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EL ECOSISTEMA
Cátedra Ecología General
2017
¿Por qué las selvas tienen mucha biomasa en pie pero poca en el mantillo mientras que en las turberas es al revés?
¿Por qué la concentración de CO2 atmosférico disminuye en el verano?
¿Qué pasa con el fertilizante de los cultivos que no se cosecha?
Ecología de Ecosistemas
Ecosistema
Comunidad Ambiente Físico
Seres vivosFormada por
proveenLuz
Compuestos minerales
CO2
Oxígeno
Compuesto por
Energía
Materia
Requieren
El ecosistema es una Unidad Funcional
Los componentes están vinculados por el Flujo de materia y energía
La ecología de ecosistemas estudia los flujos de materia y energía.
¿Quiénes son los actores en el flujo de materia y energía?
Ecología de poblaciones
Unidades: Individuos
Procesos: reproducción, muerte, movimientos
Ecología de comunidades
Unidades: Especies
Procesos: Colonización, extinción, Interacciones
Ecología de ecosistemas
Procesos: flujos de materia y energía
Unidades: niveles tróficos
Conjunto de organismos que cumplen un mismo papel en el flujo de materia y energía
Ecosistema
Seres vivos
Biomasa
Energía Química
Medio ambiente
Energía solar o química
Nutrientes
Oxígeno
CO2
Agua
Elementos constitutivos
Producción
primaria
Descomposición
Biomasa: Cantidad de materia en organismos/unidad de área :
toneladas/ha, Kcal/ha
E- quim
Producción secundaria
¿En qué unidades medimos la producción y la descomposición?
Producción
Acumulación de biomasa
Fijación de energía
Entonces las unidades serán:
∆ Masa
Referida a un tiempo y espacio
Toneladas/ha*año
Kg/m3* mes
Kcal/ha*año
Cal/m3*mes
∆Biomasa/ unidad de tiempo
∆Masa o peso/unidad de tiempo*unidad de área
∆ Energía/unidad de tiempo*unidad de área
Descomposición Degradación de la biomasa
Liberación de energía
Circulación de materia y energía
Autótrofos
HeterótrofosFuentes de energía y materia inorgánicas
Fuentes de energía y materia orgánicas
Se alimentan principalmente de organismos vivos
Se alimentan de organismos muertos, desechos, heces.
Descomponedores Consumidores
Producción
primariaProducción secundaria
Producción primaria
Fijación de energía y síntesis de materia a partir de compuestos inorgánicos por parte de organismos AUTÓTROFOS
P. Primaria bruta
P. Primaria neta
PPB- R
Total de la energía asimilada y biomasa sintetizada por los autótrofos
Respiración
Excreción
Costo de Biosíntesis
Biomasa y energía acumuladas disponibles para los siguientes niveles tróficos
Energía perdida. Materia que pasa a descomponedores o al medio
Gastos metabólicosR
PPN
Producción secundaria
Fijación de energía y síntesis de materia a partir de compuestos orgánicos por parte de organismos HETEROTROFOS
P. Secundaria bruta
P. Secundaria neta
PSB- R
Total de la energía asimilada y biomasa sintetizada por los heterótrofos
Respiración Excreción Costo de Biosíntesis
Biomasa y energía acumuladas disponibles para los siguientes niveles tróficos
Energía perdida. Materia que pasa a descomponedores o al medio
Gastos
metabólicosGastos metabólicos
Producción neta del ecosistema
Producción primaria bruta – Respiración total
Cantidad de carbono fijado – cantidad de carbono liberado
Por autótrofos
Respiración de auto y heterótrofos
Producción autóctona Producción alóctona
Productividad primaria bruta (GPP)
FOTOSÍNTESIS: PARTES
Productividad primaria neta (NPP)
El camino de la energía en un nivel trófico: Productores
Luz Incidente sobre hojas
No utilizado:luz no FS
Respiración
Disponible para nivel herbívoro
Eficiencia de explotación: Incidente sobre tejidos FS/radiación incidente
Eficiencia de asimilación: E fijada en FS total/radiación incidente
Eficiencia de producción neta: Producción neta/FS total
Eficiencia ecológica de productores: Ef. Explotación*Ef. Asimilación* Ef. Producción neta: PPN/energía solar incidente
FS total: Producción bruta
Producción netaDisponible: E solar
Luz que no incide sobre hojas
El camino de la energía del nivel trófico herbívoro
Ingerido
No utilizado: heces
Respiración
Disponible para nivel carnívoro
Eficiencias
Eficiencia de explotación: Ingerido/disponible
Eficiencia de asimilación: Asimilado/ingerido
Eficiencia de producción neta: Producción neta/Asimilación
Eficiencia ecológica de nivel herbívoro: Ef. Explotación*Ef. Asimilación* Ef. Producción neta: PN herb/PPN
Asimilado: Producción bruta
Producción neta de herbívoros
PPN
Disponible:
PPN
Energía solar
AguaNutrientes
PPN
Autótrofos
Heterótrofos
CO2
Hongos, bacterias
H de C
Energía química
FS
Otros compuestos
Producción primaria bruta
Crecimiento.PSNProducción secundaria bruta
Crecimiento.PSN
R
R
R
NC
NC
Flujo de energía entre el ambiente y entre niveles tróficos
¿Cuántos niveles tróficos puede haber en un ecosistema?
