Productivity and quality of dehesa pastures in relation to global changeincreasing tropospheric ozone and nitrogen deposition

Resumen

La contaminación atmosférica representa una amenaza para la biodiversidad en todo el mundo y en particular en el área mediterránea, donde con frecuencia se registran altas concentraciones de ozono (O3) troposférico y depósito de nitrógeno (N) atmosférico. Los pastos anuales mediterráneos se encuentran entre los ecosistemas de mayor importancia del sur de Europa debido a su gran biodiversidad y extensión. Estos pastos constituyen de forma mayoritaria el sotobosque de bosques perennes y de agrosistemas forestales tradicionales como la dehesa, además están protegidos bajo la Directiva Habitat 92/43/EEC e incluidos en la red Natura 2000. El objetivo de la presente tesis es el estudio de la respuesta de comunidades herbáceas anuales a los principales contaminantes atmosféricos presentes en su área natural de distribución. Se han recogido y analizado datos de dos años de trabajo experimental, con una mezcla de seis especies representativas de pastos anuales (tres legumbres, dos gramíneas y una cariofilácea) sembradas en una instalación de cámaras de techo descubierto (OTC acrónimo en inglés); y tres años de datos de campo en una dehesa. En base a los resultados experimentales obtenidos se ha realizado un ejercicio de modelización y un análisis de riesgo. Además, se han realizado análisis de laboratorio correspondiente a la calidad forrajera del pasto estudiado. Los diferentes parámetros de rendimiento analizados a nivel de dosel en la instalación de OTC mostraron patrones de respuesta similares en ambas estaciones de crecimiento: el O3 causó una pérdida en el rendimiento que fue parcialmente mitigada por la fertilización del N; simultáneamente, el O3 redujo la eficiencia del fertilizante. Por consiguiente, el O3 redujo la producción primaria bruta de la comunidad debido a una reducción global del intercambio de CO2, así como por un aumento de la respiración del ecosistema. Los resultados a nivel de especie mostraron una respuesta heterogénea a los dos factores. Las leguminosas no reaccionaron frente al N, pero fueron muy sensibles al O3: Las especies Trifolium respondieron negativamente, mientras que Ornithopus lo hizo de forma positiva aprovechando la mayor sensibilidad de los tréboles al O3. Las gramíneas y la cariofilácea fueron más tolerantes al O3, pero las gramíneas fueron sensibles al N. Las interacciones significativas entre factores indicaron una pérdida de eficiencia del N en atmósferas contaminadas por O3 y una capacidad del O3 para contrarrestar el daño inducido por la entrada de N, pero ambos efectos fueron dependientes de los niveles de O3 y N. La introducción de la competencia entre plantas en el diseño experimental fue necesaria para obtener resultados que de otra manera se hubieran perdido, como las respuestas positivas del crecimiento a niveles elevados de O3. Dos especies características, Trifolium striatum y Briza maxima, fueron divididas en hojas y tallos, y analizadas para determinar los efectos del aumento de los niveles de O3 y el depósito de N en la calidad nutritiva del forraje. Se obtuvo una reducción clara por el aumento de N del 25-35% en el ratio C/N de la gramínea. En cambio, el trébol en este parámetro se vio afectado por una pérdida de 9-14% debido al O3. Ambas especies mostraron efectos significativos en los parámetros de calidad nutritivos estudiados, como resultado se obtuvo un incremento del 32% en la lignina foliar debido a la exposición al O3 en el T. striatum, así como un efecto positivo del N en la hoja del trébol mostrando un incremento en el parámetro de “relative feed value” (RFV) del 10%. Sin embargo los efectos en RFV de la gramínea fueron diferentes, solo se obtuvieron efectos cuadráticos significativos del O3 en hoja y del N en tallo. Estos resultados apoyan el concepto agronómico que las leguminosas son más sensibles al O3 que las gramíneas. El suplemento de N también afecto a los parámetros estudiados, interaccionando en algunos casos con el O3. La implicación de estos resultados en la calidad nutritiva de las especies estudiadas podría tener importancia en los pastos naturales de dehesa e implicaciones directas sobre la producción ganadera. Los niveles críticos (CLe acrónimo en inglés) constituyen valores objetivos de políticas que tienen como finalidad la de proteger la vegetación de los efectos de la contaminación atmosférica. Sin embargo los CLe de O3 para vegetación herbácea, y concretamente, para pastos anuales mediterráneos, están aún poco desarrollados. Los CLe actuales están basados en la respuesta de especies sembradas individualmente, y no reflejan la diversidad multi-específica natural del dosel herbáceo, lo que hace incierto el desarrollo de futuros análisis de riesgo. El modelo de