Alpine grasslands, grazing and climate change

Abstract

El canvi climàtic i en els usos del sòl afecten els sistemes biològics arreu del món. Els ecosistemes alpins, estan especialment amenaçats. Les pastures d’aquests ecosistemes proporcionen recursos com biodiversitat, captura de gasos d’efecte hivernacle i subministrament d’aliments pels herbívors domèstics i salvatges. Avaluar l’impacte del pasturatge i de l’escalfament global en aquest ecosistema pot proporcionar informació important per comprendre i, fins i tot, predir les implicacions del canvi climàtic i d’ús del sòl en els ecosistemes alpins. El principal objectiu de la tesi és avaluar l’impacte del pasturatge, els factors meteorològics i el canvi climàtic en les pastures alpines del Pirineu Oriental, Espanya. Amb aquest propòsit, s’avalua l’espectroscòpia d’infrarojos propers (NIRS) com un mètode predictiu econòmic i lliure d’emissions per predir la composició de la dieta d’herbívors salvatges. En primer lloc, combinem dos enfocs a diferents escales espacials, per avaluar l’impacte del pasturatge a la vegatació alpina (estudi 1). A mesoescala, els resultats van mostrar que les zones intensament pasturades per bestiar i ungulats salvatges eren més productives que les zones menys pasturades (sols per ungulats salvatges). Basant-nos en aquests resultats, es van recrear tres escenaris d’intensitats de pasturatge contrastades (nul·la, alta i sobrepastura) des d’un enfoc a escala local, per avaluar l’impacte de la sobrepastura tant en la producció de biomassa com en el valor nutricional de les plantes consumides per l’isard. Els nostres resultats confirmen que la intensitat del pasturatge va exercir canvis significatius en les gramínies, però va tenir un efecte insignificant sobre les espècies llenyoses com Calluna vulgaris. D’altra banda, la sobrepastura va reduir la producció de biomassa, però va millorar els valors nutritius d’algunes plantes herbàcies com Festuca spp. El pitjor escenari en termes de producció fou sota una pressió de pastura nul·la, on la producció primària es reduí. En segon lloc, avaluem el potencial de la tecnologia NIRS i analitzem les limitacions en front l’anàlisi microhistològica utilitzats en la determinació de la composició de la dieta dels herbívors (estudi 2). Hem comprovat que el NIRS és una tècnica adequada només per a grans grups taxonòmics, però útil per a estudis de composició aproximada de la dieta i pel control a llarg termini dels principals grups de plantes. Tot i això, la tècnica NIRS no seria suficient per a determinar la composició de la dieta a nivell d’espècie. El canvi climàtic i d’ús del sòl afecten la dieta dels herbívors alpins i poden afectar el seu rendiment. És important, doncs, incorporar estudis dietètics a l’hora d’avaluar la resposta de les espècies als canvis globals. En la present tesi, hem combinat informació sobre la qualitat de la dieta de l’isard i el clima local per comprendre els efectes del canvi climàtic sobre la dieta d’aquest herbívor (estudi 3). Els nostres resultats indiquen que el clima local exerceix un elevat efecte directe sobre la producció primària i un efecte indirecte sobre la dieta de l’isard. En aquesta situació de canvi climàtic, es preveu l’augment de la temperatura i la reducció la quantitat de neu. Per tant, es preveu que la dieta dels isards millorarà. No obstant això, altres factors que no siguin la producció de pastures, com la competència intraespecífica, la composició i la qualitat de les pastures, poden afectar la qualitat de la dieta de l’isard.

