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Calvo_Calatayud_2010
- 1. Efectos del ozono sobre los vegetales Esperanza Calvo Vicent Calatayud
- 2. Ozono como gas de efecto invernadero - El ozono es el contaminante más relevante para la vegetación. Produce síntomas visibles en las hojas, reduce la biomasa, afecta al transporte de recursos y puede incrementar la susceptibilidad a los patógenos (Krupa et al., 2000). - La interacción contaminantes-cambio climático puede alterar la producción, la composición y distribución de especies, la susceptibilidad a plagas, el valor recreativo o las reservas de agua (Bytnerowicz et al., 2007). - La estimulación de la producción primaria, causada por niveles elevados de CO2, y la capacidad de sumideros de los ecosistemas se puede ver afectada por el O3. La modelización de los efectos del cambio climático en ecosistemas naturales debe considerar la interacción con el ozono
- 3. Ozono como gas de efecto invernadero Source: IPCC AR4 Synthesis Report, 2007
- 4. Líneas de investigación actuales Modelización AOT40 Cálculo de Cargas Críticas Respuestas de las plantas frente al ozono Bioindicadores
- 5. Modelización AOT40: Excedencias 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 200 400 600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Concozono(ppb) Hora (UTC) H r(m ) 50-55 45-50 40-45 35-40 30-35 25-30 20-25 15-20 10-15 5-10 0-5 Vallibona 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 time (UTC) O3conc(ppb) Real Data Model St Jordi 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 time (UTC) O3conc(ppb) Real Data ModelAOT40 Modelo basado en Loibl et al., 1994. Parametrización local. Imput necesarios: Altitud relativa en 5 km. Promedios de 24 horas de concentración de ozono Output: mapa de promedios horarios de concentración de ozono para un territorio, en el periodo Abril- Septiembre Objetivo: cálculo del valor de AOT40
- 6. Cargas Críticas: AOT40 Valor umbral de AOT40 que produce una pérdida en la producción de tomate de un 5% = 8 ppm.h y = -0.0088x + 1.0201 R 2 = 0.4405 P< 0.001 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 10 20 30 40 50 60 AOT40 (ppm.h) RelativeYield McLean & Schneider, 1976 (Fireball) Hassan et al., 1999 (Baladey) Reinert et al., 1997; Bermejo, 2002 (Tiny Tim) Calvo, 2003; Calvo et al., 2007 (Nikita) Temple et al., 1985 (Murrieta) Calvo, 2003 (Claudia) Calvo et al., 2007 (Piedmont) Temple, 1990 (FM785) Temple, 1990 (E 6203) Temple, 1990 (UC 204c) Calvo, 2003; Calvo et al., 2007 (Ailsa Craig) Calvo et al., 2007 (Moneymaker) Calvo et al., 2007 (UC 82 L) Temple,1990 (Hybrid 31) Gerosa et al., 2008 (Oxheart) Gerosa et al., 2008 (San Marzano) Bermejo, 2002 (UC 82)
- 7. Exposición al ozono de plantas de tomate en Open Top Chambers Seguimiento temporal de conductancia estomática Cargas Críticas: Flujo de ozono
- 8. Cargas Criticas: Cálculo de envolventes Tomato, flight relationship 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 500 1000 1500 2000 Irradiance (µmol m -2 s -1 ) Relativeg Calvo, 2003 (Nikita, UC 82 L, Piedmont, Moneymaker, Ailsa Craig Gerosa et al., 2008 (Oxheart, San Marzano) Tomato, ftemp relationship 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 10 20 30 40 50 Temperature (ºC) Relativeg Calvo, 2003 (Nikita, UC 82 L, Piedmont, Moneymaker, Ailsa Craig) Gerosa et al., 2008 (San Marzano, Oxheart) Tomato, fVPD relationship 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 1 2 3 4 5 VPD (kPa) Relativeg Calvo, 2003 (Nikita, UC82L, Piedmont, Moneymaker, Ailsa Craig) Gerosa et al., 2008 (Oxheart, San Marzano) Tomato, fphen relationship 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 100 150 200 250 300 350 400 DOY Relativeg Calvo, 2003 (Nikita, UC 82 L, Piedmont, Moneymaker, Ailsa Craig) Gerosa et al., 2008 (Oxheart, San Marzano)
