Post on 05-Aug-2015
Cristina Pulido
E. Gacia, E. Ballesteros, E. Chappuis; J.L. Riera; O. Pedersen, K. Sand-Jensen; J. Roelofs, E.
Lucassen, D.J.H. Keijsers; T. Colmer, S.Meghan Rich
Com sobreviure quan els recursos són escassos? Plantes aquàtiques a aigües toves i oligotròfiques
• Oligotrophic low nutrients C, P, N limited TP <10 µM; NO3- <10 µM; NH4+ <10 µM • Soft Low alkalinity (HCO3
-) < 1mM
•
2
Oligotrophic softwater lakes
E. Ballesteros E. Ballesteros E. Ballesteros
E. Ballesteros O. Pedersen
Aquatic plants, adaptations
E. Chappuis
Isoetids
• Growth form is characterized by evergreen, thick, stiff leaves or stems, placed in a basal rosette with an extensive root system.
• Stress-selected plants with the lowest growth and mortality rates among aquatic species.
• Are highly adapted to pristine softwater systems but also very susceptible to the deterioration of their habitat.
O2 CO2
NO3-
PO43+
Photosynthesis
O2 CO2 • Impermeable leaves vs permeable roots • Big root system • Oxygen pump
Sediment interactions
O2 CO2
NO3-
PO43+
Photosynthesis
O2 CO2
Isoetids as oxygen pumps
• Eco-engineers • Beneficial for the plant
• Nitrogen • Phosphorus • Carbon
Introduction: sediment interaction
oxic sediment
Efficient uptake of nutrients by mycorrhiza
Sediment interactions, mycorrhiza
CAM
Crassulacean Acid Metabolism
• Alternative photosynthetic pathway to obtain Carbon
• Carbon is stored as acid
• Temporal adaptations
Ole Pedersen
CAM
• Increase water use efficiency in dry environments
• CAM temporal advantage
• Carbon storage during the night
• During day HOT and DRY conditions
Stomata close
• During night open stomata and CO2 converted to acid: CAM
• During the day acid is broken and CO2 is released to RuBisCo for Photosynthesis
CAM: in dry environments
Photosynthesis
• Light reactions
light energy-storage molecules
• Calvin Cycle
CO2 is captured and reduced
• RuBisCO enzyme transform CO2 from the atmosphere in sugars and starch
6H2O + 6CO2+ light 6O2+ C6H12O6
Photosynthesis
RuBisCO enzyme that captures CO2 in the Calvin Cicle
Binding affinity for both CO2 and O2
• high [CO2] RuBisCO will fix CO2
• low [CO2] RuBisCO will fix O2 Soft water lakes
Photorespiration uses energy,
not produce sugars.
Photorespiration
C. Pulido
• Shallow soft water lake –>Low [CO2], specially during the day when photosynthesis carbon demand is high
Shallow soft water and rock pools
• Night time net uptake of CO2
• Diurnal change in acidity and malate content of the cells
Malate Citrate
0
50
100
150
200
SunriseSunset
***
***
Org
an
ic a
cid
s (
µm
ol g
-1 F
M)
How to measure CAM?
Does Isoetes australis poses CAM?
0 500 1000 15000
1
2
3
4
air equilibrium
Dissolved CO2 (mmol m-3)
Un
derw
ate
r n
et
ph
oto
syn
thesis
(µm
ol O
2m
-2 s
-1)
Relation to CO2
0 200 400 600
0
1
2
air equilibrium
Dissolved O2 (mmol m-3)U
nd
erw
ate
r n
et
ph
oto
syn
thesis
(µm
ol O
2m
-2 s
-1)
Relation to O2
Sunrise (high malate) Sunset (low malate)
How efficient is CAM?
0 500 1000 15000
1
2
3
4
Sunrise (high malate tissue)
Sunset (low malate tissue)
air equilibrium
Dissolved CO2 (mmol m-3)
Un
derw
ate
r n
et
ph
oto
syn
thesis
(µm
ol O
2m
-2 s
-1)
Relation to CO2 concentrations
How efficient is CAM?
0 200 400 600
0
1
2
Sunrise (high malate tissue)
Sunset (low malate tissue)
air equilibrium
Dissolved O2 (mmol m-3)
Un
derw
ate
r n
et
ph
oto
syn
thesis
(µm
ol O
2m
-2 s
-1)
Relation to O2 concentrations
How efficient is CAM?