depósito de O3 e intercambio estomático (DO3SE) ha sido modificado con un enfoque multi-específico considerando las seis especies sembradas durante dos años en la instalación de OTC, con diferentes ratios de intercambio gaseoso y tolerancia al O3. Los datos de biomasa se usaron para ponderar los flujos de absorción de O3 integrándolos en el flujo total del dosel. Las funciones de dosis-respuesta de producción generadas mostraron una significación estadística positiva y se usaron para generar un CLe a nivel de multiespecie (CLeMS-f). La dosis fitotóxica de O3 a nivel de multiespecie (PODMS-1) fue estimada en 7.9 mmol m-2 acumulada a lo largo de 1 mes y medio, con un intervalo de confianza del 95% de 7.0-8.8. Por el contrario, las funciones basadas en concentración-respuesta (AOT40) no se ajustaron correctamente con la producción observada debido a la perdida de correlación entre los efectos y la exposición a O3 en condiciones de déficit hídrico. Las funciones de dosis absorbida de O3 propuestas como CLeMS-f se adaptan mejor a la gran diversidad de este tipo de ecosistema por lo que producirán resultados más realistas a la hora de desarrollar evaluaciones de riesgo. La evaluación de riesgo desarrollada a lo largo de un experimento de tres años en una dehesa del centro peninsular, intensamente monitorizada, mostró la alta variabilidad anual de las condiciones meteorológicas de las tres estaciones de crecimiento y se definieron como húmeda, normal y seca. Las concentraciones de ozono también fueron muy variables entre años; las concentraciones más altas se registraron durante el año seco y las más bajas en el año húmedo. Las diferencias en las condiciones ambientales indujeron cambios en el crecimiento y composición del pasto. El año definido como normal fue el único que sobrepasó el CLe basado en AOT40 de 1563 nl l-1 h. En el año seco solo fue superado el límite inferior del intervalo de confianza del CLe; mientras que en el año húmedo ningún umbral fue superado. Por otro lado, el CLe basado en POD1 de 4.7 mmol m-2, con un efecto de pérdida del 5% de producción, fue superado en el año normal. El límite inferior del intervalo de confianza para el 5% de CLe fue también superado durante el año húmedo. En el año seco no se excedió ninguno de los CLe, representando una situación de bajo riesgo de pérdida de rendimiento inducido por O3 y basado en POD1. La humedad del suelo fue identificada como uno de los factores claves para explicar la variabilidad interanual de los valores estimados de POD1, debido a su influencia en el intercambio gaseoso y en la duración del periodo de crecimiento. Los resultados mostraron que bajo condiciones hídricas limitantes el riesgo de sufrir daños por O3 es bajo, aunque la exposición a O3 se elevada. El índice PODy se adaptó mejor que el AOT40 a la gran variabilidad interanual presente en el clima Mediterráneo por lo que es el índice recomendado para llevar a cabo evaluaciones de riesgo de O3 para pastos anuales mediterráneos como las dehesas. ABSTRACT Air pollution represents a threat to biodiversity throughout the world and particularly in the Mediterranean area, where high tropospheric ozone (O3) concentrations and atmospheric nitrogen (N) deposition are frequently recorded. Mediterranean annual pastures are among the most important ecosystems in southern Europe due to their high biodiversity and extension. They mainly constitute the understorey of broadleaf evergreen forests and dehesa traditional agroforestry systems, and are protected by the 92/43/EEC Habitat Directive and included in the Nature 2000 network. The aiming of this Thesis is to study the responses of annual communities to the main atmospheric pollutants in their natural distribution region. Data from two years of experimental work with annual communities, with a mixture of six representative species of annual pastures (three legumes, two grasses and one herb), in an open-top chamber (OTC) facility, and three years of field data from a natural dehesa pasture, has been collected and analyzed; based on these results modelling exercises and a risk assessment study has been developed. Besides laboratory analysis corresponding with the forage quality parameters has been carrying out. The different analyzed yield parameters at canopy level, in the OTC facility, showed similar response patterns for the two seasons: O3 caused a yield loss that was partially mitigated by N-fertilization; simultaneously, O3 reduced the N efficiency of the fertilizer. Accordingly, O3 decreased community Gross Primary Production due to both a global reduction of ecosystem CO2 exchange and an increase of ecosystem respiration. The results at species level showed a heterogeneous response to both factors. Legumes did not react to N but were very sensitive to O3: Trifolium species responded negatively, while Ornithopus