La ecohidrología (del griego οἶκος , oikos , «casa»; ὕδωρ , hydōr , «agua»; y -λογία , -logia ) es un campo científico interdisciplinario que estudia las interacciones entre el agua y los sistemas ecológicos . Se considera una subdisciplina de la hidrología , con un enfoque ecológico. Estas interacciones pueden tener lugar dentro de cuerpos de agua , como ríos y lagos, o en tierra, en bosques , desiertos y otros ecosistemas terrestres. Las áreas de investigación en ecohidrología incluyen la transpiración y el uso del agua por las plantas, la adaptación de los organismos a su entorno acuático, la influencia de la vegetación y las plantas bentónicas en el flujo y la función de los arroyos, y las retroalimentaciones entre los procesos ecológicos, la esponja de carbono del suelo y el ciclo hidrológico .
El ciclo hidrológico describe el movimiento continuo del agua sobre, por encima y por debajo de la superficie de la Tierra. Este flujo se ve alterado por los ecosistemas en numerosos puntos. La transpiración de las plantas proporciona la mayor parte del flujo de agua a la atmósfera. El agua se ve influenciada por la cubierta vegetal a medida que fluye sobre la superficie terrestre, mientras que los cauces de los ríos pueden ser moldeados por la vegetación que se encuentra dentro de ellos. La ecohidrología fue desarrollada en el marco del Programa Hidrológico Internacional de la UNESCO .
Los ecohidrólogos estudian tanto los sistemas terrestres como los acuáticos. En los ecosistemas terrestres (como los bosques, los desiertos y las sabanas), las interacciones entre la vegetación, la superficie terrestre, la zona vadosa y las aguas subterráneas [1] son el foco principal. En los ecosistemas acuáticos (como los ríos, arroyos, lagos y humedales), se hace hincapié en cómo la química del agua, la geomorfología y la hidrología afectan su estructura y función.
Los supuestos generales de la hidrología ecológica son la reducción de la degradación de los ecosistemas mediante conceptos que integren los procesos terrestres y acuáticos en todas las escalas. Los principios de la ecohidrología se expresan en tres componentes secuenciales:
Su expresión como hipótesis comprobables (Zalewski et al., 1997) puede verse como:
La hidrología ecológica en un sistema específico se puede evaluar respondiendo algunas preguntas básicas [2] ¿De dónde viene el agua y hacia dónde va? Esto se define como la trayectoria de flujo que toma el agua que ingresa a la cuenca hidrográfica que se está evaluando. ¿Cuánto tiempo permanece el agua en un flujo o depósito de agua específico? Esto se define como el tiempo de residencia, en el que se puede observar la velocidad a la que el agua ingresa, sale o se almacena. ¿Qué reacciones y cambios experimenta el agua a través de esos procesos? Esto se define como reacciones biogeoquímicas, que tienen el potencial de cambiar los solutos, nutrientes o compuestos en el agua. Se utilizan muchos métodos para observar y probar cuencas hidrográficas para obtener las respuestas a estas preguntas. A saber, hidrogramas, trazadores ambientales e inyectados, o ecuaciones como la ley de Darcy . Estos tres factores son interactivos e interdependientes. La conectividad de una cuenca hidrográfica a menudo define cómo interactuarán estos rasgos. A medida que ocurren flujos estacionales o a escala de eventos, los cambios en la conectividad de una cuenca hidrográfica afectan la trayectoria de flujo, el tiempo de residencia y las reacciones biogeoquímicas. Los lugares de alta actividad de reacción en un lugar o momento específico se denominan puntos calientes o momentos calientes (Pedroli, 1990)(Wand et al., 2015)(Krause et al., 2017)(Fisher et al., 2004)(Trauth et al., 2014)(Covino, 2016).
Un concepto fundamental en ecohidrología es que el desarrollo de la esponja de carbono del suelo y la fisiología de las plantas está directamente relacionado con la disponibilidad de agua. [3] Donde hay abundante agua, como en las selvas tropicales , el crecimiento de las plantas depende más de la disponibilidad de nutrientes. Sin embargo, en áreas semiáridas , como las sabanas africanas , el tipo y la distribución de la vegetación se relacionan directamente con la cantidad de agua que las plantas pueden extraer del suelo. [4] Cuando no hay suficiente agua en el suelo , se produce una condición de estrés hídrico. Las plantas bajo estrés hídrico disminuyen tanto su transpiración como su fotosíntesis a través de una serie de respuestas, incluido el cierre de sus estomas . Esta disminución en el bosque de dosel , el flujo de agua del dosel y el flujo de dióxido de carbono pueden influir en el clima y el tiempo circundantes. [5]
La falta de humedad en el suelo produce estrés en las plantas, y la disponibilidad de agua es uno de los dos factores más importantes (la temperatura es el otro) que determinan la distribución de las especies . Los fuertes vientos, la baja humedad relativa atmosférica, el bajo nivel de dióxido de carbono, las altas temperaturas y la alta irradiación exacerban la insuficiencia de humedad del suelo. La disponibilidad de humedad del suelo también se reduce a bajas temperaturas del suelo. Una de las primeras respuestas a la falta de suministro de humedad es una reducción de la presión de turgencia ; la expansión y el crecimiento celular se inhiben inmediatamente y los brotes no suberizados se marchitan pronto. [ cita requerida ]
El concepto de déficit hídrico, desarrollado por Stocker en la década de 1920, [6] [7] [8] es un índice útil del equilibrio entre la absorción y la pérdida de agua en la planta. Los déficits hídricos leves son normales y no perjudican el funcionamiento de la planta, [9] mientras que los déficits mayores alteran los procesos normales de la planta.