• During night CO2 increases due to respiration
• CO2 converted to acid (CAM= carbon storage)
• During the day acid is broken and CO2 is released to RuBisCo for Photosynthesis
• During day High O2 ; High pH ; Low CO2 photorespiration
• CAM, improves the inorganic carbon acquisition in soft-water lakes avoiding photorespiration during day when the concentration of CO2 is low the concentration of O2 is high in water
Ole Pedersen
CAM temporal advantage
• During night CO2 increases due to respiration
• CO2 converted to acid (CAM= carbon storage)
• During the day acid is broken and CO2 is released to RuBisCo for Photosynthesis
• During day High O2 ; High pH ; Low CO2 photorespiration
• CAM, improves the inorganic carbon acquisition in soft-water lakes avoiding photorespiration during day when the concentration of CO2 is low the concentration of O2 is high in water
Ole Pedersen
CAM temporal advantage
Com sobreviure quan els recursos són escassos? How to survive when the resources are limited?
Plantes aquàtiques a aigües toves i oligotròfiques Aquatic plant in oligotrophic softwater lakes
Adaptation
Exploiting new resources, or resources difficult to obtain
Transforming the environment
Imagination
Get inspired from nature
Predicting aquatic macrophyte occurrence in oligotrophic soft-water lakes: a study case from the Pyrenees
E. Gacia, E. Ballesteros, E. Chappuis; J.L. Riera
Restoration of Pyrenean lakes
“Viabilitat de la restauració de la vegetació aquàtica dins del PN: inventari d’habitats potencials i
predicció de comunitats”
O. Pedersen
Introducció
• Els Pirineus tenen milers de llacs, 65% d’ells presenten plantes aquàtiques (PA)
• Les plantes aquàtiques tenen una important rellevància funcional als estanys:
- cicles biogeoquímics - producció primària - biodiversitat: estructura, refugi i habitat • La vegetació de PN és una bona representació de la Flora del Centre i Nord d’Europa
O. Pedersen
Context
• 7 dels estanys dins de la zona de protecció del PN es van represar per ser explotats per produir energia hidroelèctrica.
• L’explotació hidroelèctrica resulta en la desaparició de les comunitats de plantes aquàtiques a causa dels canvis en la forma del vas i de les fluctuacions del nivell d’aigua.
• El PRUG (39/2003) contempla el desmantelament d’aquestes instal·lacions un cop finalitzades les concessions de les empreses.
Font Grossa
El nostre objectiu ha estat estudiar el potencial de restauració de les comunitats de plantes aquàtiques en els estanys afectats dins del PN. Si els nivells d’aigua recobressin un règim de fluctuacions natural... • Podrien créixer planes aquàtiques als llacs represats ? • Quines plantes aquàtiques es preveuen? • A quines zones dels estanys les trobaríem? • La colonització es produiria de manera natural (banc de
llavors, connectivitat estanys) o caldrien replantacions?
Objectiu
• Creació de models matemàtics que permetin predir les comunitats de plantes aquàtiques que cal esperar Models logístics
• Catàleg d’estanys amb alteracions en el règim
hidrològic Caracterització dels estanys; inventari de presència de plantes
• Avaluació del potencial de restauració funcional del
litoral Escenaris de predicció de les comunitats
Metodologia
• Creació de models matemàtics que permetin predir les comunitats de plantes aquàtiques que cal esperar Models logístics
• Catàleg d’estanys amb alteracions en el règim
hidrològic Caracterització dels estanys; inventari de presència de plantes
• Avaluació del potencial de restauració funcional del
litoral Escenaris de predicció de les comunitats
Models matemàtics
Presència de macròfits
05
1015202530354045
Pre
sèn
cia
Models logístics van ser utilitzats per predir la probabilitat de presència dels macròfits més comuns
Estadística
Models logístics ens permeten determinar el llindars ambientals per cada espècie/comunitat (nínxol ecològic)
• Univariate • Multiple regression (stepwise selection)
Monotonic Unimodal
Explicació models
Models logístics a partir de: - La presència de macròfits - Morfometria de la conca - Vegetació de la conca - Composició química de l’aigua
Base de dades:86 estanys dels Pirineus (Gacia et al. 1994)
Variables ambientals
Categoria Variable Unitat Mitjana Màx. Min
Morfomètriques
Altitud m 2246 2581 1620
Àrea conca ha2 287 4894 3
Àrea llac ha2 4 46 0,2
Profunditat Màx. m 9 32 1
Pendent % 14 23 6
Vegetació Vegetació de la conca Carex Pinus Festuca
Mulleres % 24 100 0
Aigua sup.
