EL PÁRAMO COMO EMISOR DE CARBONO HACIA LA ATMÓSFERA: IMPLICACIONES PARA LA ECOHIDROLOGÍA DE CUENCAS ALTOANDINAS
Galo Carrillo Rojas, Mgt. (Ph D. candidate)
Profesor Investigador en Facultad de Ciencias Químicas & Departamento de Recursos Hídricos y Ciencias Ambientales (iDRHiCA) - Universidad de Cuenca
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Southern-Ecuador Andean Páramo(“Macizo del Cajas” UNESCO biosphere)
➢ Se extienden > 46 000 km2 sobre Colombia, Ecuador, Venezuela, Perú y Centro América (Dinerstein et al. 2017)
➢ Ecuador tiene > 13 000 km2 (7% territorio)
➢ Elevación entre 3300 – 4500 m s.n.m.
➢ Alta biodiversidad vegetal: pajonales (>70%), bosques, arbustos, plantas cojín, y demás (30%)
➢ Recurso hídrico abundante (lagunas, vertientes y humedales)
➢ Gran almacenamiento de Carbono
La Ecoregión de Páramo del Norte Sudamericano
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
El Páramo como fuente hídrica para el valle Inter andino (Paute)…
Páramos del Cajas,
Quimsacocha y otros al
oeste de la ciudad…
Cultivos
Agua Potable
Hidro-generación
Mapa: Avilés et al. 2013
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
4
El Páramo como almacenador de carbono en suelo y en vegetación…
Andosoles
Histosoles
➢ Alto almacenamiento de Carbono Orgánico en suelo
(> 320 Ton Ha-1) (Tonneijck et al., 2010)
➢ Bajo contenido de Carbono en Biomasa/Necromasa de Pajonales (20 ~ 120 Ton Ha-1) (Ayala, et al., 2014)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Southern-Ecuador Andean Páramo(“Macizo del Cajas” UNESCO biosphere)
Grandes incógnitas sobre este ecosistema…
H2O
¿CUANTO SE EVAPORA?
¿CUÁNTA ES LA FIJACIÓN / EMISIÓN
DE GAS CARBONO?
CO2
ENERGÍA
¿COMO SE COMPORTA
TERMODINÁMICAMENTE?
?
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Southern-Ecuador Andean Páramo(“Macizo del Cajas” UNESCO biosphere)
▪ 3000 – 4500 m s.n.m.▪ 70% of tussock grasslands, 30% of evergreen forests, shrubs, cushion plants and other grass species.▪Wetlands and lakes
Una de las pistas para resolver estas incógnitas…
Nublado?
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Sitio de Estudio: Observatorio Ecohidrológico Zhurucay (Quimsacocha, Azuay)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Instrumentación
Técnica de Covarianza de Remolinos(Eddy Covariance Tower) + Sensores Biometeorológicos>2 años contínuos de muestreo (2016 ~ 2019)
Temperatura
Suelo
Humedad
Suelo
Temp / %HR
Aire
Radiómetro
Neto
Platos Flujo de
Calor Suelo
Solar-
Quantum
Precipitation
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Instrumentación
IRGA: Analizador
de Gases
Infrarrojo (No
Dispersivo)
Anemómetro
Ultrasónico
Tridimensional
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Instrumentación
IRGA y Anemómetro 3D (Muestreo 20 Hz)Sensores Biometeorológicos (Muestreo 1 min)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
RED MUNDIAL “FLUXNET” DE OBSERVATORIOS DE FLUJOS(567 activos hasta 2015)
Observatorio “EC-APr” es el primero sobre los Andes
https://fluxnet.ornl.gov/site/4303
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Métodos
Balances…
LEH
G
Rn
Balance de Energía (Diurno)
Rn = H + LE + G + Q
Rn ~ Flujo de Radiación Neta
H ~ Flujo de Calor Sensible
LE ~ Flujo de Calor Latente
G ~ Flujo de Calor del Suelo
Q ~ Otras fuentes de energía
indeterminadas
Todo en W m-2
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Métodos
LE HRn
Balance de Energía (Nocturno)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Métodos
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Métodos
𝑬𝑻 = ഥ𝝆 ∗ 𝒘′ ∗ 𝒒′Covarianza de: Densidad del aire (ρ), componente
