Groundwater ecosystem services & agriculture: an ecological approach towards the sustainable use of groundwater resources

Article by Anna Sundberg, former researcher at the IMDEA Water Institute

irrigation

Groundwater ecosystem services from groundwater organisms. Groundwater holds unique properties as it provides water of sufficient quality for drinking, to a high extent due to the ecosystem services provided by the groundwater organisms. The ecosystem services provided by organisms are for example purification of water by removal of contaminants, pathogens and virus whereas aquifers functions as water storage and contribute to base flow for rivers and wetlands 5. Groundwater also plays a significant part in the cycling of carbon and other nutrients, which is influenced by the regional climate.

A part of the water purification process is due to physiochemical processes of the soil and the geological formations, but the largest part is due to the complex connections of ecological community in the aquifers. Groundwater ecosystems are relying on energy from the surface, and are thereby allochthonous, because the lack of sunlight prohibits photosynthesis, and the capability of producing energy. Microbial functions performed by bacteria are breakdown of several contaminants infiltrating into the groundwater from the surface. The groundwater microbial community lives mainly in biofilm covering the surface of soil particles and, constitutes an important food source for larger invertebrates organisms, specially crustaceans, that forms the stygofauna6. These organisms live their whole life in groundwater, and are thereby also an important trophic link in subterranean ecosystems. Adversely, larger organisms support the microbial community by burrowing and turning the sediment and thus enhancing water flow in the aquifers, which further provides oxygen and available nutrients for the microbes. Furthermore, the grazing of stygofauna also provides available surface on the soil particles and provide a space and a food source of the microbes7. Thus the groundwater fauna together with the microbes create an ecosystem that provide important functions for water purification water and makes the water suitable for human usage. It is therefore very important to develop sustainable management strategies as to not damage the groundwater fauna and their habitat in order to maintain and provide sustainable water resources for the future.

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Examples of groundwater crustacean species

Major factors influencing the groundwater ecosystem Groundwater ecosystems are viewed as a very stable environment with few environmental fluctuations due to the slow response to changes on the surface, however there are several factors affecting the groundwater8. The geological history plays a significant role in the shaping the groundwater communities, as it constitutes the soil and the bedrock, which in turn highly determine the chemical properties of the water but also the depth of the aquifer. The soil composition plays an important role in determining which species at what location and at what time, as the species live in the voids, spaces in between grains. The pore size in turn affects the flow of water within the aquifer that further alters the oxygen and organic content input from the surface which is transported with the water flow underground9.

Potential implications of agriculture on groundwater ecosystems In the Mediterranean area, a large part of the available groundwater resources are used in agriculture, mainly for irrigation during summer. The aquifers are recharged during the rainy seasons in spring and autumn10. Agriculture has a wide range of impacts for the groundwater ecosystem communities; one of the most investigated is the water contamination due to intensive use of fertilizers and pesticides. Fertilizers are used for enhancing the growth of the crops while pesticides and insecticides are used to eliminate pathogens or insects that might attack the crop and thereby minimize the yield. These substances are later percolated down in the groundwater or during the artificially aquifer recharge by irrigation. In high concentrations these compounds might be toxic to organisms or in lower concentrations might case impact on the life history of the organisms by for example affecting the reproduction or feeding behaviors which in turn have negative effects on the survival of the populations and their resilience and resistance11.

Irrigation is important for effective agriculture, as water in many cases is the limiting factor for growth in warmer climates regions. In Spain, 75 % of the abstracted groundwater is used in agriculture, which means that the impact on the groundwater ecosystems in the region is severe. During irrigation a large amount of water are pumped from the aquifer during a relatively short time frame resulting in large quantities of water removals and high fluctuations of the water table in the aquifer. Some organisms will probably be pumped up immediately, but due to the change and rapid fluctuations in water level some organisms might also be stranded in the voids, if they cannot move fast enough to avoid the disturbance12. Even if not all species disappear it might case major disturbances for the whole community, it also has a negative impact on the ability of the populations and lately of the whole ecosystem to recover from disturbances. There is evidence that with water level fluctuations the groundwater habitats suffer from a long term disruption resulting in species loss due to loss of habitat, both for the microbial community and the stygofauna, which means that they cannot carry out their functions of water purification11. Consequently the intensive usage of water in agriculture or for drinking and sanitation is compromised both on short and mid-term time frames.