Conductivitat µScm-1 23 78 4
Alcalinitat µeq L-1 169 650 -162
pH 6.9 7.7 4.5 TP µM 0.4 8.2 0.1 NO3 µM 9.5 39.2 bd NH4 µM 1.7 10.0 bd Cl µM 13 82 1 SO4 µM 21 118 4 Na µM 26 87 9 K µM 8 100 1 Mg µM 8 33 2
Presència de macròfits
ALT
AC
AL
ZM
AX
PE
ND
VE
G
MU
L
CO
N
pH
TP
NO
3
NH
4
Cl
SO
4
Na K
Mg
L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U
Presència de macròfits - * + * - * - *
P (Vegetació Aquàtica)= ALT + VEG + SO4 + NO3
Presència d’espècies individuals
ALT
AC
AL
ZM
AX
PE
ND
VE
G
MU
L
CO
N
pH
TP
NO
3
NH
4
Cl
SO
4
Na
K
Mg
L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U L U
S.angustifolium - * *
* + * *
I.lacustris + * + * - * - * - * * - * - * - * - *
S.aquatica + * * + * * + * * * * * *
P.berchtoldii + * + * + * +
I.echinospora - * + * - * *
R.aquatilis * * - + * * * * + * *
P. alpinus * + * + *
C.palustris - * + * * * + *
M.alterniflorum - * + * + * + * *
R.trichopyllus * + * + * * + * * *
Nitella spp. + * + * + * + * * * * *
Convinació de factors per a cada espècie
Spp Variables ambientals seleccionades D2
D2 a
dj
Mo
rfo
-M
VE
G.
Aig
ua
Su
p.
S. angustifolium ALT2+ NO32+ VEG 0.154 0.123
I. lacustris CON + MUL2+ MUL 0.500 0.470
S. aquatica NH42+ pH + VEG+ pH2 0.269 0.210
P. berchtoldii ZMAX + CON 0.322 0.300
I. echinospora VEG + A L 0.141 0.121
R. aquatilis A L2 + A C + A L + Na + Na2+ VEG + K + K2+ CON2 0.633 0.559
P. alpinus pH + CON2 0.427 0.404
C. palustris ALT + CON2 + CON + pH2 + MUL 0.723 0.695
M. alterniflorum pH + pH2 + ALT 0.537 0.510
R. trichophyllus pH + Na 0.311 0.285
Nitella sp. A C2 + pH + pH2 0.272 0.233
Isoetes lacustris Potamogeton berchtoldii Potamogeton alpinus
Callitriche palustris Ranunculus aquatilis Myriophyllum alterniflorum Subularia aquatica
- + Conductivitat
Nínxols
• Creació de models matemàtics que permetin predir les comunitats de plantes aquàtiques que cal esperar Models logístics
• Catàleg d’estanys amb alteracions en el règim
hidrològic Caracterització dels estanys; inventari de presència de plantes
• Avaluació del potencial de restauració funcional del
litoral Escenaris de predicció de les comunitats
Metodologia
Situació dels estanys afectats per obres hidràuliques a la zona d’especial protecció del PN. Font: Rosa Anna Dimas Porras
Catàleg estanys represats
Barbs
Tort de Peguera
Gran d’Amitges Sant Maurici
Lladres
Negre de Peguera Font Grossa
Font: Rosa Anna Dimas Porras; Endesa
Catàleg dels estanys represats
Nom Negre de Peguera
Tort de Peguera-
Trullo
Gran d’Amitges
Sant Maurici
Barbs Lladres Font
Grossa
Característiques de l’estany: morfo mètriques
Altitud (m.s.n.m) 2326 2320 2400 1920 2377 2042 2042
Àrea (ha) 32 10 7 25 3 1 <1
Tipus Circ Circ Circ Vall Circ Vall Vall
Prof. màx. (m) 70 24 25 25 13 2 1
Característiques de la presa
Alçada (m) 13 11 8 16 3 5 2
Coro-nació
(m) 88 99 168 98 5 - -
Any 1956 1956 1958 1953 - - 1955
Explotat Si Si Si Si No No No
Fluctuacióanual
(Media ± DE; m)
11,2 (4.8) 9,7 (3,2) - 5,0 (3,8) - - -
Catàleg dels estanys represats
Nom Negre de Peguera
Tort de Peguera-
Trullo
Gran d’Amitges
Sant Maurici
Barbs Lladres Font
Grossa
Conca
Vegetació Festuca Pinus Festuca Pinus Pinus Pinus Pinus
Química aigua
Alcalinitat µeq L-1 111 125 95 87 250 275 251
Conductivitat µM 17.7 16.4 13.7 11.2 30.1 36.1 36
pH 6.84 6.99 6.95 6.95 7.22 7.40 7.40
Fòsfor µM 0.04 0.05 0.01 0.02 0.01 0.04 0.04
NO3 µM 11.1 4.6 7.3 4.3 9.3 7.6 9.2
NH4 µM 1.5 0.9 1.2 1.0 0.8 2.3 1.7
Cl µM 15 12 7 5 7 - -
SO4 µM 19 18 16 13 29 21 21
Na µM 21 14 23 22 30 25 25
K µM 10 6 5 2 6 8 8
• Creació de models matemàtics que permetin predir les comunitats de plantes aquàtiques que cal esperar Models logístics
• Catàleg d’estanys amb alteracions en el règim
hidrològic Caracterització dels estanys; inventari de presència de plantes
• Avaluació del potencial de restauració funcional del
litoral Escenaris de predicció de les comunitats
Metodologia
• Probabilitat de presència de plantes aquàtiques en els estanys afectats al PN
Predicció
Presència de macròfits
Nom Probabilitat SD
Negre de Peguera 0,354 0,095
Gran d'Amitges 0,489 0,126
Barbs 0,730 0,126
Tort de Peguera 0,913 0,055
Font Grossa 0,926 0,050
Sant Maurici 0,929 0,061
Lladres 0,943 0,040
Gran d’Amitges
Aigua
No potencialment colonitzable per macròfits
Presa
Si potencialment colonitzable per macròfits
Ranunculus aquatilis
Superfície total del llac 65077 m2
Prof.
