10.1: Monitoreo de Ecosistemas

Un ecosistema complejo y adaptativo en el que todos los componentes, funciones y procesos químicos, físicos y biológicos están intactos y funcionan normalmente se considera un ecosistema saludable (pero ver Cumming y Cumming (2015), para una discusión sobre este término basado en valores). Por el contrario, perturbar cualquiera de los componentes, funciones y/o procesos de un ecosistema, por definición, los alterará hasta cierto punto (Cuadro 10.1). En muchos casos, los ecosistemas que han estado expuestos a ciertas formas y niveles de perturbaciones permanecen saludables debido a que hay redundancia en los roles que desempeñan los diferentes componentes del ecosistema (Sección 4.2.1). Esta capacidad de un ecosistema para soportar ciertas formas y niveles de perturbaciones se conoce como estabilidad del ecosistema. La estabilidad del ecosistema podría ser el resultado de una o ambas de dos cualidades: resistencia y resiliencia. La resistencia es la capacidad de un ecosistema para retener las mismas comunidades características y ciclos naturales durante y después de un evento de perturbación, mientras que la resiliencia es la capacidad de un ecosistema para recuperarse o adaptarse rápidamente después de un evento de perturbación. Por ejemplo, si el número de especies de insectos acuáticos nativos disminuye después de que los peces no nativos son introducidos en estanques previamente libres de peces, el ecosistema del estanque tiene baja resistencia. Pero si la comunidad de insectos nativos se recupera rápidamente después de que se eliminaron los peces no nativos, el ecosistema es resiliente.

Cuadro 10.1 Tres formas de cómo los humanos han cambiado el mundo natural.

Función natural	Cambios atribuidos a las actividades humanas
Superficie del terreno	Hasta la mitad de la superficie terrestre libre de hielo del mundo se ha transformado para satisfacer las necesidades de recursos naturales de las personas. Gran parte de estos cambios son impulsados por las actividades agrícolas.
Ciclo de Nitrógeno	Las actividades humanas liberan cantidades masivas de nitrógeno a los ecosistemas naturales diariamente. Gran parte de esto ocurre a través del uso de fertilizantes nitrogenados, la quema de combustibles fósiles y el cultivo de cultivos fijadores de nitrógeno.
Ciclo del carbono atmosférico	Los científicos estiman que los humanos habrían duplicado los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre a mediados de este siglo. Esto es principalmente el resultado del uso de combustibles fósiles y la deforestación.
Poblaciones de vida silvestre	Entre 1970 y 2014, el África Subsahariana ha perdido tres cuartas partes de sus vertebrados de agua dulce; la tasa de estas disminuciones no muestra signos de disminución.
Contaminantes	La contaminación de las actividades humanas se ha vuelto tan omnipresente que es difícil escapar de sus impactos. Se han encontrado microplásticos en el agua potable y en los alimentos que comemos (Capítulo 7).

Fuentes: MEA, 2005; Kulkarni et al., 2008; http://www.livingplanetindex.org

Muchas formas de perturbaciones ecosistémicas son fáciles de observar. En consecuencia, el monitoreo de estas formas visibles de perturbaciones, como la destrucción total de un bosque o la contaminación plástica en una playa, se enfoca menos en la detección y más en desarrollar protocolos sistemáticos de levantamiento (Sección 9.1) que puedan proporcionar información sobre si una perturbación se está extendiendo y aumentando en intensidad, o si las acciones de conservación tienen éxito en contener la amenaza. Sin embargo, algunas perturbaciones son más sutiles, discretas y, por lo tanto, difíciles de detectar; ejemplos incluyen la deriva de plaguicidas y la escorrentía agrícola (Sección 7.1). Adoptar un enfoque de “esperar y ver” para detectar estas formas invisibles de perturbaciones puede resultar particularmente dañino, ya que ese enfoque generalmente termina en un punto en el que el daño será imposible de revertir o requerirá significativamente más recursos y tiempo de los que hubiera sido el caso si el problema se abordó antes. De esta manera, hay muchas similitudes entre el monitoreo de la salud de los ecosistemas y la salud humana, algunas dolencias son más fáciles de diagnosticar que otras, pero evitamos los peores escenarios mediante el cribado regular de enfermedades y el tratamiento oportuno de las amenazantes.

