La investigación investigación de de procesos procesos La ecológicos yy el el manejo manejo integrado integrado ecológicos un de cuencas cuencas hidrográficas: hidrográficas: un de análisis del del problema problema de de escala. escala. análisis Dr. José Manuel Maass maass@oikos.unam.mx Centro de Investigaciones en Ecosistemas UNAM, Campus Morelia Estructura Estructura jerárquica jerárquica de de los los procesos procesos del (Modificadode deOsmond Osmondetetal., al.,1980) 1980) del ecosistema ecosistema (Modificado Niveles Bio-geósfera Comunidad/cuenca Bioma/región Individuo/ladera km Espacio Tejido/parcela Organelo/poro Célula/agregado m mm µm 1014 1013 1012 1011 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101 100 Tiempo Mill años siglos años horas segundos Procesos Geológicos Maass 8/03 Fisiológicos Ecológicos Bioquímicos Temporal Variation of Standing-crop Leaf-litter In the Tropical Deciduous Forest of Chamela, Jal. (After Martínez-Yrízar et al.) 1000 Dry Weight (g m-2) 900 800 700 600 500 400 300 200 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 Rainfall & Runoff in Chamela, Jal. Mex.(Maass et al.) 1400 1980 1200 1000 1990 2000 Original Plan 600 400 200 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1987 1986 1985 1984 0 1983 mm 800 Cosechade dearroz arrozen enun unexperimento experimentoaalargo largoplazo plazo Cosecha bajocultivo cultivocontinuo continuoen enFilipinas Filipinas(Pretty, (Pretty,1995) 1995) bajo Producción de granos (t/ha) 10 9 8 7 6 5 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Pacific Ocean Ameca R. 0 – 200 m USA 190 200 – 1000 m 1000 – 2000 m R. Santiago 2000 – 3000 m Mexico Tuito R. Tomatlán R. San Nicolás R. Cuitzmala R. Purificación R. Experimental Watersheds Cihuatlán R. Armería R. N Chamela Field Station Ws I 1150 Ws II Ws III To Puerto Vallarta Ws V Ws IV Watershed divide Permanent plots Main Road Access road To Barra Paths de Navidad Streams FIG.2 Zarco Stream 1 km Estudio de largo plazo y múltiples escalas sobre la interacción entre la escorrentía, la erosión y la vegetación en un ecosistema semiárido de piñón-junípero en Nuevo México. B.P. Wilcox, D.D. Breshears y C.D. Allen. Ecological Monographs 73(2) 2003. Tres supuestos comunes: • Los datos de precipitación agregada pueden utilizarse para predecir escorrentía total en ambientes semiáridos. • La erosión y la escorrentía son independientes de la escala espacial. • Los incrementos de escorrentía y erosión relacionados con el disturbio se mantienen constantes con el tiempo. Ladera Micro-sitio 1 X 1 m2 Micro-sitio alargado 1 X 8 m2 Parcela 3 X 10 m2 30 X 100 m2 Hidrología y efecto de escala (mm) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Frecuencia de eventos de escorrentía Micro-Sitio 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Escorrentía acumulada MS alargado (kg/ha) 20 000 15 000 10 000 5 000 0 Erosión acumulada Parcela Ladera Wilcox et al. (2003) Sus conclusiones….. • El volumen de precipitación por sí sólo, sin importar cómo se agrega temporalmente, es un estimador pobre de escorrentía en paisajes semiáridos en los que los escurrimientos superficiales por limitaciones en la infiltración son los mecanismos dominantes de la generación de escorrentía. • La escorrentía (por unidad de área) y la erosión decrece en forma dramática y no lineal conforme aumenta la escala de análisis. • La perturbación modifica el efecto de escala sobre la erosión y la escorrentía, tanto directamente como por vía de la modificación de la vegetación. • Existe un umbral con respecto a los gradientes de pendiente, debajo del cual la erosión y la escorrentía regresarán eventualmente a los niveles predisturbio, y arriba del cual la erosión y la escorrentía se mantendrán a niveles acelerados. El problema ambiental más serio de Australia El ensalitramiento de sus áreas de cultivo Balance de de agua: agua: PP == Et Et ++ Q Q Balance P Et Et Et Precipitación Evapotranspiración Ecosistema Ecosistema Escorrentía Q Q Q MAASS 5/03 P = 800 mm Silberstein et al. (2002) Et = 700 - 800 mm I = 0 - 10 mm Q = 0 - 50 mm P = 800 mm Et = 500- 650 mm I = 50 – 100 mm Q = 50 - 150 mm Zhang et al. (1999) (Hatton et al 2002) Respuesta al cambio 100 Local 80 60 Intermedio 40 20 Regional 0 0 50 100 150 200 Tiempo de respuesta (años) MAASS 6/03 Silberstein et al. (1999) México Guatemala Río Usumacinta Efecto Compensatorio Ecosistema original Cultivo productivo Cultivo Compensatorio MAASS 6/03 Monthly Rainfall in Chamela, Jalisco, Mexico Wettest year (1,261 mm) 800 700 rainfall (mm) 600 Yearly average (763 mm) 500 Monthly values 400 300 Driest year (366 mm) 200 100 0 J F M A M J J A S O N D MAASS 6/03 “El manejo adaptativo”…. 9 Reconocer incertidumbre. 9 Utilizar modelos de predicción y corroborar los pronósticos. 9 Establecer metas a corto, mediano y largo plazo. 9 Mantener un monitoreo constante. 9 Evitar acciones que no tengan reversa. 9 Establecer vías administrativas y legales que permitan modificar decisiones. 9 Practicar la “acción participativa”. 