Un aumento del estrés hídrico en el medio de enraizamiento (esponja de carbono del suelo) tan pequeño como cinco atmósferas afecta el crecimiento, la transpiración y el equilibrio hídrico interno de las plántulas. Esto afecta a las plántulas de picea de Noruega más que a las de abedul , álamo temblón o pino silvestre . [10] La disminución de la tasa de asimilación neta es mayor en la picea que en las otras especies y, de esas especies, solo la picea no muestra un aumento en la eficiencia del uso del agua a medida que el suelo se seca. Las dos coníferas, la picea de Noruega y el pino silvestre, muestran mayores diferencias en el potencial hídrico entre la hoja y el sustrato que las maderas duras. [10] La tasa de transpiración disminuye menos en la picea de Noruega que en las otras tres especies a medida que el estrés hídrico del suelo aumenta hasta 5 atmósferas en entornos controlados. En condiciones de campo, las agujas de la picea de Noruega pierden tres veces más agua desde el estado completamente turgente que las hojas de abedul y álamo, y el doble que las del pino silvestre, antes del cierre aparente de los estomas (aunque existe cierta dificultad para determinar el punto exacto de cierre). [11] Por lo tanto, la asimilación puede continuar durante más tiempo en la picea que en el pino cuando el estrés hídrico de la planta es alto, aunque la picea probablemente será la primera en "quedarse sin agua".
La humedad del suelo es un término general que describe la cantidad de agua presente en la zona vadosa , o porción no saturada del suelo debajo del suelo. Dado que las plantas dependen de esta agua para llevar a cabo procesos biológicos críticos, la humedad del suelo es fundamental para el estudio de la ecohidrología. La humedad del suelo generalmente se describe como contenido de agua , o saturación , . Estos términos están relacionados por la porosidad , a través de la ecuación . Los cambios en la humedad del suelo a lo largo del tiempo se conocen como dinámica de la humedad del suelo.
Estudios globales recientes que utilizan isótopos estables del agua muestran que no toda la humedad del suelo está igualmente disponible para la recarga de agua subterránea o para la transpiración de las plantas. [12] [13]
El agua disponible para las plantas en suelos arenosos puede incrementarse mediante la presencia de arcilla sepiolítica . [14]
La espiral de nutrientes describe la forma en que se combinan los procesos biológicos y físicos para controlar el transporte de nutrientes o el control de nutrientes. El agua viaja río abajo intercambiando nutrientes a través de afloramientos ricos en nutrientes y afloramientos ricos en oxígeno. En lugar de un intercambio continuo o gradual, los nutrientes circulan en compartimentos a lo largo del lecho del río. La longitud total de la espiral (S) se compone de la longitud de absorción (Sw) y la longitud de recambio (Sp y Sc). Sw es la longitud promedio que un nutriente disuelto es transportado río abajo antes de ser absorbido nuevamente. Esta vía puede conceptualizarse como una espiral imaginaria. La espiral de nutrientes puede verse influenciada por la etapa de la corriente debido a la interacción fraccional más alta o más baja del agua con el lecho del canal donde ocurre el ciclo de nutrientes. Baja interacción de nutrientes en la etapa alta y alta interacción de nutrientes en la etapa baja. ( [15]
Las cuencas hidrográficas pueden tener una mayor o menor capacidad para reciclar nutrientes dentro de su sistema general según su nivel, caudal y velocidad. Sin embargo, la humanidad también ha tenido un impacto significativo en esta área, lo que ha provocado la degradación general de la salud del sistema de cuencas hidrográficas en muchos casos. "La agricultura, la urbanización y la extracción de recursos han aumentado drásticamente la carga de nutrientes y han alterado la entrega y producción de materia orgánica disuelta (MOD).... En los últimos 60 años, la actividad humana ha más que duplicado la fijación global de nitrógeno y cuadriplicado la carga de fósforo. Al mismo tiempo, el uso humano de la tierra ha perturbado directamente la mitad de la superficie terrestre mundial, alterando fundamentalmente la capacidad de los ecosistemas para amortiguar o procesar [o reciclar] estos aportes de nutrientes". [16]
La teoría ecohidrológica también da importancia a las consideraciones de las relaciones temporales (tiempo) y espaciales (espacio). La hidrología, en particular el momento en que se producen las precipitaciones , puede ser un factor crítico en la forma en que un ecosistema evoluciona a lo largo del tiempo. Por ejemplo, los paisajes mediterráneos experimentan veranos secos e inviernos húmedos. Si la vegetación tiene una temporada de crecimiento en verano, a menudo experimenta estrés hídrico, aunque la precipitación total a lo largo del año puede ser moderada. Los ecosistemas de estas regiones han evolucionado típicamente para soportar pastos con alta demanda de agua en el invierno, cuando la disponibilidad de agua es alta, y árboles adaptados a la sequía en el verano, cuando es baja.