Figura 10.2 Biólogos que toman muestras de macroinvertebrados acuáticos en el Delta del Okavango, Botsuana, como parte de un proyecto de biomonitorización del Centro de Investigación de Agua Dulce. Fotografía de Helen Dallas/FRCSA, CC BY 4.0.

Quizás el método más popular que utilizan los biólogos de conservación para monitorear la salud de los ecosistemas se conoce como biomonitorización. Al monitorear la abundancia y/o idoneidad de especies sensibles (Recuadro 10.1), los biólogos a veces pueden detectar la degradación del ecosistema antes de que se haga evidente para el ojo humano o escale a un punto en el que comience a impactar vidas humanas (Bornman y Bouwman, 2012). El monitoreo de indicadores ambientales como los macroinvertebrados (Figura 10.2) es particularmente popular cuando se examina la condición ecológica de los ecosistemas acuáticos; las moscas de mayo, las moscas caddisflies y las piedras, especialistas de arroyos no perturbados, a menudo son reemplazadas por moscas y mosquiteros en ambientes contaminados y perturbados . Sin embargo, a veces, cuando las plantas o los animales no son fácilmente monitoreados, ciertos aspectos de esas especies aún pueden ser monitoreados. Un ejemplo es el monitoreo de la biomasa total de la planta como un proxy para los nutrientes del suelo o la intensidad de herbivoría. Otra opción es realizar un bioensayo, durante el cual un organismo sensible (típicamente pulgas de agua o plancton) se libera a un ambiente potencialmente contaminado para ver si se produce la muerte o deterioro de la salud.

Al monitorear la abundancia y/o idoneidad de especies sensibles, los biólogos pueden detectar amenazas a la biodiversidad antes de que sea evidente para el ojo humano.

Recuadro 10.1 Uso de insectos para monitorear la salud ambiental

Rosina Kyerematen

Departamento de Biología Animal y Ciencias de la Conservación,

Universidad de Ghana,

Legon, Ghana.

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Los insectos son importantes para casi todas las redes alimentarias terrestres del mundo y sirven para una multitud de propósitos diferentes: algunos insectos son responsables de la polinización de las plantas mientras que otros son carroñeros que limpian material vegetal y animal muerto. En algunos casos, nuestra comprensión del papel ecológico de una especie de insecto puede hacerla adecuada como indicador de salud ambiental. El biomonitoreo analiza la presencia y abundancia de organismos dentro de sus comunidades naturales para evaluar el impacto de las perturbaciones ambientales; este conocimiento puede ser utilizado para guiar el manejo de los ecosistemas. Un taxón indicador es aquel cuyo impacto se puede medir de manera específica y precisa; su abundancia sirve como medida de la salud general de un ecosistema. Comprender cómo la presencia y abundancia de especies indicadoras, y la abundancia relativa de especies tolerantes e intolerantes, refleja la salud relativa de un ambiente puede permitir encuestas rápidas de ecosistemas deteriorados para evaluar tendencias y rastrear cambios después de la remediación y restauración esfuerzos.

En los últimos años, la biomonitorización con insectos como taxones indicadores se ha vuelto cada vez más popular en Ghana. Las mariposas son especialmente populares porque muestran sensibilidades relativas variables al cambio ambiental; la abundancia de ciertas especies de mariposas puede ser utilizada por ejemplo para estudiar el impacto de la pérdida de hábitat, la fragmentación y el cambio climático (Kyerematen et al., 2018). La presencia y abundancia de mariposas más características de ecosistemas abiertos y perturbados (Figura 10.A) puede, por ejemplo, ser utilizada como indicador de degradación forestal.

Figura 10.A Debido a que la cola de golondrino de bandas verdes (Papilio nireus) prefiere los bosques abiertos, los investigadores en Ghana están utilizando sus abundancias en los bosques como medida de la degradación del hábitat. Fotografía de Celesta von Chamier, CC BY 4.0.

