Investigación

Los estudios de los efectos de la contaminación atmosférica en la vegetación y los ecosistemas se realizan en la instalación experimental de cámaras de techo descubierto  (OTC), situada en la Estación Experimental La Higueruela (MNCN/CISC).

Los efectos de la contaminación atmosférica analizados por el Laboratorio de ecofisiología vegetal  incluyen parámetros bioquímicos (C/N, composición elemental, pigmentos, fibras, etc.), fisiológicos (tasa de fotosíntesis, respiración, fluorescencia), crecimiento, producción y calidad de la cosecha, la capacidad reproductiva de las especies así como efectos sobre las comunidades y su biodiversidad (composición de especies, estudios de competencia). 

El estudio de los efectos de la contaminación atmosférica se realiza considerando otros factores del cambio global, por lo que se incluyen en los análisis las interacciones con variables meteorológicas, principalmente la sequía, y entre contaminantes atmosféricos. En el caso de los cultivos, la experimentación también contempla la influencia del manejo del riego, la fertilización o el uso de variedades como medidas de adaptación a la contaminación atmosférica.

Mediante estos estudios se establecen relaciones de exposición-respuesta y dosis-respuesta que se utilizan en el desarrollo de cargas y niveles críticos para realizar análisis de riesgo de efectos .

A lo largo de más de 25 años de trabajo, esta Unidad ha reunido una importante base experimental sobre los efectos de la contaminación atmosférica en cultivos y especies silvestres mediterráneas herbáceas y forestales. A continuación se muestra una relación de especies estudiadas.

Cultivos: 

Solanum lycopersicum; Vicia sativa; Nicotiana tabacum; Triticum aestivum; Spinacea oleracea; Beta vulgaris var. Cycla; Lactuca sativa; Cichorium endivia; Citrullus lanatus.

Pastos anuales:

Trifolium striatum; T. cherleri; T. subterraneum; T. repens; T. angustifolium; T. glomeratum; T. hirtum; Biserrula pelecinus; Ornithopus compressus; Medicago minima; Anthyllis cornicina; Anthyllis lotoides; Aegilops geniculata; Aegilops triuncialis; Avena barbata; Avena sterilis; Briza maxima; Bromus hordeaceus; Bromus sterilis; Cynosurus echinatus; Lolium rigidum; Silene gallica; Petrorhagia nanteuillii; Stipa gigantea.

Pastos de alta montaña:

Festuca curvifolia, F. ibérica, Agrostis castellana, Erodium paularense, Erysimum penyalarense, Jasione crispa, Jurinea humulis, Leucanthemopsis pallida, Pilosella vahlii, Senecio pyrenaicus; Silene ciliata.

Especies forestales:

Quercus ilex; Quercus coccifera; Pinus haleppensis; Ulmus glabra.

También se han realizado estudios en colaboración con otros grupos de investigación para analizar los efectos de la contaminación atmosférica en la capacidad de secuestro de carbono, la fijación biológica de nitrógeno, los ciclos de carbono y nitrógeno y las emisiones de compuestos orgánicos volátiles biogénicos y de gases de efecto invernadero del suelo.

La entrada de los contaminantes atmosféricos en los ecosistemas y agrosistemas, o depósito, constituye el primer paso para que se desencadenen los efectos sobre el ecosistema. La correcta determinación de depósito de un contaminante es el paso fundamental para determinar el riesgo de efectos de la contaminación atmosférica sobre los ecosistemas y agrosistemas.

El depósito puede producirse por vía húmeda, con las precipitaciones en forma de lluvia, nieve o niebla, o por vía seca, cuando los gases y partículas quedan retenidos en la superficie o bien son absorbidos directamente por las hojas. En el caso de contaminantes gaseosos tóxicos para la vegetación, la absorción por vía estomática es uno de los parámetros fundamentales que determinan su toxicidad. Para determinar el depósito total (húmedo + seco) es necesario combinar toda una serie de métodos empíricos y simulaciones matemáticas (modelización). 

La Unidad de Ecotoxicología de la Contaminación Atmosférica investiga el depósito de contaminantes atmosféricos en ecosistemas mediterráneos, principalmente de ozono troposférico y compuestos nitrogenados, mediante las estaciones de monitorización y efectos de la contaminación atmosférica en encinar  y en la Sierra de Guadarrama.

La dosis absorbida de ozono troposférico, parámetro fundamental para el análisis de riesgo de efectos de este contaminante en la vegetación, se determina mediante técnicas de modelización, como el modelo DO₃SE, con parametrizaciones específicas para la vegetación mediterránea determinadas a partir de estudios de ecofisiología  vegetal. Para determinar la dosis absorbida se necesita también monitorizar en continuo la concentración de ozono troposférico y variables meteorológicas (temperatura, humedad, radiación solar, etc.) y del suelo (humedad del suelo), por lo que las estaciones de monitorización están completamente equipadas.

Las medidas de depósito de compuestos nitrogenados tomadas en las estaciones de monitorización se combinan, mediante técnicas de modelización, con las concentraciones de gases y del material particulado en suspensión y con variables meteorológicas y del suelo, para estimar el depósito total de nitrógeno. Los modelos empleados engloban modelos de absorción estomática como DO₃SE y modelos empíricos como el Empirical Inferential Model.

La Unidad de Ecotoxicología de la Contaminación Atmosférica desarrolla estudios de ecofisiología vegetal en especies mediterráneas mediante su Laboratorio de Ecofisiología Vegetal.