La producción vegetal se sostiene a partir de la energía de la luz solar y de nutrientes inorgánicos.
A lo largo de la cadena trófica la energía fijada por las plantas se va perdiendo de acuerdo a las eficiencias ecológicas de los distintos niveles tróficos
La producción primaria neta y la eficiencia ecológica promedio ponen un límite al número de niveles tróficos
E(n)= PPN* Ee promedio(n-1)
E(n)= energía disponible para el nivel trófico n
Ee promedio= eficiencia ecológica promedio
¿Cómo son las relaciones de biomasa y energía entre niveles tróficos?
C2
Productores
HerbívorosCarnívoros 1
Biomasa o Energía
¿Pueden invertirse estas pirámides?
PHC
Biomasa Producción
La producción primaria neta y la eficiencia ecológica promedio ponen un límite al número de niveles tróficos: no más de 4 niveles tróficos
Características generales de los ecosistemas
Están formados por elementos bióticos y abióticos
Son sistemas abiertos
La interacción entre elementos determina retroalimentación (+B+P, +P+B)
Las interacciones determinan redes tróficas
Son sistemas jerárquicos: hay un orden
Cambian en el tiempo
Tienen propiedades emergentes
• Biomasa
• Producción
• Descomposición/ Renovación de nutrientes
• Niveles tróficos
• Movimiento/transporte
• Fuentes de energía
• Ciclo hidrológico y de los elementos
Variables y procesos que definen un ecosistema
Clasificación de ecosistemasAdaptado de Ghersa 2005
Ecosistemas Naturales
Subsidiados
No subsidiados 1.000- 10.000
10.000- 40.000
Ecosistemas humanos
Energía solar
Subsidiados
Urbano- industriales
10.000- 40.000
10.000- 3.000.000
Energía solar + combustibles
Combustibles
Bosques, pastizales
Marismas, estuarios
Ciudades, parques industriales
Agricultura, acuicultura
Flujo de energía anual (kcal/m2)
¿Cómo se mide la producción primaria?
Durante la FS
O2
CO2
Hidratos de carbono
Biomasa
Nutrientes
Cambios en la concentración o cantidad de cualquier elemento podrían servir para estimar la producción primaria.
Agua
Método de cosecha
Medida de biomasa en tMedida de biomasa en t+1
(Bt+1-Bt)/(t+1-t)Tiempo entre t+1 y t
¿Producción bruta o neta? ¿Producción total?
Cosecha en parcelas
El objetivo de este trabajo fue cuantificar y analizar la dinámica del crecimiento de forraje de una pastura de agropiro alargado en dos épocas del año: otoño-invierno y primavera, mediante diferentes niveles de fertilización nitrogenada.
La acumulación de forraje (AF, kg MSha-1) se cuantificó mediante cortes desfasados en el tiempo a 2,5 cm de altura, sobre los 5 m2 centrales de parcelas de 7,5 m2 (5 m x 1,5 m), utilizando una motosegadora. El material cosechado en cada parcela fue pesado en fresco y se extrajo una muestra de aproximadamente 500 g. Ésta fue pesada y luego secada en estufa por aire forzado a 70 °C hasta obtener un peso constante que refleje el porcentaje De materia seca (MS).
Medida de producción primaria en medio acuático: basado en cambios en el O2
Cámara clara
O2
CO2
Cámara oscura
CO2
FSR
R
Diferencia de concentración de O2/u de tiempo
Producción primaria neta
Diferencia de concentración de O2/u de tiempo
Respiración
Producción primaria bruta
Dif. O2/u de tiempo día+ dif O2/u de tiempo noche
FS total
Luz Oscuridad
O2
Otras formas de estimar la PPN
Contenido de clorofila por absorbancia: se usa para estimar biomasa algal , a su vez relacionada con PPN
IVN= NDVI (Indice de vegetación normalizado): mide la radiación reflejada por la superficie terrestre: se puede estimar lo absorbido por unidad de tiempo: biomasa y producción
Sensores remotos (en satélites)
Análisis de la radiación reflejada: tejidos verdes absorben en el Rojo y reflejan el Infrarrojo.
IVN= (IR-R)/(IR+R) En la luz reflejada por la tierra
Relacionado con biomasa vegetal, superficie foliar y PPN
El IVN permite estimaciones de biomasa vegetal y PPN a escala regional.