Los insectos acuáticos, particularmente los macroinvertebrados bentónicos, también son bioindicadores útiles. Los recursos de agua dulce, como lagos y ríos, proporcionan agua para beber y lavar a la población local, y un hogar para taxones económicamente importantes, como peces y mariscos. Por tanto, proteger estas fuentes de agua es importante para salvaguardar la salud y los medios de vida de las personas La presencia, ausencia y diversidad de ciertos macroinvertebrados bentónicos, incluso a nivel de orden, puede proporcionar información valiosa sobre si una masa de agua está siendo degradada o no (Kyerematen et al., 2014; Nnoli et al., 2019). Un estudio reciente mostró que las diversidades y poblaciones de libélula y damisela a lo largo de la costa del río Densu en Ghana varían ampliamente dependiendo de la condición física del río y sus alrededores (Acquah-Lamptey et al., 2013).

Con su alta diversidad y tolerancias variables para las condiciones de los ecosistemas, los insectos son extraordinariamente adecuados como indicadores ecológicos en el monitoreo ambiental. Cada especie de insecto también forma parte de una comunidad biológica más amplia con importantes roles ecológicos. Si se pierde, no sólo se verá afectada una abundancia de otras vidas, tal pérdida también puede insinuar una crisis que se avecina a la que se enfrentan las personas que viven en esos ecosistemas comprometidos.

En ocasiones, los biólogos de conservación pueden necesitar medir el ambiente físico para evaluar la salud ambiental. Este enfoque es particularmente común cuando se rastrea la contaminación, por ejemplo mediante el monitoreo de cambios en los indicadores bioquímicos. Por ejemplo, medir la carga total de fósforo, nitrógeno y oxígeno disuelto en arroyos y otras aguas superficiales puede ayudar a los científicos a rastrear la eutrofización (Sección 7.1.1). La medición de estos y otros indicadores bioquímicos generalmente se realiza directamente a través del análisis químico de muestras ambientales, como suelo y agua. Sin embargo, a veces los indicadores bioquímicos se rastrean indirectamente a través de muestras biológicas obtenidas de plantas y animales. Debido a que bioacumulan metales pesados y otros contaminantes, los alimentadores filtrantes como almejas y mejillones (por ejemplo, Bodin et al., 2013) son particularmente útiles en este sentido ya que pueden ser utilizados para detectar concentraciones muy bajas de químicos nocivos en el ambiente.

Monitoreo de ecosistemas con análisis geoespacial

Un desafío persistente al que se enfrentan los biólogos que monitorean los ecosistemas, y otros aspectos de la biodiversidad, es lograr consistencia en el espacio y el tiempo. Considera una encuesta de una comunidad de aves sensibles para rastrear el cambio de ecosistema; no solo diferentes observadores tendrán diferentes niveles de experiencia, sino que seguramente verán diferentes aves durante un censo matutino en comparación con uno más tarde en la tarde debido a diferencias en biología y comportamiento entre especies. Estos factores introducen error en los datos de monitoreo, que a su vez pueden enmascarar el efecto que un biólogo intenta medir (Buckland y Johnston, 2017). Los científicos de laboratorio controlan estos factores de confusión mediante la realización de múltiples mediciones bajo condiciones estrictamente controladas. Pero para los biólogos de conservación que trabajan afuera en el viento y la lluvia, las observaciones repetidas en condiciones similares pueden ser casi imposibles.

El análisis geoespacial ofrece una variedad de herramientas que permiten a los biólogos superar algunos de estos desafíos tradicionales de monitoreo de campo. Estas herramientas utilizan paquetes de software informático de sistemas de información geográfica (SIG) para almacenar, exhibir y manipular una amplia variedad de datos que representan el entorno natural, la biodiversidad y los patrones de uso de la tierra humanos, ya que se relacionan entre sí en la superficie de la Tierra. El SIG permite a los biólogos visualizar y analizar fácilmente las relaciones espaciales entre los datos mapeados, que pueden incluir aspectos como tipos de vegetación, clima, suelos, topografía, geología, disponibilidad de agua, distribuciones de especies, áreas protegidas existentes, asentamientos humanos y uso de recursos humanos (Figura 10.3). Comprender tales relaciones ayuda a los biólogos de la conservación a priorizar sus acciones, por ejemplo, identificando áreas donde faltan datos, donde un cambio ambiental requiere más investigación, o donde existen brechas en la red de áreas protegidas regionales.

