Balance energético en un ecosistema forestal

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Publicado: miércoles, 30 de septiembre de 2015 De entre los muchos y variados ecosistemas que existen en todo el mundo, los bosques no solo ocupan una gran superficie, sino que también son el centro de las preocupaciones en relación con el cambio climático, el balance de carbono y la contaminación. Para comprender mejor la importancia y el funcionamiento de estos ecosistemas, nuestro equipo de investigación realiza estudios en un robledo centenario situado a unos 70 km al sudeste de París, en el Parque Nacional de Barbeau.

La estación cuenta con una torre de 35 m de altura y multitud de instrumentos —como sensores, sondas y dispositivos— que permiten colocar este bosque bajo el microscopio. La parte superior de la torre se sitúa unos cinco o seis metros por encima de las copas de los árboles más altos para, de esta forma, posibilitar la supervisión de distintos parámetros micrometeorológicos por encima del dosel arbóreo, entre ellos: la temperatura del aire y la humedad relativa, la lluvia, el punto de rocío, la presión del aire, la velocidad del viento o su dirección.

Siguiendo el perfil vertical hasta la cumbre de la torre, la temperatura del aire, la humedad, la velocidad del viento y la dirección de este se miden en seis alturas diferentes. Por su parte, las concentraciones de gases del aire (CO2, H2O, O3) se muestrean en ocho alturas diferentes.

Por debajo del dosel arbóreo, a nivel del suelo o del subsuelo, se realiza la medición de distintas variables de micrometeorología del suelo, tal que la temperatura del suelo, la humedad del suelo, el flujo de calor del suelo (G), la circulación de CO2 del suelo (es decir, la respiración del suelo), el crecimiento de los troncos de los árboles y los índices de flujo de savia. Para obtener más información acerca de esta estación y sus equipos, incluidos los datos en tiempo real, visite la página www.barbeau.u-psud.fr.

Sensores de radiación solar de la parte superior de la torre

 

Los datos recopilados a partir de este seguimiento nos permiten interpretar y explicar los flujos de energía y masa entre los bosques y la atmósfera. A partir del enfoque de la «covarianza de Eddy», la medición de los flujos de materia y energía se basa en el uso combinado de dos instrumentos: un anemómetro sónico tridimensional y un analizador rápido de CO2/H2O. Gracias a una frecuencia de barrido de seguimiento de, al menos, 10 Hz, el componente vertical de la velocidad del viento se tiene en cuenta en covarianza con las variables supervisadas (CO2, H2O o temperatura del aire). Este procedimiento permite calcular tanto el flujo turbulento vertical de CO2 y H2O (masa), como el flujo térmico vertical (H) y latente (LE) (energía) entre el bosque y la atmósfera.

Además de las variables del aire anteriormente descritas, existen varios sensores de radiación solar instalados por encima y por debajo del dosel arbóreo del bosque Barbeau. De hecho, la luz es un parámetro muy importante que se debe tener en cuenta para el funcionamiento de una planta, ya que participa directamente en el mecanismo de fotosíntesis de las hojas.

Así, en la parte superior de la torre se instalaron sensores ventilados para la medición de la radiación global (Rg, CMP22 de Kipp & Zonen) y la radiación neta (Rnet, CNR 4 de Kipp & Zonen) con el objetivo de conocer qué proporción de energía procede del cielo, qué proporción es reflejada por la vegetación (árboles y suelo) y, en consecuencia, qué proporción es absorbida.

Un problema de difícil solución que presenta el método de covarianza de Eddy es el de cuantificar las estimaciones relacionadas con la incertidumbre de los valores de flujo indicados. Estos flujos son, de hecho, procesos complejos cuya estimación es el resultado de diferentes mediciones y cálculos, así como de numerosos supuestos explícitos e implícitos. Por ello, la documentación de la exactitud absoluta de estos valores es, en cierta medida, problemática. Sin embargo, una sencilla medición de la consistencia interna permite comprobar la conservación de la energía.

La suma de los flujos turbulentos del calor perceptible y latente debería equilibrar la energía disponible: Rnet = H + LE + G, donde Rnet es la radiación neta, H es el flujo térmico perceptible, LE es el flujo térmico latente y G es el flujo térmico del suelo.

 

 

En la imagen se muestra la relación típica de un bosque a partir de datos obtenidos por la estación forestal Tharandt (Alemania), entre 2006 y 2007, y adaptados por N. Delpierre en 2009.

Además, en la parte superior de la torre también se instalaron, dorso contra dorso, dos sensores de radiación fotosintética activa (RFA) de la serie PQS1 de Kipp & Zonen para el seguimiento de la RFA entrante desde el cielo y la RFA reflejada por la vegetación. Por debajo del dosel arbóreo, se instalaron quince sensores RFA PQS1 por todo el suelo para la medición de la cantidad de RFA que llega hasta allí. De esta forma, es posible calcular la proporción de RFA absorbida por el bosque.

Barbeau es un bosque de robles caducifolios de hoja ancha, por lo que estas últimas se caen en otoño. Tal y como se muestra en la gráfica, durante el invierno, la proporción de RFA que alcanza el suelo se corresponde con el 35 % de la RFA entrante. Sin embargo, en verano, tan solo un 1% o un 2% de la RFA alcanza el suelo. Así, la RFA es absorbida por la madera en invierno (troncos y ramas) y, fundamentalmente, por las hojas en verano.

 

Esta intercepción se puede correlacionar directamente con el índice de superficie foliar (ISP, medido en m2 de hojas por m2 de suelo), que sirve para medir la densidad de los bosques. Cuanto mayor sea la cantidad de hojas, menor será la cantidad de luz que alcance el suelo.

Diez registradores de datos Campbell Scientific (CR1000 y CR3000), conectados entre sí a través de una red Ethernet, son los encargados de controlar y recopilar los datos del conjunto de los sensores. Los datos se cargan en los servidores del laboratorio a través de una conexión por satélite y se actualizan cada media hora en el sitio web de la estación de Barbeau accesible en www.barbeau.u-psud.fr/realtime.html

Artículo de Daniel Berveiller, ingeniero investigador del CNRS (Francia)

Bibliografía:

Delpierre, N. (2009). Unravelling the determinism of interannual variations of carbon exchanges between European forests and the atmosphere: a process-based modelling approach. Esta fue la tesis de investigación con la que obtuvo el título de Doctor en Ciencias por la Universidad de París XI Orsay.

http://max2.ese.u-psud.fr/publications/THESE_Delpierre.pdf

 

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