- 9. gsto = gmax * [fphen * flight] * max [fmin, (ftemp * fvpd)] Modelo DO3SE UNECE, 2004. Adaptado de Emberson et al., 2000
- 10. Y = 1.00 - 0.024 * POD6 R 2 = 48,6% p < 0.01 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 5 10 15 20 POD6, mmol m-2 Relativeyield IT SP Valor umbral de flujo de ozono que produce una pérdida en la producción de tomate de un 5% = 2.3 mmol m-2 Carga Crítica: Flujo de ozono
- 11. Respuestas frente al ozono: Quercus * ** * -80 -60 -40 -20 0 20 40 May 06 Jun 06 Aug 06 Sept 06 May 07 Sept 07 gs(%ofCFtreatment) -40 -30 -20 -10 0 10 20 May 06 Jun 06 Aug 06 Sept 06 May 07 Sept 07 Fv:Fm(%ofCFtreatment) * *** * * -80 -60 -40 -20 0 20 40 WUE(%ofCFtreatment) Quercus faginea Quercus ilex Quercus pyrenaica Quercus robur * *** *** *** *** * -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Asat(%ofCFtreatment) Quercus faginea Quercus ilex Quercus pyrenaica Quercus robur * *** * * -10 0 10 20 30 Ci(%ofCFtreatment) * * -40 -30 -20 -10 0 10 20 SPAD(%ofCFtreatment) 2006 2007 2006 2007 Se superpone, parcialmente la sensibilidad al ozono con las características foliares y la tolerancia a la sequía La tolerancia encontrada en Q. ilex se relaciona con el tipo de hoja. La vegetación mediterránea presenta una elevada diversidad de respuestas que debe tenerse en cuenta a en la estimación de los riesgos y en la aplicación de cargas críticas apropiadas Quercus ilex Q. Faginea Q. pyrenaica Q.robur, Quercus ilex > Q. faginea > Q. robur > Q. pyrenaica
- 12. Respuestas frente al ozono: Pistacia y Viburnum Pistacia lentiscus P. terebinthus Viburnum tinus V. lantana Efectos en intercambio gaseoso, síntomas visibles y en capacidad antioxidante. La apertura estomática no explica la diferente sensibilidad. Las especies deciduas muestran mayores niveles de SOD. El ozono produce aumento de SOD y de peroxidasa en todas las especies, pero solo en las de hoja perenne se sobrelleva el estrés oxidativo
- 13. Respuestas frente al ozono: Patata Efectos en intercambio gaseoso, síntomas visibles y en capacidad antioxidante. La apertura estomática explica mayoritariamente la diferente sensibilidad. El sistema antioxidante contribuye activamente a compensar las respuestas del ozono. bc d cd a b b b b 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ozone exposure (days) OzoneInjury(%) Agria Bartina Charlotte Desiree Escort Kondor Provento Lady Rosetta
- 14. Bioindicadores: Clones de Chopo
- 15. Bioindicadores: Clones de Judía Hojas afectadas por ozono 0% 20% 40% 60% 80% 100% 7-jul 14-jul 21-jul 28-jul 4-ago 11-ago R123 S156
- 16. Bytnerowicz, A., Omasa, K., Paoletti, E., 2007. Integrated effects of air pollution and climate change on forests: A northern hemisphere perspective. Environmental Pollution 147, 438–445. Loibl, W., Winiwarter, W., Kopsca, A., Zueger, J., 1994. Estimating the spatial distribution of ozone concentrations in complex terrain. Atmospheric Environment 28, 2557–2566. Krupa, S. V., Legge, A. H., 2000. Passive sampling of ambient, gaseus pollutants: an assessment from a ecological perspective. Environmental Pollution 107, 31–45. Emberson, L. D., Ashmore, M. R., Cambridge, H. M., Simpson, D., Tuovinen, J. P., 2000. Modelling stomatal ozone flux across Europe. Environmental Pollution 109, 403–413. UNECE, 2004. Manual on methodologies and criteria for modelling and mapping critical loads and levels and air pollution effects, risks and trends, UNECE Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution. http://icpvegetation.ceh.ac.uk. Referencias
Notas del editor
