Instrucciones para realizar el ejercicio denominado "el efecto de la escala espacial en el significado del concepto de diversidad biológica en una comunidad"

• Versión: 2022-2023

• Asignatura (grado): Ecología (CCAA)

• Autor: Curro Bonet-García (fjbonet@uco.es)

Objetivos

Esta actividad tiene como finalidad última la aplicación del concepto de diversidad (a través del índice de Shannon) a una escala espacial diferente a la que vimos en la práctica correspondiente. Desde un punto de vista docente este tipo de ejercicios son muy útiles porque nos permiten entrenar habilidades cognitivas superiores (trasferir conocimiento de un ámbito a otro, investigar, reflexionar, tomar conciencia del avance en el razonamiento, etc.). Como siempre, los objetivos concretos son de dos tipos:

• Disciplinares (tienen que ver con la ecología): Se muestran a continuación en orden de complejidad creciente:

  • Fijar los conceptos de diversidad (índice de Shannon) y riqueza (número de especies).

  • Reflexionar sobre los patrones de distribución espaciales de la diversidad en un territorio concreto (Andalucía).

  • Afianzar la conexión entre la identificación del patrón espacial (ej. hay más diversidad al oeste) y las causas que explican dicho patrón (ej. esto se debe a que hacia el oeste llueve más).

  • Comprender que el concepto de diversidad tiene significados diferentes dependiendo de su escala espacial de aplicación.

  • Descubrir un "nuevo" tipo de diversidad a partir de la observación de patrones de aplicación del índice de Shannon a dos escalas: escala de "comunidad pequeña" (polígonos mapa de vegetación) y a escala de "paisaje" (espacios protegidos de Andalucía)

• Instrumentales (tienen que ver con el manejo de herramientas de uso común):

  • Entrenar la capacidad de reflexión ante un problema nuevo partiendo de información incompleta.

  • Poner en práctica lo ya aprendido sobre búsqueda de bibliografía científica.

  • Mejorar las habilidades de redacción en un contexto con incertidumbre.

Antes de detallar en qué consiste el ejercicio, lee el siguiente apartado en el que se describe el contexto ecológico planteado.

Contextualización ecológica

Como sabemos, la cantidad de especies que hay en una comunidad ecológica es importante para entender muchas características estructurales y funcionales de los ecosistemas. En concreto hay dos descriptores importantes en una comunidad ecológica: riqueza de especies y diversidad. La riqueza de especies es fácil de entender: es la cantidad de especies que hay en una comunidad dada. Es un descriptor importante, pero tiene varios problemas para ser usado de manera estándar. Uno de ellos es que depende del esfuerzo de muestreo de especies. Es posible que lugares con muchas especies den valores bajos en este parámetro si no han sido suficientemente muestreados. Para minimizar este problema se usan otros indicadores de diversidad. En nuestro caso trabajamos con el índice de Shannon, que tiene en cuenta tanto el número de especies como su abundancia relativa.

La diversidad biológica se distribuye por la Tierra según una serie de patrones espaciales que vimos en la sesión teórica sobre diversidad (aquí el guión). Dichos patrones ponen de manifiesto cómo se comporta la diversidad frente a ciertos factores ambientales. Por ejemplo:

• Hay un patrón de distribución de la diversidad en función de la latitud. En el Ecuador hay más diversidad que en los polos.

• Heterogeneidad ambiental. Se ha comprobado que los lugares más heterogéneos desde un punto de vista ambiental (más cambios en las condiciones climáticas, por ejemplo), albergan más diversidad.

• Dureza ambiental. En multitud de ocasiones se ha comprobado que los lugares sometidos a más perturbaciones o más fuentes de estrés, tienen menos diversidad biológica.

Este artículo describe con detalle estos patrones y algunos más. El foco de esta actividad es que, si bien los factores anteriores explican la distribución de la diversidad, lo hacen de forma distinta dependiendo de la escala espacial a la que "observamos".

Planteamiento del problema

En el curso 2019-2020, al terminar la práctica sobre el mapa de biodiversidad, una estudiante (Belén) me hizo la siguiente pregunta: "Con esto que hemos visto podemos obtener un mapa del índice de Shannon de cada comunidad de Sierra Nevada. Pero, ¿cómo se calcularía el índice de Shannon de todo el espacio protegido?, ¿se calcularía haciendo el promedio de todos los puntos o habría que calcular desde el principio el índice de Shannon considerando que todos los puntos pertenecieran a la misma comunidad?" No supe contestar en ese momento, pero me comprometí a darle una respuesta más tarde.

Me puse a trabajar y calculé el índice de Shannon para toda Sierra Nevada (a este índice le llamaremos "Shannon a escala de paisaje"), así como el valor promedio del índice de Shannon de todas las comunidades del espacio protegido ("Shannon a escala de comunidad"). Como sospechaba, los valores eran diferentes. Aunque imaginé que había algo "escondido" potencialmente interesante, no supe qué era hasta que repetí el proceso con todos los espacios protegidos de Andalucía:

Primero descargué de GBIF todos los datos de presencia de especies de Andalucía. Esto supone trabajar con una base de datos de 11.448.644 registros. Abajo puedes ver la densidad de puntos de presencia de especies según GBIF en nuestra región.

A partir de estos datos obtuve dos mapas de distribución del índice de Shannon. En cada uno de ellos la referencia espacial era diferente:

Mapa de diversidad a escala de comunidad

Consideré que el tamaño medio de una comunidad ecológica en Andalucía eran unos 250 m. Dividí todo el territorio en cuadrículas de ese tamaño y apliqué el script (programa) de R que vimos en la práctica. La siguiente imagen muestra la malla anterior y los puntos de presencia de especies.