El cambio climático y en el uso del suelo afectan a los sistemas biológicos en todo el mundo. Los ecosistemas alpinos, están especialmente amenazados. Los pastos de estos ecosistemas proporcionan recursos como biodiversidad, captura de gases de efecto invernadero y suministro de alimentos para los herbívoros domésticos y salvajes. Evaluar el impacto del pasto y del calentamiento global en este ecosistema puede proporcionar información importante para comprender e incluso predecir las implicaciones del cambio climático y de uso del suelo en los ecosistemas alpinos. En esta tesis nuestro principal objetivo era evaluar el impacto del pastoreo, los factores meteorológicos y el cambio climático en los pastos alpinos del Pirineo Oriental, España. Con este propósito, se evalúa la espectroscopia de infrarrojos cercanos (NIRS) como un método predictivo económico y libre de emisiones para determinar la composición de la dieta de herbívoros salvajes. En primer lugar, combinamos dos enfoques a diferentes escalas espaciales, para evaluar el impacto del pastoreo en la vegetación alpina (estudio 1). A mesoescala, los resultados mostraron que las zonas intensamente pastoreadas por ganado y ungulados salvajes eran más productivas que las zonas menos pastoreadas (sólo por ungulados salvajes). Basándonos en estos resultados, se recrearon tres escenarios de intensidades de pastoreo contrastadas (nula, alta y sobrepastoreo) desde un enfoque a escala local, para evaluar el impacto del sobrepastoreo tanto en la producción de biomasa como en el valor nutricional de las plantas consumidas por el rebeco. Nuestros resultados confirman que la intensidad del pastoreo ejerció cambios significativos en las gramíneas, pero tuvo un efecto insignificante sobre las especies leñosas como Calluna vulgaris. Por otra parte, el exceso de pastoreo redujo la producción de biomasa, pero mejoró los valores nutritivos de algunas plantas herbáceas como Festuca spp. El peor escenario en términos de producción fue bajo una presión de pastoreo nulo, donde la producción primaria se redujo. En segundo lugar, evaluamos el potencial de la tecnología NIRS y analizamos las limitaciones en frente del análisis microhistológico utilizados en la determinación de la composición de la dieta de los herbívoros (estudio 2). Hemos comprobado que el NIRS es una técnica adecuada sólo para grandes grupos taxonómicos, pero útil para estudios de composición aproximada de la dieta y el control a largo plazo de los principales grupos de plantas. Sin embargo, la técnica NIRS no sería suficiente para determinar la composición de la dieta a nivel de especie. El cambio climático y de uso del suelo afectan la dieta de los herbívoros alpinos y pueden afectar su rendimiento. Es importante, pues, incorporar estudios dietéticos a la hora de evaluar la respuesta de las especies a los cambios globales. En la presente tesis, hemos combinado información sobre la calidad de la dieta del rebeco y el clima local para comprender los efectos del cambio climático sobre la dieta de este herbívoro (estudio 3). Nuestros resultados indican que el clima local ejerce un elevado efecto directo sobre la producción primaria y un efecto indirecto sobre la dieta del rebeco. En esta situación de cambio climático, se prevé el aumento de la temperatura y la reducción la cantidad de nieve. Por tanto, se podría suponer que la dieta de los rebecos mejorará. Sin embargo, otros factores que no sean la producción primaria de los pastos, como la competencia intraespecífica, la composición y la calidad de los pastos, pueden afectar la calidad de la dieta del rebeco.

Climatic and land-use changes are affecting biological systems across the globe. Alpine ecosystems, as a fragile community, are especially threatened. Grasslands from these alpine ecosystems provide environmental services like biodiversity, greenhouse gas capture and food supply for domestic and wild herbivores. Assessing the impact of different grazing intensities and a warming climate on this ecosystem may provide important information to understand, or even to predict, the implications of climatic and land-use changes on alpine ecosystems. Here, our main goal was to assess the impact of grazing, meteorological factors and climate change on the alpine grasslands of the Eastern Pyrenees, Spain. For this purpose, Near Infrared Spectroscopy (NIRS) was assessed as an emissions-free and low-cost predictive method. We firstly combine two approaches at different spatial scales to assess grazing impact (biomass production and nutritional value) on grasslands (study 1). On the meso-scale, results showed that heavily grazed areas with livestock and wild ungulates were more productive than less grazed areas with only wild ungulates. Based on these results, three scenarios of contrasting grazing intensities (null, high and overgrazing) were recreated on the local scale approach, to assess the impact of overgrazing on both summer above-ground biomass production and the nutritional value of plants consumed by Pyrenean Chamois. Our results confirm that grazing intensity exerted significant changes on above-ground biomass production and the protein content of grasses, but had a negligible effect on woody vegetation such as Calluna vulgaris. On the other hand, overgrazing reduced biomass production over the entire growing season but improved the nutritive values of some herbaceous plants such as Festuca sp. The worst scenario considered in production terms was under null grazing pressure, where primary production dropped. We secondly evaluate the potential of NIRS analysis and highlighted the limitations of two methodological approaches (microhistological and NIRS analysis) used in the determination of the diet composition of herbivores (study 2). We found out that NIRS is a suitable technique only for wide taxa groups since it is accurate enough for rough diet composition studies and for long-term monitoring purposes of major plant groups. Nevertheless, NIRS technique would not be sufficient for determining the actual composition of the diet with high precision and/or at a species level. Global climatic and land use changes impact the diet of alpine herbivores and could thus impact the performance of these species. Therefore, it is important to integrate dietary studies when assessing species’ response to global changes. In the present thesis, we have combined information from Pyrenean chamois’ diet quality and local climate to understand the effects of climate change on the diet of this herbivore (study 3). Our results indicated that local climate exerted high positive direct effect on primary production and had indirect effect on Pyrenean chamois’ diet. In such ongoing climate change, temperature is predicted to rise and snow pack is predicted to reduce. Therefore, Pyrenean chamois’ diet is predicted to improve. However, other factors than grassland production, such as the intensity of competition between animals, grassland composition and quality and foraging strategies, may affect chamois diet quality. Further studies would be necessary to assess the effect of these factors on the chamois’ diet quality. Overall, chamois nutrient value and forage availability improve under certain grazing pressure, diet quality increases with warmer temperatures and the chamois diet can be monitored by using NIRS as a cheap, quick and reliable method. However, further studies should be carried out to describe how forage availability trend in a warming climate scenario could affect chamois population dynamics more broadly. These conclusions could be crucial to endorse profitable grazing activities and promote conservation of alpine ecosystems under a global change scenario.