Cristina Pulido - Com sobreviure quan els recursos són escassos? Plantes aquàtiques a aigües toves i oligotròfiques

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

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

Ped

erse

n e

t al

. 20

11

pu

blis

hed

Sediment interactions, oxygen

O2 CO2

NO3-

PO43+

Photosynthesis

O2 CO2

Isoetids as oxygen pumps

• Eco-engineers • Beneficial for the plant

• Nitrogen • Phosphorus • Carbon

Introduction: sediment interaction Sediment interactions, nitrogen

Introduction: sediment interaction

oxic sediment

Sediment interactions, phosphorous


oxic sediment

Efficient uptake of nutrients by mycorrhiza

Sediment interactions, mycorrhiza


Microorganisms

Organic matter

Sediment interactions, carbon

CAM

Crassulacean Acid Metabolism

• Alternative photosynthetic pathway to obtain Carbon

• Carbon is stored as acid

• Temporal adaptations

Ole Pedersen

CAM

• Different problem, same solution

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


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


• During night CO2 increases due to respiration

• CO2 converted to acid (CAM= carbon storage)


• 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 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






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

Macròfits: grups funcionals

E. Ballesteros E. Ballesteros E. Ballesteros

E. Ballesteros O. Pedersen

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


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

Nínxols






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






Metodologia

• Probabilitat de presència de plantes aquàtiques en els estanys afectats al PN

Predicció


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


Prof.


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

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.


Prof.


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

O. Pedersen

Gràcies

Cristina Pulido - Com sobreviure quan els recursos són escassos? Plantes aquàtiques a aigües toves i oligotròfiques

Education