Carbon skins in seagrass meadows: rates, control, vulnerability, and the role of carbonate

Abstract

[spa] Los ecosistemas costeros vegetados (manglares, marismas y praderas de fanerógamas marinas) se encuentran entre los sumideros de carbono más importantes del planeta gracias a una elevada capacidad de absorber y atrapar carbono y enterrarlo en el sedimento a largo plazo. Sin embargo, los ecosistemas de “Carbono Azul”, como se les conoce, se encuentran entre los más amenazados a nivel global y su declive implica la pérdida de todos los servicios ecosistémicos que proveen, incluido el de sumidero de carbono. La protección de estos ecosistemas podría ser considerada como una medida de mitigación del cambio climático dentro de las estrategias ya existentes, dirigidas a promover, mediante incentivos económicos, la conservación de los sumideros naturales de carbono terrestres, como los bosques (ej.: programa REDD+). Sin embargo, el conocimiento sobre la capacidad como sumidero de carbono de los ecosistemas costeros, en especial de las praderas submarinas, era todavía muy limitado cuando esta tesis se planteó. El objetivo de esta tesis es contribuir al conocimiento de los procesos que determinan la capacidad como sumideros de carbono de las praderas submarinas así como la vulnerabilidad de esta función. Se han evaluado distintos aspectos claves, incluyendo la variabilidad espacial y temporal (~ último siglo), el efecto de factores ambientales y de la presión antrópica, la vulnerabilidad de los depósitos a ser remineralizados cuando las praderas se degradan y el papel de las praderas como depósitos de carbonato (CaCO3) así como sus implicaciones en la función de sumidero de carbono. En base al estudio del sedimento de praderas de Posidonia oceanica de las Islas Baleares, esta tesis identifica importantes diferencias en los depósitos y tasas de enterramiento de carbono orgánico (Corg) en el sedimento que se explican mejor por el distinto nivel de presión antrópica que por los factores ambientales considerados (profundidad de las praderas y exposición al oleaje). Una alta presión antrópica ha dado lugar a mayores tasas de enterramiento tanto espacial como temporalmente, como muestra su incremento hacia el presente coincidiendo con el aumento de la presión antrópica en la región en los 60’s asociado con el desarrollo del turismo; y también a una mayor contribución de carbono derivado de seston. Estos resultados apuntan al incremento en la eutrofización del agua, derivado de la incidencia humana, como la explicación más parsimoniosa a las tendencias que se observan, indicando que la presión antrópica es un factor determinante en los sumidero de carbono de las praderas submarinas. La vulnerabilidad de los depósitos de Corg a ser remineralizados y emitidos en forma de CO2 queda demostrada, por primera vez, en esta tesis. El riesgo a ser remineralizados depende de características biogeoquímicas, siendo mayor en sedimentos ricos en nitrógeno y en materia orgánica de origen sestónico y menor cuanto mayor es la concentración de carbonato en el sedimento. Por tanto, un enriquecimiento del sedimento de las praderas con aportes sestónicos, posiblemente favorecido por un incremento en la presión antrópica, como el observado en las Islas Baleares, da lugar a un debilitamiento de los sumideros de carbono que se vuelven más vulnerables a ser remineralizados. Esta tesis también demuestra que los sedimentos de las praderas submarinas son un importante reservorio de carbonato a escala global y que, aunque su precipitación da lugar a la emisión de CO2, el CaCO3 inhibe la remineralización de la materia orgánica e incrementa la eficiencia en el enterramiento de Corg en el sedimento de las praderas. Por tanto, la investigación presentada en esta tesis contribuye significativamente al conocimiento sobre el papel de las praderas submarinas como sumideros de carbono, evaluando diferentes aspectos que, hasta la fecha, habían sido poco o nada explorados.