IMDEA Agua is involved in a number of projects among to secure the groundwater resources for the future and to apply the groundwater ecological assessments in aquifers management. Groundwater Ecology group is investigating the groundwater biotic community’s ecological properties to gain more knowledge in the ecosystem services they provide for groundwater and/or groundwater dependent ecosystems (i.e. hyporheic zone of rivers, wetlands). Within the Smart-Hydro project (RTC-2014-2367-5) the IMDEA Agua Groundwater Ecology group is developing management practices to help farmers to achieve an optimized use of aquifers but also to safeguard the equilibrium among the water use, mainly abstraction for irrigation, and environmental stability for the groundwater biota while securing groundwater resources for the future. We specifically aim to assess the ecosystem services provided by the groundwater invertebrate communities, mainly crustaceans, to detect the impacts of overexploitation and artificial alluvial aquifer recharge on the groundwater ecosystem integrity.

References 

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3 Changming, L., Jingjie, Y. & Kendy, E. Groundwater Exploitation and Its Impact on the Environment in the North China Plain. Water International 26, 265-272, doi:10.1080/02508060108686913 (2001).

4 Kløve, B. et al. Climate change impacts on groundwater and dependent ecosystems. Journal of Hydrology 518, 250-266, doi:10.1016/j.jhydrol.2013.06.037 (2014).

5 Schmidt, S. I. & Hahn, H. J. What is groundwater and what does this mean to fauna? – An opinion.Limnologica – Ecology and Management of Inland Waters 42, 1-6, doi:10.1016/j.limno.2011.08.002 (2012).

6 Hancock, P. J., Boulton, A. J. & Humphreys, W. F. Aquifers and hyporheic zones: Towards an ecological understanding of groundwater. Hydrogeology Journal 13, 98-111, doi:10.1007/s10040-004-0421-6 (2005).

7 Boulton, A. J., Fenwick, G. D., Hancock, P. J. & Harvey, M. S. Biodiversity, functional roles and ecosystem services of groundwater invertebrates. Invertebr Syst 22, 103-116, doi:10.1071/Is07024 (2008).

8 Korbel, K. L. & Hose, G. C. Habitat, water quality, seasonality, or site? Identifying environmental correlates of the distribution of groundwater biota. Freshwater Science 34, 329-343, doi:10.1086/680038 (2015).

9 Dole-Olivier, M.-J., Malard, F., Martin, D., LefÉBure, T. & Gibert, J. Relationships between environmental variables and groundwater biodiversity at the regional scale. Freshwater Biology 54, 797-813, doi:10.1111/j.1365-2427.2009.02184.x (2009).

10 Molina, J. L. et al. Aquifers Overexploitation in SE Spain: A Proposal for the Integrated Analysis of Water Management. Water Resources Management 23, 2737-2760, doi:10.1007/s11269-009-9406-5 (2009).

11 Di Lorenzo, T. & Galassi, D. M. P. Agricultural impact on Mediterranean alluvial aquifers: do groundwater communities respond? Fundamental and Applied Limnology / Archiv für Hydrobiologie 182, 271-282, doi:10.1127/1863-9135/2013/0398 (2013).

12 Stumpp, C. & Hose, G. C. The impact of water table drawdown and drying on subterranean aquatic fauna in in-vitro experiments. PLoS One 8, e78502, doi:10.1371/journal.pone.0078502 (2013).

La zona hiporreica en la región mediterránea (Península Ibérica): importancia ecológica y su integración en la gestión hídrica

http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/2016/10/10/132822#more-132822

Rubén Rasines Ladero, IMDEA-Agua, Grupo de Ecología de las Aguas Subterráneas 

Las regiones mediterráneas, entre las que se encuentra gran parte del territorio de la península ibérica (Figura 1a), se caracterizan por una marcada diferenciación entre las estaciones de invierno (periodo húmedo y frío) y verano (periodo seco y cálido). Debido a estas variaciones, la mayor parte de los cursos fluviales de la península ibérica presentan caudales elevados en otoño, asociados a fenómenos de avenida; y cauces con caudales bajos (incluso secos) durante el periodo estival (sequía) [1]. Además, estas regiones se caracterizan por soportar una intensa actividad antrópica que genera diferentes impactos y que condiciona, no solo las características ambientales de los ecosistemas acuáticos superficiales (fenómenos de contaminación, eutrofización, variaciones en caudales), sino también  la de los ecosistemas acuáticos con los que éstos se relacionan [2]. Entre éstos ambientes, destaca la zona hiporreica o ecotono hiporreico (Figura 1b).