- La estimulación de la producción primaria causada por niveles elevados de CO2 y la capacidad de sumideros de los ecosistemas se puede ver afectada por el O3 El ozono representa el 10% del total de forzamiento radiativo provocado por los GEIS Les concentracions d’ozó de fons hemisfèric, aquelles registrades lluny de les emissions antropogèniques de precursors d’ozó, han augmentat fins a 5 vegades des de finals del segle XIX (Nolle et al., 2005). Aquest increment està relacionat en l’augment de l’emissió d’hidrocarburs i d’òxids de nitrogen degut a l’increment de l’ús de combustibles fòssils. Els esforços internacionals per a disminuir les concentracions d’ozó han aconseguit que es reduïsquen els pics màxims (disminuint un 36 % els precursors de l’ozó (EEA, 2007)) però no han influït sobre les concentracions de fons hemisfèric (Coyle et al., 2003), que continua augmentant a un ritme de 0,5-2 % anual en algunes zones de l’hemisferi nord (Vingarzan, 2004). Les prediccions del model del Panell Intergovernamental del Canvi Climàtic (IPCC), en el que s’ha emprat diferents escenaris, indiquen que els nivells de l’ozó augmentaran en tot el món en el futur (Vingarzan, 2004). L’ozó, a part de ser un contaminant tòxic també és un gas poderós d’efecte hivernacle que contribueix al forçament radiatiu positiu (Bytnerowicz et al., 2007; IPCC, 2007). El forçament radiatiu és el canvi de flux net d’energia radiativa cap a la superfície de la Terra mesurat en la vora superior de la troposfera (12000 m sobre el nivell de la mar) com a resultat de canvis interns en la composició de l’atmosfera o canvis en l’aportament extern d’energia solar, s’expressa en W m-2. El forçament radiatiu positiu contribueix a calfar la superfície de la Terra, mentre que el negatiu afavoreix el seu refredament. El forçament radiatiu positiu més important és el del CO2, seguit pel metà (CH4), els halocarbons, l’ozó troposfèric i el diòxid de nitrogen. Per altra banda, la disminució observada en la concentració de l’ozó estratosfèric ha generat un xicotet forçament radiatiu negatiu (favorable al refredament de la superfície)
- El ozono representa el 10% del total de forzamiento radiativo provocado por los GEIS Les concentracions d’ozó de fons hemisfèric, aquelles registrades lluny de les emissions antropogèniques de precursors d’ozó, han augmentat fins a 5 vegades des de finals del segle XIX (Nolle et al., 2005). Aquest increment està relacionat en l’augment de l’emissió d’hidrocarburs i d’òxids de nitrogen degut a l’increment de l’ús de combustibles fòssils. Els esforços internacionals per a disminuir les concentracions d’ozó han aconseguit que es reduïsquen els pics màxims (disminuint un 36 % els precursors de l’ozó (EEA, 2007)) però no han influït sobre les concentracions de fons hemisfèric (Coyle et al., 2003), que continua augmentant a un ritme de 0,5-2 % anual en algunes zones de l’hemisferi nord (Vingarzan, 2004). Les prediccions del model del Panell Intergovernamental del Canvi Climàtic (IPCC), en el que s’ha emprat diferents escenaris, indiquen que els nivells de l’ozó augmentaran en tot el món en el futur (Vingarzan, 2004). L’ozó, a part de ser un contaminant tòxic també és un gas poderós d’efecte hivernacle que contribueix al forçament radiatiu positiu (Bytnerowicz et al., 2007; IPCC, 2007). El forçament radiatiu és el canvi de flux net d’energia radiativa cap a la superfície de la Terra mesurat en la vora superior de la troposfera (12000 m sobre el nivell de la mar) com a resultat de canvis interns en la composició de l’atmosfera o canvis en l’aportament extern d’energia solar, s’expressa en W m-2. El forçament radiatiu positiu contribueix a calfar la superfície de la Terra, mentre que el negatiu afavoreix el seu refredament. El forçament radiatiu positiu més important és el del CO2, seguit pel metà (CH4), els halocarbons, l’ozó troposfèric i el diòxid de nitrogen. Per altra banda, la disminució observada en la concentració de l’ozó estratosfèric ha generat un xicotet forçament radiatiu negatiu (favorable al refredament de la superfície)