9 Incorporar el quehacer científico en el proceso de manejo. MAASS 6/03 Síntesisdel del Síntesis Conocimientobase base Conocimiento Identificación Identificación deobjetivos objetivos de Manejo de Ecosistemas Desarrollo de (StanfordDesarrollo & Poole, 1996) de estrategiasde deManejo Manejo estrategias Científicos Sociedad Definicióndel delecosistema ecosistema Definición Implementaciónde de Implementación lasestrategias estrategiasde deManejo Manejo las Investigación Investigación (básicayymonitoreo) monitoreo) (básica MAASS 6/03 La búsqueda de la sustentabilidad, más que una certeza en la planeación y control en el manejo, se trata de un aprendizaje y adaptación continuos acerca de un mundo en constante cambio..... Stephen R. Carpenter y L. H. Gunderson (2001) Duración Duraciónde de los los estudios estudiosde de observación observaciónyy experimentación experimentaciónen enEcología Ecología % % 0.40 0.40 0.35 0.35 N = 623 0.30 0.30 0.25 0.25 0.20 0.20 0.15 0.15 ">100" ">100" "50-100" "50-100" "20-50" "20-50" "10-20" "10-20" "5-10" "5-10" "4-5" "4-5" "3-4" "3-4" "2-3" "2-3" "1-2" "1-2" 0.00 0.00 "0-1" "0-1" 0.10 0.10 0.05 0.05 Duración Duracióndel delestudio estudio(años) (años) Tomado de Tilman, D. 1989. Ecological experimentation: strengths and conceptual problems. pp. 136-157. In Likens, G.E. (ed). Long-Term Studies Ecology. Springer-Verlag, New York. Un Un 80% 80% de de los los estudios estudios tienen tienen menos menos de de 33 años años Más Másdel del75 75% %de delos losestudios estudiosreportados reportadosen enla laliteratura literatura científica especies. científicaconsideran consideran solamente solamente 11 oo 22 especies. 600 500 Artículos 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 +15 Número de especies consideradas LTER: Investigación a largo plazo y a gran escala Programas de Investigación AREA (m 2 ) CIENCIA GLOBAL (IGBP) 10 14 GLOBAL 10 12 CONTINENTE 10 10 REGION 10 8 PAISAJE 10 6 PAISAJE 10 4 PARCELA 10 2 PARCELA 10 0 PUNTO DE MUESTREO LTER Mayoría de Estudios Ecólogos MISION: 1. Establecer una red de grupos de investigación científica que permita abordar, de manera interdisciplinaria, problemas ecológicos a escalas amplias y de largo plazo. 2. Crear un legado de experimentos bien diseñados y documentados para las generaciones futuras. Filosofía de la Red….. • Red de grupos científicos • Abordar investigación ecológica a largo plazo y a gran escala • Proyectos similares en visión y alcances • Abarcando ambientes terrestres y acuáticos, incluyendo manejados Realizar comparación entre los grandes biomas y regiones del País Compartir datos • • Fase de establecimiento de la MEX-LTER Fase inicial de la MEX-LTER Mex –LTER www.mexlter.org.mx En resumen…. • Los procesos ecológicos operan de manera simultánea y anidada a diferentes escalas espaciales y temporales. • El no reconocer este carácter jerárquico de los procesos ecológicos trae como consecuencias limitaciones en el entendimiento del funcionamiento de los ecosistemas, así como problemas a la hora de implementar esquemas de manejo integrado de cuencas hidrográficas. • Tradicionalmente los estudios ecológicos se realizan a escalas espaciales y temporales muy pequeñas (en unos cuantos m2 y durante 2 o 3 años), mientras que el manejo de cuencas hidrográficas generalmente opera a escalas mucho mayores (por décadas y cientos de Km2). En resumen (2)…. • No siempre es fácil extrapolar a gran escala datos obtenidos a pequeña escala. • Es por ello importante realizar investigación ecológica a largo plazo y a gran escala. • Existen experiencias exitosas a ese respecto, al igual que iniciativas nacionales e internacionales que estimulan este tipo de investigación ecológica. • El “manejo adaptativo” ha sido la respuesta ante el reconocimiento de que que se trabaja bajo condiciones de incertidumbre. Levels of of Analysis Analysis Levels Microcatchments Microcatchments (ha): (ha): *Experimental *Experimental Watersheds Watersheds (5of of15-28 15-28ha) ha) (5 Big basins (km2): Río Cuixmala Arroyo Chamela Río San Nicolás Regional: Permanent plots plots Permanent 2) 2 (m (m ) Withinthe theexperimental experimental **Within watersheds(11 (11of of2,400 2,400 watersheds m22each) each) m Phosphorousplots plots(9 (9of of **Phosphorous 100m m22)) 100 Fireplots plots(12 (12of of3,500 3,500m m22)) Fire Edgeeffect effectplots plots(4 (4of of Edge 2) 2 4,000 m 4,000 m ) Coast of Jalisco MAASS Sep/01 * With absolute control Crecimiento de árboles en un bosque tropical húmedo y la dinámica de carbono atmosférico ligada a la variación de temperatura interanual durante 1984-2000 (Clark et al. 2003) Síntesisdel del Síntesis Conocimientobase base Conocimiento Manejo deIdentificación Ecosistemas Identificación deobjetivos objetivos de (Stanford & Poole, 1996) Desarrollode de Desarrollo estrategiasde deManejo Manejo estrategias Científicos Sociedad Definicióndel delecosistema ecosistema Definición Implementaciónde de Implementación lasestrategias estrategiasde deManejo Manejo las Investigación Investigación (básicayymonitoreo) monitoreo) (básica MAASS 6/03