vertical del viento (w) y ratio de mezcla de vapor de
agua (q)
𝑪𝑶𝟐 = ഥ𝝆 ∗ 𝒘′ ∗ 𝒔′Covarianza de: Densidad del aire (ρ), componente
vertical del viento (w) y fracción molar de CO2 en
base seca (s)
𝑵𝑬𝑬 = 𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝑪𝑶𝟐+ 𝑨𝒍𝒎𝒂𝒄𝒆𝒏𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝑪𝑶𝟐
NEE = Intercambio Neto de Carbono del Ecosistema hacia Atmósfera
+NEE (Positivo) = Ganancia de CO2 hacia Atmósfera (Emisión C)
-NEE (Negativo) = Ganancia de CO2 hacia Ecosistema (Fijación C)
𝑵𝑬𝑬 = 𝑮𝑷𝑷 − 𝑹𝒆𝒄𝒐
GPP = Producción Primaria Bruta (Carbono fijado por fotosíntesis = Biomasa)
Reco = Respiración del Ecosistema (Autotrófica = Plantas
+ Heterotrófica = Microorganismos)
≈ 0 (Páramo)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Cierre de Balance de Energía = Casi 99%
(Extraordinario para un ecosistema de montaña)
Particionamiento Energía Disponible (Rn-G) es:
55% en calentar la atmósfera (H) y 43% en
evaporar agua (LE)
Rn = 102 ± 40W m-2
H = 64 ± 39 W m-2
LE = 58 ± 27 W m-2
G = 0.5 ± 5.4 W m-2
(Carrillo-Rojas et al. 2019, J. AgrForMet)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
NEE Anual es Positivo
Reco > GPP
NEE Diurno = -2.9 ± 3.0 μmol m-2 s-1
NEE Nocturno = +3.23 ± 1.1 μmol m-2 s-1
NEE Promedio Diario =
+0.3 ± 0.6 gC m-2 día-1
Ocurrencia NEE Positivo = 484 días
Ocurrencia NEE Negativo = 246 días
Y el Balance Anual es…
NEE = +100 ± 30 gC m-2 año-1
GPP = 1171 ± 4 gC m-2 año-1
Reco = 1270 ± 34 gC m-2 año-1
Páramo actúa
como fuente de
CO2 ↑
(Carrillo-Rojas et al. 2019, J. AgrForMet)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
ETa = 1.7 ± 0.3 mm día-1
(max. = 5.1, min. = 0.3)
ETa Anual = 635 ± 9 mm año-1
ETr (FAO56) = 702 ± 8 mm año-1
ETr (ASCE) = 812 ± 20mm año-1
Evapotranspiración Actual (ETa) versus
Modelos de Evapotranspiración de referencia (ETr)
Lluvia durante
el periodo:
1238 ± 4 mm año-1
Se evapora efectivamente un
51% de lo que llueve en el sitio
(Carrillo-Rojas et al. 2019, J. AgrForMet)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Balance Hidrológico a Nivel Mensual
Los meses de Agosto y Noviembre presentan déficit hídrico
(Carrillo-Rojas et al. 2019, J. AgrForMet)
CAUDALES
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
• El sitio de estudio actúa predominantemente como fuente de CO2 hacia la
atmósfera
• Contradictorio con algunos estudios que generalizan al páramo como
capturador de carbono atmosférico (basado estudios sobre humedales e
histosoles con estimaciones discontinuas de biomasa o medición de NEE y
Reco con cámara):
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Southern-Ecuador Andean Páramo(“Macizo del Cajas” UNESCO biosphere) Una de las pistas para resolver estas incógnitas…Ingreso de Energía limitado por alta nubosidad
> 80% del tiempo! (Índice de cielos despejados Kt ≈ 0.2)
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Las razones que soportan nuestros hallazgos:
1) Técnica de Muestreo ininterrumpido (día/noche) y durante todo el espectro de
variabilidad climática
2) Vegetación Predominante Pajonal (Calamagrostis Intermedia sp.) con bajo ratio de
biomasa activa / necromasa (0.45 : 1)
3) Otros estudios no contemplan factores de inhibición de captura: (i) Limitación de
Fotosíntesis, (ii) Bajas Temperaturas (iii) Alta humedad del suelo, e (iv) inhibidores
descomposición (metálicos/volcánicos)
4) El páramo tiene gran similitud con otras “tundras alpinas o árticas” que son fuentes
de CO2
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
5) El páramo tiene gran similitud con otras “tundras alpinas o árticas”
que son fuentes de CO2
Niwot Rigde, CO, USA
(3 500 m s.n.m.)