Figura 10.3 Los mapas de distribución de tres especies amenazadas se superponen a mapas de áreas protegidas y tipos de vegetación para identificar posibles brechas de conservación (discutido en el Capítulo 13). Este análisis SIG muestra que la Especie A está bien protegida, la Especie B está protegida en cierta medida y la Especie C no está protegida en absoluto. Por lo tanto, la especie C se consideraría una alta prioridad de conservación. Después de Scott et al., 1991, CC BY 4.0.

La teledetección es una rama especial del análisis geoespacial dirigida a obtener datos de ecosistemas sin hacer contacto físico (es decir, botas en el suelo) con el sitio de observación. Antes del cambio del siglo XX, la forma más popular de teledetección era la fotografía aérea desde aviones. Estas fotografías aéreas facilitaron la capacidad de los geografos para dibujar mapas de características del paisaje, incluyendo infraestructura humana y patrones de vegetación natural. Las oportunidades de teledetección se expandieron en gran medida a partir de 1960, con el lanzamiento de los primeros satélites de observación de la Tierra de la Administración Nacional del Espacio Aeronáutico (NASA), para tomar fotografías de la Tierra desde el espacio para el pronóstico del tiempo. Los programas satelitales posteriores ampliaron su alcance para recopilar también datos adicionales de la superficie y la atmósfera de la Tierra. Si bien gran parte de estos datos habrían sido útiles para la conservación, los primeros productos de datos satelitales eran muy caros y, por lo tanto, en gran parte estaban fuera del alcance de la comunidad conservadora más grande Todo esto cambió en 2008 cuando la NASA comenzó a distribuir sus productos de observación de la Tierra de forma gratuita al público, anunciando una era en la que la teledetección se convirtió en una herramienta estándar en el campo de la conservación.

La teledetección ofrece una variedad de herramientas que permiten a los biólogos monitorear la biodiversidad más allá de las habilidades de las técnicas tradicionales de monitoreo de campo.

Hoy en día, cientos de satélites de observación de la Tierra rodean el planeta, ofreciendo acceso casi en tiempo real a conjuntos de datos ambientales imparciales y consistentes de casi todas las superficies terrestres, superficies oceánicas y profundidades del suelo, y la atmósfera, todo desde la comodidad de una computadora conectada a Internet (Wilson et al. , 2013). Los científicos utilizan estos productos en los esfuerzos de monitoreo de ecosistemas, incluyendo monitoreo de la calidad del agua (Dube et al. 2015), pérdida de bosques (Laporte et al., 2007), salud de los arrecifes de coral (McClanahan et al., 2011), desertificación (Symeonakis et al., 2004) y regímenes de incendios (Archbald et al., 2010). Vincular la información obtenida por los satélites de observación de la Tierra con la información biológica recopilada sobre el terreno ha demostrado ser invaluable para monitorear los estados de amenaza de las especies (Di Marco et al., 2014), la conectividad de los ecosistemas (Wegmann et al., 2014) y la idoneidad del hábitat (Torres et al., 2010), como así como comprender cómo responde la biodiversidad a los cambios ambientales (Recuadro 10.2).

Recuadro 10.2 Teledetección y análisis espacial para la conservación de África

Barend F. N. Erasmus

Instituto de Cambio Global (GCI), Universidad de Witwatersrand,

Johannesburgo, Sudáfrica.

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La teledetección es el arte y la ciencia de observar objetos o paisajes a distancia, sin estar en contacto directo con el medio ambiente. Aunque se puede pensar en la fotografía de vida silvestre como un tipo de teledetección, el término generalmente se refiere a la fotografía aérea (Figura 10.B), o imágenes tomadas vía satélite. Para ambos casos, existe una compensación entre el área cubierta por cada foto (la huella), la cantidad de espacio de almacenamiento digital disponible y la frecuencia con la que un satélite toma una foto de la misma área. Para los satélites que toman fotografías de la tierra sistemáticamente, a lo largo de un camino predefinido, la cobertura de nubes determina la frecuencia con la que se puede obtener una imagen utilizable. Mejoras recientes en la tecnología, ahora permiten el despliegue de constelaciones de satélites que tienen una capacidad colectiva de apuntar y rastrear para observar un área de manera casi continua.