Considerada Colonitzable Colonitzada No colonitzable
0 -3 m
m2 7681 2130 14 5551 % 28 <1 72
Gran d’Amitges
Presència macròfits 0,489
I. lacustris 0,871
P. berchtoldii 0,735
Nitella sp. 0,492
S. aquatica 0,351
S. angustifolium 0,256
P. alpinus 0,200
R. trichophyllus 0,066
I. echinospora 0,042
M. alterniflorum 0,005
R. aquatilis 0,001
C. palustris* 0,000
E. Chappuis
E. Chappuis E. Chappuis
E. Ballesteros E. Ballesteros
Barbs
Aigua
No potencialment colonitzable per macròfits
Presa
Si potencialment colonitzable per macròfits Isoetes echinospora
I. echinospora; I. lacustris
I. lacustris; I. echinospora
Superfície total del llac 24837 m2
Prof.
Considerada Colonitzable Colonitzada No colonitzable
0 -3 m
m2 6656 5983 5983 673 % 90 100 10
Barbs
Presència macròfits 0,730 I. lacustris 0,916 S. aquatica 0,357 S. angustifolium 0,341 P. alpinus 0,297 P. berchtoldii 0,284 Nitella sp. 0,204 R. trichophyllus 0,072 I. echinospora 0,065 M. alterniflorum 0,007 C. palustris 0,000 R. aquatilis 0,000
E. Ballesteros
E. Chappuis
E. Ballesteros
E. Ballesteros
E. Ballesteros E. Chappuis
Sant Maurici
0 90 180 270 36045Meters ±
Aigua
No potencialment colonizable per macròfits
Presa
Si potencialment colonizable per macròfitos
Colonitzada per Subularia aquatica
Legend
PNASM restauració 2011 amb Baciver
<all other values>
LitoColo, SpPrinc, SpSecun
No, ,
No, No, No
Si, ,
Si, Iso ech,
Si, Iso ech, Iso lac
Si, Iso lac, Iso ech
Si, Nit sps,
Si, Myr alt,
Si, Sub aqu,
Si, Ran aqu,
Si, Cal sps,
Legend
PNASM restauració 2011 amb Baciver
<all other values>
LitoColo, SpPrinc, SpSecun
No, ,
No, No, No
Si, ,
Si, Iso ech,
Si, Iso ech, Iso lac
Si, Iso lac, Iso ech
Si, Nit sps,
Si, Myr alt,
Si, Sub aqu,
Si, Ran aqu,
Si, Cal sps,
Colonitzada per Nitella sps.
Superfície total del llac 227601 m2
Prof.
Considerada Colonitzable Colonitzada No colonitzable
0 - 3 m
m2 40856 23426 4600 17430 % 57 20 43
16 - 19 m
m2 11898 11461 0 437 % 96 0 4
0 90 180 270 36045Meters ±
Sant Maurici
Presència macròfits 0,929 P. berchtoldii 0,971 M. alterniflorum 0,961 Nitella sp. 0,914 S. angustifolium 0,846 S. aquatica 0,805 P. alpinus 0,436 I. lacustris 0,174 R. trichophyllus 0,133 I. echinospora 0,128 C. palustris 0,007 R. aquatilis 0,000
E. Ballesteros
E. Chappuis
E.Ballesteros
E. Chappuis
E. Ballesteros E. Ballesteros
• La presència de plantes ve determinada per l’altitud i la presència de vegetació a la conca, i negativament per el contingut de SO4 i els NO3
• Cada espècie en particular presenta òptims de distribució amb diferents combinacions de variables ambientals
• El potencial de colonització dels estanys afectats dins del PN és elevat menys per Negre de Peguera i Gran d’Amitges
• Els estanys no afectats per fluctuacions d’aigua ja mostren indicis de recolonització com és el cas de Lladres, Barbs i Font Grossa
Conclusions