responded positively, taking advantage of the greater sensitivity of clovers to O3. The grasses and the herb were more tolerant of O3 and grasses were the most responsive to N. Significant interactions between factors indicated a loss of effectiveness of N in O3-polluted atmospheres and an ability of O3 to counterbalance the damage induced by N input, but both effects were dependent on O3 and N levels. The inclusion of plant competition in the experimental design was necessary to reveal results that would otherwise be missed, such as the positive growth responses under elevated O3 levels. Two characteristic species, Trifolium striatum and Briza maxima, were sorted in leaves and stems, and analyzed to determine the effects of increased O3 levels and N deposition on the forage nutritive quality. A reduction of 25-35% in C/N due N addition in the grass was clear. The clover in this parameter was affected by a loss of 9-14% due O3. Both species showed significant effects in the studied nutritive quality parameters resulting in an increment of 32% due O3 exposure in foliar lignin content in T. striatum, and a positive effect of the N addition on the leaves of the clover showing an increment in relative feed value (RFV) of 10%. Nevertheless, effects on the RFV on the grass were different, only quadratic effects of O3 on leaves and N on stems were detected. The results supported the agronomic generalization that legumes are more O3-sensitive than grasses. Nitrogen addition affected also those parameters and even the interaction of both factors. The implication of such results to the different nutritional quality of different species may also affect the nutritional quality of natural pasture and its implications over livestock producers. Critical levels (CLe) constitute useful policy target values for the protection of vegetation from air pollution effects. However, CLe for O3 are still poorly developed for herbaceous vegetation, concretely for Mediterranean annual pastures. Current CLe are based on single species responses that do not reflect the diversity of the multi-specific nature of the grassland canopies, making uncertain their use for risk assessments. The deposition of Ozone and Stomatal Exchange model (DO3SE) was modified for a new multi-species approach considering the six sown species thought 2 years in the OTC facility, with different gas exchange rates and O3-tolerance. The biomass data was used for weighting the fluxes of each species in the total canopy flux. The dose-response functions for yield generated following this approach were statistically suitable and used to derive a multispecies Cle (CLeMS-f). The estimate Phytotoxic O3 dose at multispecies level (PODMS-1) was 7.9 mmol m-2 accumulated over 1.5 month with a 95% confidence interval of (7.0, 8.8). On the contrary, the concentration-based functions (AOT40) did not performed well with the observed yield, due the loss of correlation between effect and O3-exposure under water limited conditions. The derived O3-dose functions and proposed CLeMS-f for yield response can better handle the high diversity of these ecosystems and will produce more realistic results for risk assessment analysis. The risk assessment over three year experiment set in an intensively monitored Dehesa in the Central Iberian Peninsula showed a high inter-annual variability in the meteorological conditions over the three years, which were characterized as humid, normal and dry. Ozone concentrations varied also between years; the highest concentrations were recorded during the dry year and the lowest during the humid year. The differences in environmental conditions induced changes in the pasture growth and composition. Taking into account the growing period the normal year was the only one to exceed the 5% Cle based on AOT40 of 1563 nl l-1 h. During the dry year, only the lower bound of the Cle confidence interval was exceeded; and while in the humid year none of the thresholds were reached. Otherwise, the Cle based on POD1 for a 5% effect, 4.7 mmol m-2 was also exceeded in the normal year. The lower bound of the 5% CLe was also exceeded during the humid year but not the CLe itself. The dry year did not exceed any of the O3 CLe, which represents a situation of low risk of O3 induced yield losses based on the POD1. Soil moisture was identified as a key variable for explaining the inter-annual variability in estimated POD1 values due to the influence on gas exchange rates and growing season duration. The results show that under limiting soil moisture conditions the risk of O3 damage is low even under high O3 exposure. The PODy index has greater adaptation than the AOT40 to the high inter-annual variability present in the Mediterranean climate and is the recommended index to perform O3 risk assessments for annual Mediterranean pastures like dehesas.