Figura 10.B Fotografía aérea de Kaa pan en la región suroccidental de Kalahari de Botsuana. Gemsbok (Oryx gazella, LC), hartebeest rojo (Alcelaphus buselaphus caama, LC) y eland (Tragelaphus oryx, LC) excavan hoyos para lekking (comer suelo con alto contenido de sal), y los senderos entre los diferentes sitios lekking muestran claramente preferencias para ciertos sitios. De la misma manera, en escalas mucho más amplias, los ungulados se desplazan a través de los paisajes para acceder a otros recursos, como el agua y la hierba, evitando al mismo tiempo a los cazadores y depredadores humanos. Fotografía de B.F.N. Erasmus, CC BY 4.0.

Nuestros ojos son sensibles a los colores rojo, verde y azul, llamados juntos la parte visible del espectro electromagnético. Esta es en realidad una parte muy pequeña de todo el espectro, y los científicos han encontrado, por ejemplo, que la vegetación vista como uniformemente verde muestra mucha variación en la parte infrarroja del espectro. Por esta razón, muchos satélites llevan cámaras que pueden “ver” la luz infrarroja, y por proxy, medir la salud de la vegetación, la biomasa, y en ocasiones incluso la estructura. Esta capacidad, junto con las tasas frecuentes de revisita, permite una visión única de cómo cambian los paisajes africanos, ya sea a través de la pérdida de hábitat, cambios estacionales o sequía. Los análisis de 13 años de datos de detección remota muestran que las partes más áridas del suroeste de Botsuana ahora experimentan condiciones típicas de vegetación veraniega más adelante en el año (Dubovyk et al., 2015), por lo que los herbívoros deben hacer frente a una estación seca mucho más larga ahora de lo que experimentaron en 2000.

Los paisajes africanos siempre están cambiando, y a veces de maneras impredecibles: las tormentas eléctricas localizadas al comienzo de la temporada de lluvias pueden cambiar rápidamente un paisaje seco de cuenco de basura en pastoreo verde. Estas “huellas húmedas” pueden cubrir áreas tan pequeñas como 1 km × 3 km; en contraste, un gran sistema meteorológico frontal puede cubrir decenas o incluso cientos de kilómetros. Un ungulado que busca pastoreo verde no muy lejos del agua potable, mientras trata de evitar a depredadores y cazadores, necesita la capacidad de detectar tales manchas verdes, y la fuerza y el conocimiento para trasladarse allí. Obtener este conocimiento desde la perspectiva de un ungulado del paisaje no es tarea pequeña. Hopcraft et al. (2014) muestran cómo los ñus y cebra de llanura comunes en el Serengeti tienen diferentes estrategias de migración: los ñus se mueven al pasto verde lo más rápido posible, con poco esfuerzo para evitar depredadores, mientras que el riesgo de depredación de calibre cebra y la calidad del forraje concurrentes a su caminata.

Nuestra capacidad para comprender los movimientos ungulados y otros patrones de ecosistemas se ha mejorado enormemente en los últimos años, como la tecnología de rastreo de animales (donde las posiciones GPS se registran y almacenan mediante rastreo por radiofrecuencia, redes de telefonía móvil, sistemas satelitales o cualquier combinación) y el resultado los análisis se volvieron más sofisticados. Ahora es posible distinguir entre lugares donde los animales suelen pasar un poco de tiempo (por ejemplo, un árbol sombreado preferido para descansar durante el calor del día), o el mismo lugar donde con poca frecuencia pasan mucho tiempo (por ejemplo, una vez durante un ciclo de estro, una leona lactante pasará un mucho tiempo en su guarida, con cachorros). También es posible “ver” cuando tal animal cambia el “modo” de movimiento. Por ejemplo, los investigadores han encontrado que los carneros springbok (Antidorcas marsupialis, LC) alrededor de la sartén Etosha en Namibia muestran un comportamiento sedentario (pequeños movimientos alrededor de un área específica) cuando el pastoreo es bueno, lo que transita a un comportamiento de búsqueda durante las estaciones secas (movimientos largos, relativamente rápidos en una recta línea) a medida que se desplazan a áreas que tenían agua o pasto durante periodos previos de sequía (Lyons et al., 2013).