La zona hiporreica, entendida como un hábitat para la fauna, fue descrita por primera vez por Pierre-Alfred Chappuis hace 50 años, tras haber realizado muestreos muy intensos en los sedimentos de los ríos de las Montañas Apuseni (noroeste de Rumania) [1]. Chappuis describió este nuevo hábitat acuático como “una corriente de agua subsuperficial por debajo del cauce del río” basándose, sobre todo, en las observaciones respecto a las variaciones que presentaba la fauna acuática presente en estos ambientes [1]. No obstante, este ambiente fue descrito y estudiado en profundidad por el investigador rumano Traian Orghidan. Sus investigaciones supusieron el punto de partida para numerosos investigadores, quienes, a lo largo de los años, han continuado y contribuido al progreso respecto a la comprensión del papel funcional de este compartimento situado en la interfase entre las aguas superficiales y subterráneas [2].

Hoy la zona hiporréica se define como una zona de transición (ecotono) localizada en los sedimentos del lecho de los ríos en la que convergen y se producen intercambios entre las aguas de origen superficial y subterráneo [2]. Su estudio ha evolucionado a lo largo de los años, apareciendo definiciones con un enfoque más hidrológico o hidroquímico; y, a partir de los años 90, más ecológico. No obstante, y a pesar de las diferentes definiciones realizadas, todas ellas ponen de manifiesto la importancia de este ecotono respecto al mantenimiento de la funcionalidad e integridad de los ecosistemas acuáticos con los que se relaciona (ríos, humedales) debido a que este ecotono es el soporte en el que se producen los intercambios de agua, energía, nutrientes y organismos entre el ambiente acuático superficial (río) y el subterráneo (acuífero) [3].

Figura 1. a) Mapa de distribución de las áreas con clima mediterráneo (imagen de dominio público); b) Esquema de la zona hiporreica mostrando la dinámica de flujos de agua que soporta (Fuente:Sandoval Montes, Ismael del Carmen y Rodríguez Rocha, José. 2012. “Evidencias de interacción entre aguas superficiales y subterráneas a través de las zonas hiporreicas mediante el uso de la hidroquímica y el análisis multivariado en el acuífero de Cuajinicuilapa, Guerrero, México“. International Journal of statistics and geography. 3(2): 116-129).

En la región mediterránea, debido a que las condiciones ambientales (temperatura, precipitación, caudales, etc.) son más variables, y las presiones antrópicas presentan una intensidad creciente, las funciones y servicios ambientales generados en la zona hiporreica adquieren una gran relevancia, especialmente ante los fenómenos de avenida y/o sequía, así como ante variaciones de caudal producidos por sobre-explotación de agua para el riego y/o embalsamientos de agua en los cauces, que provocan una modificación en las interacciones entre el ambiente acuático superficial y subterráneo (Figura 2). En este sentido, las características más relevantes del ambiente hiporreico en las regiones mediterráneas responden a: i) su capacidad de actuar como filtro ante la introducción de sustancias tóxicas hacia el medio subterráneo (acuíferos); ii) su capacidad de servir como refugio para la fauna, especialmente cuando las condiciones en el ambiente superficial y/o subterráneo no son adecuadas para permitir el establecimiento y/o el mantenimiento de sus poblaciones [4]. Además, también aparecen otras características inherentes al propio ecotono hiporreico mediterráneo, como son: iii) su capacidad de albergar una gran diversidad de organismos (la región Mediterránea está considerada como uno de los 25 puntos calientes de biodiversidad global) [5]. La región mediterránea es una de las más vulnerables ante los fenómenos asociados al cambio climático, de modo que las capacidades del ecotono hiporreico de actuar como zona de refugio para la fauna bentónica, zona de recolonización del ambiente superficial y/o subterráneo, filtro ante contaminación y/o como reservorio de nutrientes, podrían verse comprometidos en un futuro [3,6].Figura 2. Diferente situaciones indicando conexión entre un río y un acuífero a través de la zona hiporreica: a) río que recarga a un sistema acuífero; b) río que infiltra agua a un sistema acuífero desconectado a través de la zona hiporreica (zona de descarga); c) río que recibe aporte de aguas subterráneas (zona de recarga/surgencia). (Fuente: Arumí, J.L.; Rivera, Diego; Muñoz, Enrique; y Billib, M. 2012. “Interacciones entre el agua superficial y subterránea en la región del Bío Bío de Chile“. Obras y proyectos. 12: 4-13).

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Figura 3. Diferente situaciones indicando conexión entre un río y un acuífero a través de la zona hiporreica: a) río que recarga a un sistema acuífero; b) río que infiltra agua a un sistema acuífero desconectado a través de la zona hiporreica (zona de descarga); c) río que recibe aporte de aguas subterráneas (zona de recarga/surgencia).

(Fuente: Arumí, J.L.; Rivera, Diego; Muñoz, Enrique; y Billib, M. 2012. “Interacciones entre el agua superficial y subterránea en la región del Bío Bío de Chile“. Obras y proyectos. 12: 4-13).