La ecohidrología también se ocupa de los factores hidrológicos que determinan la distribución espacial de las plantas. La distribución óptima y la organización espacial de las plantas está determinada, al menos en parte, por la disponibilidad de agua. En los ecosistemas con baja humedad del suelo, los árboles suelen estar ubicados más separados que en zonas bien regadas.
Una ecuación fundamental en ecohidrología es el balance hídrico en un punto del paisaje. Un balance hídrico establece que la cantidad de agua que entra al suelo debe ser igual a la cantidad de agua que sale del suelo más el cambio en la cantidad de agua almacenada en el suelo. El balance hídrico tiene cuatro componentes principales: infiltración de la precipitación en el suelo, evapotranspiración , filtración de agua en porciones más profundas del suelo no accesibles a la planta y escorrentía desde la superficie del suelo. Se describe mediante la siguiente ecuación:
Los términos del lado izquierdo de la ecuación describen la cantidad total de agua contenida en la zona de raíces - la esponja de carbono del suelo. Esta agua, accesible a la vegetación, tiene un volumen igual a la porosidad del suelo ( ) multiplicada por su saturación ( ) y la profundidad de las raíces de la planta ( ). La ecuación diferencial describe cómo cambia la saturación del suelo con el tiempo. Los términos del lado derecho describen las tasas de lluvia ( ), intercepción ( ), escorrentía ( ), evapotranspiración ( ) y fugas ( ). Estas suelen darse en milímetros por día (mm/d). La escorrentía, la evaporación y las fugas dependen en gran medida de la saturación del suelo en un momento dado.
Para resolver la ecuación es necesario conocer la tasa de evapotranspiración en función de la humedad del suelo. El modelo que se suele utilizar para describirla establece que por encima de un determinado punto de saturación, la evaporación sólo dependerá de factores climáticos como la luz solar disponible. Una vez por debajo de este punto, la humedad del suelo impone controles a la evapotranspiración, y esta disminuye hasta que el suelo alcanza el punto en el que la vegetación ya no puede extraer más agua. Este nivel del suelo se denomina generalmente " punto de marchitamiento permanente ". El uso de este término puede dar lugar a confusión porque muchas especies de plantas en realidad no se " marchitan ".
El número de Damkohler es una relación sin unidades que predice si el tiempo durante el cual un nutriente o soluto particular permanece en un depósito o flujo de agua específico será tiempo suficiente para que se produzca una reacción específica.
Donde T es el tiempo de transporte o de reacción. El tiempo de transporte se puede sustituir por T de exposición para determinar si una reacción puede ocurrir de manera realista dependiendo de cuánto tiempo de transporte el reactivo estará expuesto a las condiciones correctas para reaccionar. Un número de Damkohler mayor que 1 significa que la reacción tiene tiempo para reaccionar completamente, mientras que lo opuesto es cierto para un número de Damkohler menor que 1.
La Ley de Darcy es una ecuación que describe el flujo de un fluido a través de un medio poroso. La ley fue formulada por Henry Darcy a principios del siglo XIX cuando se le encargó la tarea de llevar agua a través de un acuífero a la ciudad de Dijon, Francia. Henry realizó varios experimentos sobre el flujo de agua a través de lechos de arena para derivar la ecuación.
Donde Q es el caudal medido en m3 / seg. K es la conductividad hidráulica (m/s). A es el área de la sección transversal que recorre el agua (m2). Donde H es el cambio de altura a lo largo de la distancia gradual del acuífero (m). Donde L es la longitud del acuífero o la distancia que recorre el agua (m).
Los hidrogramas son modelos que se utilizan para analizar la descarga de agua en un punto determinado del río. Se suelen utilizar después de un evento de lluvia o inundación para mostrar cómo cambió el caudal de agua. Se mide en Volumen / Tiempo .
Hay tres ejes principales en un hidrograma: tiempo, caudal y precipitación.
Esta ecuación general aplica la conservación de masa a los sistemas de agua y se utiliza para calcular las salidas/entradas de agua de sistemas cerrados.
P = R + ET + ΔS
Donde P es la precipitación. R es el caudal. ET es la evapotranspiración. ΔS es el cambio en el almacenamiento.
![{\displaystyle nZ_{r}{\frac {ds(t)}{dt}}=R(t)-I(t)-Q[s(t),t]-E[s(t)]-L[s(t)]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dcf0c1483f82c75d22acc81e988c4eb338af36ac)