Si combinamos esta capacidad de rastreo de animales con imágenes regulares de la calidad de la vegetación, entonces podemos comenzar a responder preguntas sobre por qué ciertos animales se mueven a ciertas áreas. Destaca también el hecho de que rara vez es lo suficientemente bueno como para poner una barda alrededor de una zona y llamarla preservada. Debido a la naturaleza cambiante de las sabanas de África, los animales necesitan poder trasladarse a áreas con agua o forraje, a menudo fuera de las reservas, cuando estén disponibles. Ante un clima cambiante y los patrones de lluvia cambiantes, esta capacidad de moverse a larga distancia para llegar a recursos vitales sigue siendo una de las mejores respuestas de adaptación que pueden tener los ungulados africanos para hacer frente al cambio climático. Sin embargo, cercas, caminos y tierras de cultivo pueden bloquear estas migraciones a través del paisaje, poniendo a esas poblaciones en riesgo de extinción (Sección 5.1.1).

Las áreas de conservación africanas necesitan hacer provisiones para estos movimientos de animales, o áreas de conservación de riesgo sin poblaciones animales sostenibles. Esto presenta un problema: ¿cómo investigamos las opciones para que los animales grandes se muevan a través de un paisaje rural transformado y minimicen los conflictos entre humanos y vida silvestre mientras, por otro lado, seguimos brindando acceso a pasto verde o agua potable en un área protegida específica? Ambos recursos cambian de ubicación y época del año, y solo la teledetección regular y detallada de la vegetación, combinada con estudios detallados de movimiento de animales, proporcionará la imagen necesaria en el tiempo y el espacio.

La popularidad y utilidad de estos productos han precedido y facilitado la expansión de otras aplicaciones de teledetección en el monitoreo de ecosistemas. Entre los más populares se encuentran los productos de radar (Figura 10.4), que se han convertido en el método estándar para obtener datos de elevación y otros terrenos (NASA, 2009, 2013), así como estimaciones de reservas de carbono (Carreiras et al., 2012). También se han logrado avances en el uso de imágenes hiperespectrales para monitorear las propiedades del suelo (Mashimbye et al., 2012) e incluso árboles individuales (Naidoo et al., 2012). LiDAR ha permitido a los biólogos mapear la vegetación tridimensional, que puede ser utilizada para explicar los movimientos de los animales (Loarie et al., 2013; Davies et al., 2016) y medir las reservas de carbono y la pérdida de bosques (Burton et al., 2017).

Los biólogos de conservación a menudo se enfrentan al síndrome basal cambiante, donde los puntos de referencia que utilizan para medir su progreso pueden ser muy diferentes de los estados anteriores.

Figura 10.4 Un compuesto de radar de África ecuatorial obtenido en 1996 por el Satélite de Recursos Terrestres de Japón. El área mostrada abarca alrededor de 7.4 millones de km 2. Debido a los filtros aplicados a la imagen, el amarillo representa bosques inundados, plantaciones de palma y áreas urbanas; el verde representa bosque y el negro representa el agua superficial. Las sabanas pueden ser negras, azules, moradas o verdes, dependiendo del tipo de ecorregión. Pantallas como estas permiten a los investigadores mapear los ecosistemas y la pérdida de ecosistemas a una escala mucho mayor que si solo se usaran observaciones de campo. Imagen cortesía de NASA, https://images.nasa.gov/details-PIA01348.html, CC0.

A pesar de las oportunidades que presenta la teledetección, es fundamental recordar que no es un sustituto de los métodos tradicionales de monitoreo de campo. Lo más importante es que las aplicaciones de teledetección no pueden considerarse confiables sin verificación utilizando datos de campo (ver Burton et al., 2017). La mayoría de los productos de teledetección también son relativamente nuevos, lo que no permite suficientes oportunidades para comparar a lo largo del tiempo. En ausencia de datos históricos de teledetección, los analistas geoespaciales suelen elegir el mejor sitio de referencia disponible actualmente; esto puede exponer a esos analistas al síndrome basal cambiante, ya que el sitio de referencia elegido puede ser muy diferente de los estados anteriores los científicos están realmente interesados en estudiar (Bunce et al., 2008; Papworth et al., 2009). Por lo tanto, la teledetección no es una cura para los desafíos de monitoreo de ecosistemas; es simplemente una herramienta poderosa para complementar el monitoreo tradicional basado en el campo.