En España, los estudios respecto a la zona hiporreica son escasos. Los primeros datan del año 1978 y se centraron en la descripción de la fauna presente en ríos de la zona del Levante (sureste de España) [7]. Los estudios siguientes se centraron en la caracterización respecto a la dinámica de nutrientes y su importancia como almacenamiento transitorio; mientras que, en los últimos años, también se ha considerado la inclusión de este ecotono en los procesos de restauración fluvial [8]. No obstante, en España, el principal impulso respecto al conocimiento del ambiente hiporreico y su fauna, se ha producido recientemente, sobre todo a partir de estudios realizados en ríos de la Comunidad de Madrid, y de la Comunidad Valenciana. Estos estudios están encaminados a realizar una caracterización de las condiciones ambientales (hidroquímicas, geológicas, estructura de los sedimentos que conforman el lecho fluvial, etc.) y su relación con las comunidades faunísticas que aparecen en él[9,10,11]. A pesar de que en los últimos años se ha producido un incremento respecto al conocimiento de las características, funciones, dinámicas, fauna y servicios ambientales presentes o generados en el ambiente hiporreico, tanto a nivel nacional como global, existen aún ciertos aspectos en los que se requiere seguir investigando [12,13]. Entre estos aspectos se encuentran: i) la determinación de la importancia de los procesos físicos respecto a la funcionalidad del ecotono hiporreico; ii) el papel de los organismos invertebrados y de las comunidades microbianas en los procesos hiporreicos; iii) la importancia de la zona hiporreica y su biota en el metabolismo global del ecosistema fluvial; iv) la contribución de la fauna hiporréica en la degradación de distintos contaminantes; y v) la necesidad de permitir una mayor accesibilidad a los resultados científicos que permitan el desarrollo de legislación y medidas para el manejo, la protección y la restauración de este ecotono [14].

Pese al conocimiento sobre el ambiente hiporreico, y la vulnerabilidad que éste tiene ante fenómenos de contaminación, variabilidad climática, etc., en la actualidad no se contempla su protección desde un punto de vista legislativo (ni global, ni europeo, ni nacional), ni se integra dentro de la legislación vigente referente a otros ecosistemas acuáticos como los superficiales y/o subterráneos. Por este motivo, y a pesar de la aprobación de la Directiva Marco del Agua (2000/60/CE), en la que se ha establecido un marco legal respecto a la caracterización y protección de las aguas superficiales, incluyendo aspectos relacionados con las aguas subterráneas, aún es necesario implementar e incluir otros elementos, como el ecotono hiporreico, para conseguir una caracterización, protección y gestión integrada de todos los elementos que conforman los ecosistemas acuáticos continentales.

Desde el instituto IMDEA-Agua, el grupo de Ecología de Aguas Subterráneas, dirigido por la Dra. Iepure, se están llevando a cabo las investigaciones necesarias para caracterizar el ambiente hiporreico asociado a diferentes ríos de la Comunidad de Madrid (cuenca del Jarama) desde un punto de vista ecológico (función y procesos ecosistémicos, servicios ambientales, etc.) y, sobre todo, faunístico (centrando sus investigaciones en el grupo de los microcrustáceos: ostrácodos y copépodos). Para ello utilizan, entre otras técnicas, métodos no invasivos basados en técnicas geofísicas como la tomografía de resistividad eléctrica (ERT, según sus siglas en ingles) que permiten caracterizar la estructura interna de los sedimentos que conforman el ecotono hiporreico, así como determinar su tamaño y el grado de conectividad con el río, e incluso con el acuífero aluvial en la vertical y en la horizontal. Estas investigaciones podrían suponer, no solo una mejora en la comprensión de todos los aspectos relacionados con la zona hiporreica desarrollada en ambientes mediterráneos, sino el establecimiento de una base científica que permita el desarrollo de una legislación que integre todos los componentes asociados a los ecosistemas acuáticos continentales (superficiales – hiporreico – subterráneos).(Más información en:http://www.agua.imdea.org/investigacion/proyectos-de-investigacion/ecologia-aguas-subterraneas).

Figura 3. De izquierda a derecha: transecto seleccionado para la realización del perfil eléctrico mediante la técnica de tomografía de resistividad eléctrica (ERT); instalación de los electrodos en el lecho del río para la medición de la resistividad eléctrica y determinación del tamaño del ecotono hiporreico en un punto del río Henares; organismo (copépodo: ciclopoide) encontrado en el ambiente hiporreico; organismo (ostrácodo) identificado en el ambiente hiporreico.

Bibliografía

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