El resultado (tras dos días de procesamiento) se puede ver en la imagen de abajo. Y aquí puedes descargar la capa en formato raster (para que ocupe menos espacio)

Mapa de diversidad a escala de paisaje

También apliqué el script de R anterior a la red de espacios protegidos de Andalucía. Es decir, calculé la diversidad de cada espacio protegido: diversidad a escala de paisaje. En este caso cada espacio protegido recibe un único valor del índice de Shannon. Se calcula computando las abundancias relativas de todas las especies presentes en ese espacio protegido. Es como si consideráramos que cada espacio protegido es una única comunidad. Sabemos que no lo es en realidad, pero también sabemos que los organismos que viven en un espacio protegido comparten más relaciones e intercambios genéticos que los que viven en dos territorios alejados. Así que el símil no es tan descabellado.

A continuación puedes ver el resultado. También puedes descargarlo aquí en formato raster:

Los mapas anteriores muestran diferentes patrones en la distribución espacial de la diversidad. Ahí van algunos ejemplos:

• Fíjate, por ejemplo, en los espacios de Sierra Morena (parte norte de Andalucía. Zona etiquetada como A en el mapa anterior). En esos espacios hay alta diversidad (tonos azules) a escala de comunidad, pero baja a escala de paisaje (tonos anaranjados y rojos).

• Otro buen ejemplo de esta discrepancia entre el significado de la diversidad a las dos escalas consideradas es el Parque Natural de Cabo de Gata (extremo suroriental de Andalucía, en la costa). Observa cómo las comunidades de esa zona tienen una diversidad baja (es una zona semidesértica donde la vida es dura...). Sin embargo, la diversidad del espacio en su conjunto es muy alta (aparece coloreado de azul en el mapa).

• Las impresiones anteriores se pueden cuantificar fácilmente. Podemos comparar la diversidad promedio de las comunidades de cada espacio protegido con el índice de Shannon que recibe dicho espacio si lo calculamos a escala de paisaje. Los resultados se pueden ver en la siguiente tabla:

En definitiva, la escala espacial a la que se realice el cálculo del índice de Shannon condiciona los resultados obtenidos. Es decir, no es lo mismo calcular el índice de Shannon a escala de comunidad que hacerlo a escala de paisaje. De hecho, en los ejemplos que hemos visto los resultados son opuestos. Los lugares que tienen comunidades muy diversas suelen tener baja diversidad a escala de paisaje... ¿por qué ocurrirá esto?

Tareas a realizar

La idea es que descubras por qué ocurre lo que he descrito más arriba. Más concretamente, debes de contestar a estas preguntas:

1. ¿Por qué cuando cambiamos la escala a la que medimos la diversidad obtenemos resultados diferentes? ¿Hay acaso dos tipos de diversidad distintos?

2. ¿Por qué en los espacios protegidos seleccionados ocurre que cuando la diversidad de las comunidades es alta, es baja a escala de paisaje?

3. ¿Por qué los espacios protegidos de Sierra Morena parecen tener menos diversidad que los de las montañas Béticas?. Fíjate en el mapa de más arriba en el que los espacios de Sierra Morena están etiquetados con la A y los de las montañas Béticas con la B. A modo de pista, te sugiero que pienses en las diferencias de relieve que hay entre ambas zonas.

Para responder a la segunda pregunta deberás entender bien la respuesta a la primera. Y para responder bien a la tercera, deberás de entender bien la segunda...

Imagino que a estas alturas pensarás que es muy difícil descubrir por qué la diversidad a escala de paisaje es distinta a la diversidad a escala de comunidad. No es algo sencillo, pero tampoco imposible. Tienes el conocimiento y las herramientas necesarias para desvelar el misterio :) Para ello, te sugiero que procedas como lo haría un buen detective:

• Lee bien el texto de este ejercicio y trata de entenderlo. Pregunta (a mí o a tus compañeros) las dudas que te surjan.

• Busca bibliografía sobre el concepto de diversidad. Parece que estamos ante dos tipos de "diversidad" diferentes. Esto te puede ayudar a encontrar artículos que aborden este asunto. En tus búsquedas usa también el término "escala espacial". Si quieres puedes usar ChatGPT o cualquier herramienta de inteligencia artificial. En ese caso, recuerda seguir las normas que os pasé en su momento (aquí). En cualquier caso, incluye referencias bibliográficas en tu aportación.

• Una vez que tengas claros los conceptos de diversidad que aplican a las dos escalas que hemos definido (de comunidad y de paisaje), estarás en disposición de abordar la segunda pregunta.

Material a entregar

Contesta a las preguntas anteriores razonando todo lo que puedas. El objetivo es que reflexiones y uses argumentos convincentes. No hay una solución única a las preguntas, así que no te obsesiones buscando lo que yo quiero que me digas. Se trata de que aprendas mientas haces el ejercicio.

Es muy importante que expliques cómo has llegado a tu respuesta y que incorpores las referencias bibliográficas que has leído para llegar a tu respuesta. También será muy útil para tí que describas los erroes que cometes o los pasos que das para intentar responder a la pregunta. Recuerda, aprendemos de los errores que cometemos. Tómate tu tiempo para entregar esta actividad.

Deberás subir las respuestas a este enlace en formato word, libre office o equivalente. No en formato pdf, por favor.

Criterios de evaluación

Para evaluar tu desempeño, usaremos la rúbrica que puedes ver abajo. Es importante que la leas antes de ponerte a trabajar. Los criterios de esta rúbrica son los más relevantes de este trabajo, por lo que tendrás que ajustar tu respuesta a los mismos.