is that no monitoring sites are available to test model performance estimating N deposition at this elevation. Moreover, 41–71% of the area within the Spanish Alpine Bio-geographical Region, together with some heathlands, scrublands and forests in other mountainous areas, could be experiencing CL exceedances. Therefore, further deployment of atmospheric deposition monitoring networks should be implemented in Spanish mountain areas to monitor atmospheric pollution and assess the risk of effects on these particularly rich and valuable ecosystems. The results of this assessment agreed with previous reports of N enrichment in some Spanish areas, which suggest that the methodology applied is suitable for risk assessment of N deposition effects in Spanish habitats. Nevertheless, further investigation is urgently needed to confirm the suitability of the empirical critical loads used and the assessment might be improved by using dry deposition values estimated for each particular habitat type. Mediterranean sclerophyllous forests showed a large threatened area (ca. 500 km2). These forests represent a distinctive ecosystem and landscape of the Mediterranean Basin, and include the forests of holm oak (Quercus ilex L.), a tree species present over a wide range of environments in the Mediterranean Basin. Holm oak forest was the ecosystem targeted for intensive monitoring and study in the framework of the EDEN project. The main goal of this project was to characterize the different N inputs to Quercus ilex forests in the Iberian Peninsula and studying the effects of this deposition in the N biogeochemical cycle through this forest type. To this end, four holm-oak forests placed in three regions with different environmental conditions were selected in Spain. Three of these sites were close to urban and traffic pollutant sources (considered herein as peri-urban forests) and a fourth site was located in a more remote area, as a non-urban reference. The present Thesis deals with the above-exposed initial objective of risk assessment at a country scale, and with other major objectives of the EDEN project, such as the characterization of the atmospheric concentrations and wet and dry deposition of inorganic N in holm oak forests, while assessing environmental risks derived from this pollution and seeking evidence of air quality improvement attributable to forest ecosystem services. Atmospheric concentrations of nitrogen dioxide (NO2), ammonia (NH3), nitric acid (HNO3) and ozone (O3) were measured during two years in open areas and inside the forests; and aerosols (PM10) were monitored in open areas during one year. The peri-urban forests were exposed to air pollutants coming from both urban and rural activities, and proved to withstand elevated concentrations of the secondary photochemical pollutants. The results indicated that O3 is the only air pollutant considered in this work which is expected to have direct phytotoxic effects on vegetation in all the sites. Nevertheless, the gaseous N compounds could be contributing through atmospheric N deposition to the eutrophization of these ecosystems and their interaction with other stress factors could be affecting the ecosystem functioning. Therefore, monitoring of nitrogen compounds such as NH3 and HNO3 should be incorporated into air quality monitoring networks. Below-canopy concentrations of gaseous pollutants were, in general, smaller than levels found in the open field. Statistically significant reductions of NO2 concentrations inside holm oak forests were comparable to, and even higher than, values reported in similar empirical studies with deciduous forest species. Below-canopy reduction of NH3 concentration was very high, suggesting that holm oak forests act as sinks of ammonia. This reduction was higher in the most natural forest (56%) than in the peri-urban ones (29–38%). Although a high deposition rate of HNO3 was expected, the rates of bellow-canopy HNO3 reduction were lower than those of NO2 and NH3. The study results provide scientific evidence of the ability of these forests to improve air quality in urban agglomerations, but further research is still needed to quantify the relevance of this ecosystem service and understand the environmental processes involved. Well-designed monitoring programs of urban and peri-urban forests could accomplish this objective while assessing the threat that air pollution can pose to vegetation. The need to expand monitoring networks of atmospheric wet deposition has impelled the use of not-expensive methods, easy to operate, and without requiring frequent visits to the field, like ion-exchange resin collectors (IEC). In the present Thesis, bulk and throughfall deposition of inorganic N were monitored in the three peri-urban holm oak forests of the EDEN project during two years by means of IECs and a conventional method using bottle collectors (CBC). Results indicated that collection methods for N deposition based on IECs can be recommended for long-term studies in the Mediterranean region, since its performance measuring bulk deposition of nitrate (NO3-) was good and it was acceptable for ammonium (NH4+) and dissolved inorganic N (DIN), in comparison with CBCs. The arising methodological recommendations on the IEC method should be taken into consideration in future monitoring designs in Mediterranean environments. Mean annual bulk deposition of N ranged 2.42–6.83 and 3.09–5.43 kg N ha-1 year-1 among the sites according to CBC and IEC methodologies, respectively. The respective throughfall deposition of DIN ranged 2.33–8.20 and 4.59–8.91 kg N ha-1 year-1. Net throughfall data indicated a net flux of oxidized N to the forest soil coming from dry deposition, which was very high at the most urban-influenced site. Relatively high positive values of net throughfall, implying ephemeral and relatively large pulses of N into the soil after the first rainfall events, were observed in the most urban-influenced sites. These inputs, together with increased concentrations of NO3- in soil-water, were in agreement with the “asynchrony hypothesis” in at least one of the forest sites. In Mediterranean areas, dry deposition of N compounds may play a major role in the total N input to natural vegetation, particularly to forest ecosystems. An innovative approach, called the empirical inferential method, was used in the present Thesis to estimate surface dry deposition of N pollutants. Besides, the DO3SE (Deposition of Ozone and Stomatal Exchange) model, employed in the framework of the CLRTAP, was used in the estimation of their stomatal deposition. Surface deposition rates calculated by means of branch-washing experiments were very robust for the reduced forms of N, but very variable (temporarily and across regions) for the oxidized ones. The estimation of surface deposition of gaseous and particulate atmospheric N averaged 10.17 ± 3.29 kg N ha-1 year-1 for the four sites, while stomatal deposition of N gases averaged 3.31 ± 0.83 kg N ha-1 year-1. Total dry deposition of atmospheric inorganic N was dominated by the surface deposition of HNO3 and particulate NO3- in all the sites and the relative contribution of NO2 deposition averaged 14.6% in the peri-urban forests and 7.9% in the most natural site. The dry deposition of reduced N was the most relevant at the most agrarian site, with 8.16 kg N ha-1 year-1. The annual wet deposition of inorganic N, with a mean of 3.83 ± 0.71 kg N ha-1 year-1 for the four sites, was slightly dominated by de reduced form. The estimated total deposition, with dry deposition representing 76.2% ± 2.1%, varied among the sites matching the geographical patterns previously found in the model estimates, showing higher deposition in the northern (30.36 kg N ha-1 year-1 in the northern study site) and eastern-coast regions (17.42 and 12.17 kg N ha-1 year-1 in the NE sites) than inland (9.29 kg N ha-1 year-1 in the central-Spain site). For the monitoring period, only in one site the empirical CL proposed in the framework of the CLRTAP (10–20 kg N ha-1 year-1) was not overreached, but all sites exceeded the CL proposed for the protection of sensitive epiphytic lichens in similar natural ecosystems in California (5.5 kg N ha-1 year-1).