Modelación del estrés hídrico en un ecosistema semiárido integrando procesos hidrológicos y de dinámica vegetal a escala local

En ecosistemas semiáridos con sequías estacionales, la temporada húmeda no coincide con la estación de crecimiento vegetativo. Allí la frecuencia de la lluvia es relevante para las plantas estacionales y anuales, impactando en la disponibilidad anual de agua en el suelo. La relación hidrología-vegetación ha sido escasamente estudiada en sus aspectos locales o de sitio. Del mismo modo, aún no hay un consenso respecto a qué variables son las más adecuadas para modelar la respuesta vegetal en este tipo de ecosistemas y cómo responden ante condiciones de umbral hídrico. En la primera parte de esta tesis se entrega el marco general del estudio. Se seleccionó un sitio representativo de la zona semiárida Mediterránea de Chile central sujeto a sequías recurrentes, donde la formación vegetal dominante es un matorral leñoso de la especie leguminosa Acacia caven (Mol.) Mol. El primer análisis considera la hipótesis de que existe una directa conexión entre la frecuencia de los eventos de precipitación y la productividad vegetal sub-anual. Esta conexión ha sido pobremente cuantificada para A. caven, y para ello se analiza la frecuencia (λ) y la intensidad (α) de los eventos de lluvia sobre dos descriptores vegetales: la productividad potencial total (mEVI) y la máxima actividad fotosintética (iEVI). Para evaluar la sincronía de esta relación, se utilizó un enfoque de análisis de series de tiempo para el período 2000-2014 (15 años). Los resultados indican que tanto iEVI como mEVI muestran una dependencia temporal de corto plazo, correlacionadas significativamente con un desfase de hasta 4 meses respecto a λ. Asimismo, los descriptores de lluvia podrían explicar un alto porcentaje de la variación anual de la respuesta vegetal, y un cambio marginal en λ podría generar un cambio sustancial en mEVI. Por el contrario, el efecto de α sobre la respuesta vegetal fue biológica y estadísticamente poco significativo, especialmente cuando los eventos de lluvia ocurrieron fuera de la estación húmeda. En la segunda parte se estudió la respuesta vegetal a la variabilidad hidrológica a escala de sitio. Para ello, se consideró como variable respuesta a la conductancia estomática de la hoja (gs). La hipótesis planteada fue que la disponibilidad estacional del agua en el suelo impacta la productividad vegetal, y la planta respondería haciendo un uso verticalmente diferenciado del agua disponible en la zona de raíces. Se registraron entonces las condiciones atmosféricas a nivel de copas y el contenido volumétrico de agua en el suelo (VWC) a diferentes profundidades a escala horaria durante tres años (jun 2011-jun 2014). Los resultados muestran que variables atmosféricas tales como radiación PAR, déficit de presión de vapor (VPD) y temperatura de la hoja (Tleaf), logran representar entre un 5% y un 20% de la variabilidad de la respuesta de A. caven. Al incorporar VWC a diferentes profundidades, la representación de la variabilidad llega hasta un 47%, siendo relevante bajo un esquema de ajuste estacional. Una vez caracterizadas las principales variables de sitio, en la tercera parte de esta tesis se procedió a ajustar un modelo de balance hídrico local multicapa de suelo para identificar los procesos hidrológicos dominantes a escala de sitio que influyen sobre el contenido umbral de agua en el suelo que determinan el incipiente cierre estomático. Se identificó temporalmente su ocurrencia a 10 y 50 cm de profundidad en la zona de raíces y luego se integró este umbral en el proceso de simulación de gs usando el modelo hidropasivo de Jarvis-Stewart, ajustado a las condiciones del sitio. Los resultados mostraron que incorporando el umbral de VWC identificado a 10 cm, la respuesta modelada se ajusta a la observada. A 50 cm, el umbral no tiene incidencia significativa porque la fracción de agua disponible para la planta sería suficiente para sostener su actividad biológica durante períodos de estrés hídrico. Los umbrales que inciden en el cierre estomático fueron diferentes según la profundidad del suelo: 14,5 mm a 10 cm, y 36,9 mm a 50 cm, que representan el 62% y el 44% de la fracción de agua total disponible para la planta a dichas profundidades, y que tienen directa relación con la actividad vegetal estacionalmente diferenciad, pero no del sistema radicular, el cual actuaría como un todo hasta los 100 cm de profundidad. Fuera de la condición umbral, la serie gs modelada fue significativamente diferente a los valores observados, lo que indicaría que la vegetación estaría adaptada a funcionar regularmente bajo tal condición, haciendo un uso eficiente del agua en el suelo. Las conclusiones de esta investigación indican que la vegetación responde directa y significativamente a un amplio rango de λ, aun cuando los totales anuales varíen significativamente. Asimismo, la vegetación estaría haciendo un uso directo de los eventos de lluvia anuales, no habiendo evidencia del uso de agua almacenada más allá de los 100 cm. Con ello la vegetación bajo estudio es capaz de mantener sus niveles de gs incluso a bajos contenidos de agua en las primeras capas de suelo, que son las que reciben los eventos anuales de lluvia y en conjunto, usar aquella almacenada a profundidades cercanas a 50 cm, que no están sujetas a forzantes atmosféricas. Los resultados aquí presentados pueden ser usados en el contexto del análisis de ecosistemas vegetales sometidos a cambios estacionales e inter-anuales de la lluvia y de sus flujos hidrológicos. Asimismo, la respuesta vegetal modelada en función de la escasez de agua puede aproximarse como un indicador de eficiencia hídrica en este tipo de ecosistemas.