[eng] Coastal vegetated ecosystems (i.e. mangroves, saltmarshes and seagrasses) have been recognized as being among the most significant natural carbon sinks on Earth due to a high capacity of absorbing and trapping carbon that gets buried and stored in the sediment compartment for a long-term. Yet “Blue Carbon” ecosystems, as they are usually referred to, rank among the most threatened globally and their decline implies the loss of all the ecosystem services they provide including that of carbon sink. Hence, the protection of these ecosystems has been proposed as a suitable way to mitigate climate change to be considered within the current, or similar, strategies addressed to enhance the protection of terrestrial carbon sinks (i.e. forests) through economic incentives (i.e. REDD+ programs). However, the knowledge on the carbon sink capacity of these ecosystems, especially seagrass meadows, was very weak at the time this thesis was planned and certain gaps of knowledge needed to be urgently addressed. This thesis was planned with the aim to contribute to the understanding of the processes that govern the carbon sink capacity in seagrass meadows and its vulnerability. Different key questions were examined including the spatial and temporal (~last century) variability in the sediment organic carbon (Corg) sinks (stocks and burial rates), the effect of environmental factors and human pressure, the vulnerability of the Corg deposits to be remineralized when seagrass meadows are lost, and the role seagrass meadows play as carbonate (i.e. CaCO3) sedimentary reservoirs as well as the implications of carbonate in seagrass meadows efficiency as carbon sinks. Based on Posidonia oceanica meadows around the Balearic Islands, this thesis identifies significant differences in the sediment Corg stocks and burial rates among meadows that could be better explained by the level of human pressure than by the environmental factors considered (water depth and wave exposure). High human pressure surprisingly led to higher Corg burial rates both spatially and temporally, as the rate of Corg burial increased towards the present, coinciding with the increase in anthropogenic pressure in the region of study that took place around the 60’s (following tourism industry development), and led to a higher contribution of seston derived organic carbon to the sediment deposits. The enhanced eutrophication of coastal waters derived from an increasing human pressure is suggested as the most parsimonious explanation to the trends observed, indicating that anthropogenic pressure is a relevant factor conditioning the carbon sink capacity in seagrass meadows. The vulnerability of seagrass Corg deposits to remineralization and to be lost as CO2 is proved, for the first time, in this thesis. The risk of remineralization is however variable and depends on sediment biogeochemical characteristics, being enhanced in sediments rich in nitrogen and sestonic organic matter and prevented as sediment carbonate content increases. Therefore, an enrichment of seagrass sediments with sestonic inputs enhanced by the increase in anthropogenic pressure, as the observed in the Balearic Islands, leads to a “weakening” of the sedimentary carbon sinks since they become more vulnerable to remineralization. This thesis also demonstrates that seagrass sediments are a globally significant CaCO3 reservoir and that, despite the precipitation of carbonate leading to CO2 emissions, sedimentary carbonate prevents organic matter remineralization and enhances Corg burial efficiency in seagrass sediments. Hence, the research presented in this dissertation significantly contributes to the knowledge on the role seagrass meadows play as carbon sinks by examining different aspects that, until now, had been largely unexplored or not considered.

[cat] Els ecosistemes costaners vegetats (manglars, maresmes i praderies de fanerògames marines) es troben entre els embornals de carboni més importants del planeta gràcies a una elevada capacitat d'absorbir i atrapar carboni, i d’enterrar-lo en el sediment a llarg termini. No obstant, els ecosistemes de "Carboni Blau", com se'ls coneix, es troben entre els més amenaçats a nivell global i el seu declivi implica la pèrdua de tots els serveis ecosistèmics que proveeixen, inclòs el d'embornal de carboni. La protecció d'aquests ecosistemes podria ser considerada com una mesura de mitigació del canvi climàtic dins de les estratègies ja existents, dirigides a promoure, mitjançant incentius econòmics, la conservació dels embornals naturals de carboni terrestres (per exemple, boscos) (programa REDD+). No obstant, el coneixement sobre la capacitat com a embornal de carboni dels ecosistemes costaners, especialment de les praderies submarines, era encara molt limitat quan aquesta tesi es va plantejar. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir al coneixement dels processos que determinen la capacitat de les praderies submarines com a embornals de carboni, així com la vulnerabilitat d'aquesta funció. S'han avaluat diferents aspectes claus, incloent la variabilitat espacial i temporal (~ últim segle), l'efecte de factors ambientals i de la pressió antròpica, la vulnerabilitat dels dipòsits a ser remineralitzats quan les praderies es degraden i el paper de les praderies com dipòsits de carbonat (CaCO3), així com les seves implicacions en la funció d'embornal de carboni. En base a l'estudi del sediment de praderies de Posidonia oceanica de les Illes Balears, aquesta tesi identifica importants diferències en els dipòsits i taxes d'enterrament de carboni orgànic (Corg) en el sediment, les quals s'expliquen millor pel diferent nivell de pressió antròpica que per els factors ambientals considerats (profunditat de les praderies i exposició a l'onatge). Una alta pressió antròpica ha donat lloc a majors taxes d'enterrament tant espacial com temporalment; com a mostra, el seu increment cap al present coincidint amb l'augment de la pressió antròpica a la regió en els anys 60 associat amb el desenvolupament del turisme, i també a una major contribució de carboni derivat de sèston. Aquests resultats apunten a l'increment en l'eutrofització de l'aigua, derivada de la pressió antròpica, com l'explicació més parsimoniosa a les tendències que s'observen, indicant que la pressió antròpica és un factor determinant en els embornal de carboni de les praderies submarines. La vulnerabilitat dels dipòsits de Corg a ser remineralitzats i emesos en forma de CO2 queda demostrada, per primera vegada, en aquesta tesi. El risc a ser remineralitzats depèn de característiques biogeoquímiques, sent major en sediments rics en nitrogen i en matèria orgànica d'origen sestònic i menor com més gran és la concentració de carbonat en el sediment. Per tant, un enriquiment del sediment de les praderies amb aportacions sestòniques, possiblement afavorit per un increment en la pressió antròpica, com l'observat a les Illes Balears, dóna lloc a un debilitament dels embornals de carboni que es tornen més vulnerables a ser remineralitzats. Aquesta tesi també demostra que els sediments de les praderies submarines són un important reservori de carbonat a escala global i que, encara que la seva precipitació dóna lloc a l'emissió de CO2, el CaCO3 inhibeix la remineralització de la matèria orgànica i incrementa l'eficiència en l'enterrament de Corg en el sediment de les praderies. Per tant, la investigació presentada en aquesta tesi contribueix significativament al coneixement sobre el paper de les praderies submarines com a embornals de carboni, avaluant diferents aspectes que, fins ara, havien estat poc o gens explorats.