NEE = +175 gC m-2 año-1
Qinghai-Tibetan Plateau, China
(3 250 m s.n.m.)
NEE = +106 gC m-2 año-1
Monte Bondone, Italia
(1563 m s.n.m.)
NEE = +180 gC m-2 año-1
Atqasuk, Alaska
(24 m s.n.m.)
NEE = +20 gC m-2 año-1
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Implicaciones en Escenarios de Cambio Climático
1) Si la capa más superficial del suelo de páramo (hasta 10 cm) posee aprox. 31
± 23 kgC m−2 (Tonneijck et al. 2010); la emisión anual de +100 ± 30 gC m-2
provocaría un agotamiento de carbono orgánico en 313 ± 232 años.
2) El cambio climático favorecería la emisión de CO2 y aceleraría el proceso de
pérdida anterior (Anderson et al. 2017, Buytaert et al. 2011).
3) Algunos estudios predicen incrementos variables de nubosidad en la región
altoandina (Ruiz et al. 2008; 2009) = Reducción de energía disponible =
Limitación de Fotosíntesis. Simultáneamente, mayor precipitación limita la
respiración.
4) Otros estudios señalan incremento de la radiación solar = Favorece
incremento de temperatura de aire y suelo… ¿Equilibrio Fotosíntesis vs.
Respiración?
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Implicaciones en Escenarios de Cambio Climático
5) Prolongación de periodos de Déficit Hídrico = Reducción de humedad de
suelo = Arribo al punto marchitez de vegetación = Cambio irreversible del
dosel.
6) Al incrementarse la temperatura del aire, existiría una mayor pérdida de
agua por evapotranspiración.
7) Cambios en la frecuencia e intensidad de lluvia, acompañados de periodos
largos de sequías = Mayor emisión de CO2 y ETa (Buytaert et al., 2011).
8) Cambios en la capacidad hidrofílica de los suelos orgánicos = Reducción en
capacidad de retención y filtración de agua (Poulenard et al., 2003).
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
Southern-Ecuador Andean Páramo(“Macizo del Cajas” UNESCO biosphere) Estudio final publicado en el Journal Elsevier“Agricultural and Forest Meteorology” (2019):https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.11.006
ANTECEDENTESMATERIALES Y
MÉTODOSRESULTADOS CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO
UNIVERSIDAD DE CUENCA DEPARTAMENTO DE RECURSOS HIDRICOS Y CIENCIAS AMBIENTALES
CENTRO DE HIDROLOGÍA Y CLIMA
Balance Hídrico a Nivel de Cuenca Hidrográfica
Precipitación: Pluviómetro(diferentes tecnologías y precisión)
Área de la Cuenca (GIS)y otras características
Caudal: Sensores de Nivel(sónico, presión, etc.)
Adaptado de K. Novick, 2016
050
100150
El footprint se define como la contribución relativa a diferentes distancias (en la dirección del viento) para el flujo vertical medido
Footprint o contribución concéntrica
Corrección de Flujo en el Suelo
G = G (sensor depth) + G (Storage)G = G(8cm) + S (ΔT,WC)
G
G
SW
CΔ
T
Δ
T