- En la actualidad las cargas críticas para los cultivos y los bosques se calculan mediante rectas de regresión entre la pérdida de producción, obtenida por comparación con tratamientos control (sin ozono). Como ejemplo, en el caso del tomate, se ha aglutinado toda la información disponible aglutinando experimentos americanos y europeos realizados en OTC con más 14 variedades de tomate. El resultado es una carga crítica de 8
- En este momento la comunidad científica acepta el concepto de flujo de ozono para definir la dosis real a la que la planta está sometida. La absorción del ozono se realiza por via estomática, y conocer las variaciones de diarias en el grado de apertura y cierre estomático nos ayudará a calcular la dosis real que absorbe la planta y facilitara el cálculo de cargas críticas basadas en dosis reales. ¿Cómo se hace?, en primer lugar debe conocerse la variación diaria y estacional en la conductancia estomática, definir las funciones limitantes basadas en las variables ambientales que limitan la conductancia estomática stimar los parámetros locales de dichas funciones y modelizar.
- Aquí se representan las funciones envolventes de las funciones necesarias para el modelo multiplicativo. El ejemplo es para el tomate y aglutina todas las medidas de conductancia estomática realizadas por distintos investigadores en condiciones climáticas diferentes y en distintos experimentos, son cada uno de los puntos. Los puntos se representan frente a cada una de las variables expresados como un valor de cero a 1 (en función de la gmax) y se traza la función envolvente que representa en qué condiciones la conductancia estomática es máxima o mínima. Estas funciones se definen para cada pool de datos y después rigen el modelo multiplicativo. Después solo queda calcular los flujos de ozono para tomate usando este modelo parametrizado y los valores medidos de ta, VPD, SWP, PAR, fenología y ozono.
- Con la modelización se consiguen valores horarios de conductancia estomática para una especie en un territorio dado. Conociendo la gmax, fenologia, radiación, temperatura, VPD (Déficit de presión de vapor) y SWC (Soil Water Content). A partir de estos valores, se combinan con las concentraciones de ozono y se obtienen flujos horarios de ozono. Se acumulan durante el periodo de tiempo que se desee calcular y se estiman las funciones de dosis respuesta. El concepto de flujo de ozono es, actualmente, la forma más cercana a estimar las dosis de ozono a las que está sometido el vegetal. El flujo está regulado por los gradientes de concentración y la resistencia. La conductancia estomática es la inversa de la resistencia que ofrece la hoja a la penetración de un gas en su interior. De manera genérica, la conductancia estomática (gs) se refiere a la salida de vapor de agua por la evapotranspiración de la planta. Sin embargo cuando, los estomas están abiertos (pérdida de agua para la planta) pueden absorberse otros gases que hay en la planta, por ejemplo el ozono. Ley de Fick FluxO3 = 0.6999 x ([O3]e-[O3]i) x gs La aplicación de este concepto implica conocer el valor de ozono, y de conductancia estomática para un sinfín de especies vegetales A partir de datos fácilmente mesurables, y que son las principales condiciones climáticas que gobiernan el grado de apertura estomática, se define un modelo de conductancia estomática basado en el modelo de fotosíntesis de Purvis. La ecuación expresa un modelo multiplicativo en el que cada variable ejerce una influencia significativa de reducción de la conductancia estomática. Para el cálculo de los flujos de ozono modelizados se precisan datos de Temperatura, velocidad del viento, radiación, contenido hídrico del suelo y concentración de ozono. Debe conocerse la vegetación de la zona y calcular experimentalmente la fenología y el valor de conductancia máximo (gmax)