Respuestas de los ecosistemas al estrés de origen natural y humanode las herramientas de biomonitoreo a la ecología predictiva= Ecosystem responses to natural and anthropogenic stress : from biomonitoring tools to predictive ecology

Resum

Resumen En esta tesis se estudian los efectos del estrés de origen natural y humano en los ecosistemas, usando macroinvertebrados y productores primarios de ríos como organismos modelo, y la salinidad del río y la intensificación de los usos del suelo en la cuenca como indicadores de estrés de origen natural y humano, respectivamente. Los Capítulos 1, 2 y 3 se centran en el desarrollo de herramientas de biomonitoreo basadas en la estructura y el funcionamiento de los ríos salinos (conductividad eléctrica > 5000 µS cm-1). A pesar de su alto valor ecológico, estos ríos están sufriendo una gran presión debido al incremento de la superficie agrícola y urbana en sus cuencas vertientes. Esta situación es especialmente alarmante teniendo en cuenta que ni la Red Natura 2000 ni las herramientas de evaluación ecológica desarrolladas bajo la Directiva Marco del Agua abarcan a estos ecosistemas, subrayando la necesidad de implementar métodos eficaces para evaluar el estado ecológico de los ríos salinos. El Capítulo 1 muestra como la biomasa del biofilm que cubre el lecho del río es un indicador capaz de detectar cambios de salinidad a corto plazo producidos por la actividad humana. En el Capítulo 2 se observa que la relación producción primaria : respiración y la biomasa de productores primarios y macroinvertebrados son indicadores capaces de detectar descensos crónicos en la salinidad debidos a la presencia de cultivos de regadío. En el Capítulo 3 se proporcionan tres métodos de clasificación automática de ríos, diseñados para poder tipificar un gran número de ríos simultáneamente y recoger la gran diversidad de ríos que aparecen en la cuenca Mediterránea. Además, este capítulo concluye que los indicadores convencionales de biomonitoreo no funcionan en ríos salinos, mientras que se proponen nuevas métricas basadas en macroinvertebrados, especialmente diseñadas para detectar la presencia de taxones indicadores de naturalidad o degradación, que resultaron mucho más eficaces. En los Capítulos 4 y 5 se desarrollan métodos para predecir qué patrones de biodiversidad surgirán en respuesta a factores estresantes nuevos, en el contexto del cambio global. Teniendo en cuenta el distinto grado con el que los organismos se han adaptado y especializado al estrés durante su evolución, podemos esperar patrones distintos o similares a lo largo de gradientes de estrés natural o antropogénico. En el Capítulo 4 se comparan los patrones de diversidad beta de las comunidades de macroinvertebrados a lo largo de estos gradientes. Los resultados del Capítulo 4 muestran como los cambios en composición que origina el estrés natural se deben al reemplazamiento de especies, mientras que el estrés antrópico genera conjuntos de especies anidados a lo largo del gradiente, que comparten un gran número de especies. El Capítulo 5 desarrolla una nueva metodología para calcular las características funcionales a nivel de taxón y comunidad, usando los rasgos biológicos de los organismos). Los resultados de este estudio revelan que tanto las condiciones estresantes de origen natural como las antrópicas inducen cambios similares y deterministas, en los patrones funcionales de las comunidades. En ambos casos, la riqueza funcional media a nivel de taxón y la similitud funcional media aumentan conforme aumentaba el nivel de estrés, mientras que la riqueza funcional a nivel de comunidad y la redundancia funcional se reducen a lo largo de ambos gradientes. Estos resultados considerados en conjunto podrían resultar de gran utilidad a los gestores ambientales para detectar los primeros signos de degradación en los ecosistemas y para predecir qué consecuencias biológicas tendrá la intensificación del cambio global. Ecosystem responses to natural and anthropogenic stress: from biomonitoring tools to predictive ecology Abstract This thesis analyses the effects of natural and anthropogenic stressors on ecosystems using stream macroinvertebrates and primary producers as model organisms, and water salinity and land-use intensification as examples of natural and anthropogenic stressors, respectively. Chapters 1, 2 and 3 are focussed on the development of structural and functional biomonitoring tools for naturally saline streams (conductivity > 5000 µS cm-1). Despite their high conservation value, these ecosystems are not included by Water Framework Directive biomonitoring programs or the Nature 2000 Network. There is evidence that saline watercourses are currently experiencing high pressures from agriculture and urbanisation, highlighting the necessity of developing appropriate classification and biomonitoring tools. Chapter 1 concludes that biofilm biomass is able to detect short-term reductions in salinity produced by freshwater pulse inputs. Chapter 2 shows that the production : respiration ratio and the biomass of primary producers and consumers responds to chronic reductions in salinity caused by the presence of irrigated agriculture. Chapter 3 provides biologically-validated tools to automatically classify large datasets of Mediterranean basin streams covering the full gradient of environmental variability. Furthermore, this chapter suggests a set of taxonomic-based indicators that assess the ecological status of saline streams. Chapters 4 and 5 develop methods to predict which biodiversity patterns will arise in response to novel stressors in the light of global change. Given the varying degree to which regional species pools have adapted and specialised over evolutionary to dominant stressful conditions, different or similar ecosystem properties will emerge along natural and anthroponegic stress gradients. The patterns of taxonomic beta-diversity components and functional community features are compared along natural and anthropogenic stress gradients. Chapter 4 reveals that species replacement explains compositional changes along natural stress gradients, while nested subsets develop along anthropogenic stress gradients. Chapter 5 develops a new method to quantify taxon and community-level functional features using a trait-based approach. The results of this study shows similar, non-random functional patterns along natural and anthropogenic stress gradients. In both stress gradients studied, mean taxon functional richness and similarity increased with stress, whereas community functional richness and redundancy decreased. The combination of these results may help environmental managers to detect early signs of alteration in ecosystems and predict which consequences will arise as global changes intensify.