Los estudios de ecofisiología y biodiversidad se emplean para determinar los efectos de la contaminación atmosférica sobre la vegetación a nivel fisiológico, tanto en los estudios experimentales  como en las estaciones de monitorización y efectos de la contaminación atmosférica en encinar y en la Sierra de Guadarrama.

Los parámetros que se determinan en estos estudios incluyen parámetros fotosintéticos (conductancia estomática, tasa de fotosíntesis, respiración, fluorescencia, curvas A/Ci, A/PAR), bioquímicos (composición de los tejidos vegetales (C, N, P, etc.), enzimas y pigmentos), parámetros morfológicos (LAI, SLA, altura, ratio biomasa aérea/subterránea), estado hídrico (potencial hídrico, contenido relativo de agua, etc.), y parámetros de crecimiento y reproducción (biomasa, producción de flores y semillas, capacidad germinativa de las semillas, etc.) así como composición específica y estructura de las comunidades vegetales estudiadas.

Los datos de conductancia estomática y tasa de fotosíntesis de las especies mediterráneas también se utilizan para determinar la dosis absorbida por vía estomática de los contaminantes atmosféricos.

Respecto al análisis de riesgo de efectos de la contaminación atmosférica en la vegetación y los ecosistemas , la Unidad de Ecotoxicología ha participado durante más de 25 años en los grupos científico-técnicos de la Convención de Contaminación Atmosférica Transfronteriza y a Gran Distancia (CLRTAP) de la UNECE, también conocida como Convención del Aire. La Unidad participa de forma regular en las reuniones anuales y las actividades desarrolladas por diversos paneles de cooperación internacional en materia de efectos de la contaminación atmosférica como son ICP Vegetation, ICP Forests, ICP Modelling and Mapping y el Working Group on Effects. Su conocimiento y participación en estos grupos de la Convención ha propiciado numerosas Encomiendas de Gestión del Ministerio de Medio Ambiente (actual Ministerio para la Transición Ecológica y Reto Demográfico) al CIEMAT para el asesoramiento técnico en el ámbito de la Convención del Aire.

Una de las actividades fundamentales consiste en definir niveles y cargas críticas para la protección de la vegetación y los ecosistemas mediterráneos. Los niveles y cargas críticas se definen como la concentración, concentración acumulada o depósito de contaminantes atmosféricos por debajo del cual no se encuentran efectos en receptores sensibles, de acuerdo al conocimiento científico actual. Resulta imprescindible para ello disponer de relaciones de exposición-respuesta y/o dosis-respuesta, que relacionan los niveles de contaminación atmosférica con sus efectos, y de metodologías para cuantificar el depósito de estos contaminantes sobre los receptores de interés.

Los estudios experimentales sobre efectos de la contaminación atmosférica y el depósito de contaminantes atmosféricos sobre los ecosistemas mediterráneos desarrollados por la Unidad de Ecotoxicología se emplean para desarrollar niveles y cargas críticas, así como metodologías de monitorización del depósito de contaminantes atmosféricos, adaptados a las condiciones mediterráneas. Además, se trabaja en la adaptación de las metodologías de análisis de riesgo de efectos a escenarios climáticos futuros en el marco del cambio global.

Los estudios realizados sobre el depósito y efectos del ozono troposférico en diferentes tipos de vegetación mediterránea (cultivos hortícolas, vegetación herbácea anual y especies forestales) en colaboración con otros grupos de investigación de España, Italia y Grecia, se han empleado en la elaboración del Capítulo 3 del “Manual de Modelización y Cartografía de los Niveles Críticos para la Vegetación” de la Convención del Aire (Modelling and Mapping Manual, UNECE), en el que se presenta la base científica que apoya la definición de los niveles críticos de los distintos contaminantes para la protección de la vegetación. En la actualidad, esta línea se centra en aumentar y mejorar la representación de la vegetación presente en España y otros países mediterráneos en los grupos de trabajo de la Convención dedicados a niveles críticos, y en mejorar la estimación del depósito estomático de ozono para estos receptores.

La adaptación de las metodologías de monitorización del depósito atmosférico de nitrógeno reactivo a las condiciones mediterráneas y el desarrollo de cargas críticas empíricas de nitrógeno para ecosistemas mediterráneos constituye otra de las líneas en las que el grupo de investigación se encuentra trabajando activamente en el marco de la Convención del Aire y en colaboración con diversos grupos nacionales e internacionales como la red CAPERMed o IUFRO.

El desarrollo de metodologías de estimación del depósito de contaminantes atmosféricos sobre la vegetación y su análisis con la ayuda de modelos matemáticos se emplea para estudiar el efecto de la vegetación urbana en la calidad del aire de las ciudades.

La Unidad de Ecotoxicología de la Contaminación Atmosférica ha participado en diversos proyectos europeos y con el Ayuntamiento de Madrid para estimar la mejora de la calidad del aire por parte de vegetación arbórea y arbustiva comúnmente utilizada como especies de jardinería en ciudades de clima mediterráneo.

Estas actividades se realizan en colaboración con las Unidades de Modelización de la Contaminación Atmosférica y el de Caracterización de la Contaminación Atmosférica del CIEMAT así como otros grupos de investigación nacionales e internacionales en el marco de proyectos y redes europeas de colaboración científica.