Assessment of water ecosystem services and alternative scenarios to climate change and human impact in neotropical mountains

Abstract

(English) Water ecosystem services (ESw) are related to aquatic ecosystems and to the interaction with water and land in different ecosystems such as forests, agricultural lands, riparian areas, wetlands and water bodies. ESw play a central role in human well-being and water management at different scales. Some of these services include the provision of drinking water, irrigation water, fishing, recreation and flood mitigation. However, different drivers of change, such as land-cover degradation and climate change, affect the ability of forests to provide ESw, resulting in water insecurity.

This Ph.D. thesis explores the forest-water nexus and provides an overview of the water management related to potential hydrological impacts of land-use and land-cover changes and climate change in two neotropical mountain watersheds in Latin America: Río Grande de Comitán-Lagos de Montebello (RGC-LM) watershed, Chiapas, México, and Las Piedras river (LPR) watershed, Cauca, Colombia. Although ESw related to cloud forest and páramos are of vital importance for their socio-ecological functioning, both study areas face water-related challenges because of different pressures, such as climate change, land-use and land cover (LULC) change, deforestation, and accelerated urban, agricultural, grazing and touristic growth. Therefore, a combination of methods recommended by the Toolkit for Ecosystem Service Site-based Assessment (TESSA), as well as scenario modelling based on an ecological index of riparian quality, were used to assess how alternative scenarios of reforestation or deforestation and climate change scenarios can affect water provision and water quality at different scales.

Considering the socio-ecological context, a total four scenarios were modelled on each study area: two of the modelling scenarios included the implementation of land-use policies that aimed at mitigating the likely consequences of land conversion to cropland or cattle grazing. In contrast, the two opposite scenarios represented increased deforestation, forest fragmentation and degradation of riparian vegetation. Hydrological modelling and the impacts of change were assessed annually using WaterWorld modelling tool. In the case of the RGC-LM watershed, the results were statistically compared at watershed and subwatershed scale, whereas in LPR watershed, climate change scenarios were included, and three zones were delimited according to altitude differences.

The results in both watersheds indicate that water quality is positively related to forest cover. The effects of terrain, climate and forest-cover conditions on fog inputs and actual evapotranspiration were relevant to increase or decrease water yield under all scenarios. However, deteriorated water quality and decreased water quantity are not only related to climate change, degradation and reduction of forest and riparian vegetation, but also to inadequate water management in the study areas. Therefore, an effective improvement of ESw in the long-term would require management policies that consider forest-based solutions at different scales, sustainable productive practices, equitable local agreements and efficient distribution networks for water resources.

(Español) Los servicios ecosistémicos hidrológicos (SEH), relacionados con los ecosistemas acuáticos y sus zonas de transición con otros ecosistemas terrestres, tienen un rol fundamental para el bienestar humano y el manejo integral del agua a diferentes escalas. Algunos de estos servicios incluyen la provisión y calidad de agua destinada a diferentes usos relacionados con el consumo humano, la irrigación, la pesca, la recreación, el turismo, entre otros. No obstante, los cambios de uso de suelo y la variabilidad climática relacionada con el cambio climático, han modificado la capacidad de los bosques para la provisión de SEH a nivel global.

La provisión y regulación de los SEH relacionados con los ecosistemas de montaña en la cuenca del Río Grande de Comitán-Lagos de Montebello (RGC-LM), Chiapas, México, y la cuenca del río Las Piedras, Cauca, Colombia (ubicadas en la región neotropical), enfrentan diferentes presiones relacionadas con el cambio climático, el cambio de uso de suelo y vegetación, la deforestación y un acelerado crecimiento urbano, turístico, agrícola y ganadero. Considerando lo anterior, en esta tesis doctoral se analizó el nexo “bosque-agua” con base combinación de métodos recomendados por el Toolkit for Ecosystem Services Site-based Assessment (TESSA), incluyendo la modelación de escenarios basados en un índice de evaluación de la calidad ecológica de la vegetación riparia, con el objetivo de analizar cómo la reforestación o deforestación, incluyendo algunos escenarios de cambio climático, pueden afectar suministro y la calidad del agua a diferentes escalas.

El análisis de los impactos sobre los SEH, se llevó a cabo con base en la modelación de cuatro escenarios de cambio de uso de suelo y vegetación, que consideraron el contexto socio-ecológico en cada una de las cuencas. Dos escenarios estuvieron enfocados a mitigar las posibles consecuencias derivadas del crecimiento agrícola y las actividades de pastoreo. Por el contrario, los otros dos escenarios representaron un incremento en la deforestación y la degradación de la vegetación riparia. La modelación hidrológica y los impactos del cambio se evaluaron anualmente utilizando WaterWorld. En el caso de la cuenca RGC-LM, los resultados se compararon estadísticamente a escala de cuenca y subcuenca, mientras que en la cuenca de río Las Piedras, se incluyeron escenarios de cambio climático y se delimitaron tres zonas de acuerdo con las diferencias altitudinales.

Los resultados en ambas cuencas indican que la calidad del agua está relacionada positivamente con la cubierta forestal. Los efectos de las condiciones del terreno, el clima y la cobertura forestal sobre la cantidad de niebla interceptada por los bosques y la evapotranspiración real fueron relevantes para aumentar o disminuir la cantidad de agua en todos los escenarios. Sin embargo, el deterioro de los SEH no solo se relaciona con el cambio climático, la deforestación de los bosques o la degradación vegetación riparia (incluyendo los ecosistemas de montaña), sino también con un manejo inadecuado de los recursos hídricos en las áreas de estudio. Por lo tanto, el mejoramiento en la provisión y regulación de los SEH a largo plazo requerirá políticas de manejo que consideren soluciones basadas en bosques a diferentes escalas, prácticas productivas sostenibles, acuerdos locales equitativos y redes de distribución de agua eficiente.