La longitud de onda de la luz reflejada permite mapear áreas cubiertas con vegetación y áreas con suelo desnudo
Distintos tipos de vegetación reflejan en distintas longitudes de onda
Reflectancia según la longitud de onda del suelo vegetado y suelo desnudo
Vegetación
Suelo desnudo
Resolución: pixeles de 8x8 Km
Curva anual de IVN
Modelos alométricos para estimar biomasa por encima de suelo (AGB)
¿Qué determina la producción primaria?
Producción primaria
Luz CO2 Nutrientes Agua
Cualquiera de estos elementos que falte, va a limitar la producción primaria
¿Cuál de los elementos necesarios para la producción primaria será más limitante?
requiere
Ley del mínimo: la velocidad de un proceso va a estar definida por aquél elemento que esté menos disponible
CO2
Luz
Agua
Nube
Nutrientes
Fuente de luz Sol
Fuente de nutrientes Suelo- disueltos
Fuente de CO2 Aire
Fuente de agua Precipitaciones- Suelo
CO2
Medio terrestre Medio acuáticoAgua
Sol
Agua
De dónde obtienen las plantas los elementos para la fotosíntesis
Determinantes de la producción primaria
Co2
Puede ser limitante en ambientes desérticos y en algunos ambientes acuáticos
Intensidad lumínica
Variaciones estacionales: Estación de crecimiento
Variación con la profundidad en ambientes acuáticos
Variación según la estratificación de la vegetación en ambientes terrestres
¿Es limitante la luz para la producción primaria?
En los ecosistemas terrestres, los niveles de luz durante la estación de crecimiento muchas veces exceden el punto de saturación de las plantas
Pero la longitud de la estación de crecimiento varía según el clima
En los trópicos es larga, en los polos muy corta.
Aunque las plantas presentan adaptaciones para las distintas intensidades luminosas, la producción primaria ANUAL en las latitudes altas es menor que en los trópicos.
Sistemas terrestres
Sistemas acuáticos
¿Es limitante la luz para la producción primaria?
• El espectro de longitudes de onda cambia con la profundidad :
primero se absorben la luz roja e infrarroja (700 nm)
luego se extinguen las luces amarilla, verde y violeta (400 nm)
La luz azul es la que penetra a mayor profundidad
• La intensidad lumínica disminuye con la profundidad en un cuerpo de agua: Sólo un 40% llega a 1m en un lago de aguas claras.
• Menos del 7% llega a 100 m en agua de mar pura• Las distintas longitudes de onda son absorbidas
diferencialmente por el agua
Relación entre Profundidad, Fotosíntesis y Respiración en un cuerpo de agua
FS
R
Punto de compensación
FS=R Zona eufótica
P
R
O
F
U
N
D
I
D
A
D
IL
IL= Intensidad lumínica
R= Respiración
FS= Fotosíntesis
I0
1%I0
En la zona eufótica
FS>R
PPN>0
La relación FS/R disminuye con el aumento de la temperatura
La FS varía con la temperatura con un óptimo que depende de dónde se haya aclimatado la planta
Los cambios en la intensidad de luz generalmente se asocian a cambios en temperatura
Efectos de la temperatura sobre la producción primaria
Altas temperaturas pueden disminuir la producción primaria porque aumenta la transpiración, se cierran los estomas.
Variación de la PPN según la temperatura en distintos sitios
¿Cómo afecta la disponibilidad de agua a la producción primaria?
El agua es fundamental para los seres vivos:
las reacciones metabólicas se producen en medio acuoso
La turgencia de las plantas se mantiene por el agua
Los nutrientes se absorben disueltos en agua
El agua es limitante en muchas zonas de la tierra:
casi todo el año en el cinturón de desiertos,
en la estación seca en algunos climas
La disponibilidad de agua condiciona las especies presentes en un lugar, su morfología y fisiología
Patrones globales de variación en la producción primaria neta
Producción primaria neta total del planeta: 105 x 10 15 g de carbono por año (sin dividir por área)
Tierra: 56,4
Océanos: 48,3
Océanos : 2/3 de la superficie total
En la Tierra: 60% corresponde a selvas tropicales y sabanas
Patrones globales de variación en la producción primaria neta
Producción primaria neta depende de
Intensidad de luz…. Estación de crecimiento
Disponibilidad de agua
Disponibilidad de nutrientes
Precipitaciones
Suelos
Temperatura
Biota
Suelo
Agua
Regeneración
Aportes externos
Variaciones latitudinales y estacionales
Hábitat Producción primaria netakg/m2año
BiomasaKg/ m2
Tasa de renovación=P/B
Tiempo de residencia= B/P
Terrestres Bosque tropical 1,8 42 0,043/año 23,3 años
Bosque templado 1,250 32 0,037/año 27 años
Bosque boreal 0,8 20 0,04/año 25 años
Arbustal 0,6 6 0,1/año 10 años
Sabana 0,7 4 0,175/año 5,7 años
Pradera templada 0,5 1,5 0,33/año 3 años
Tundra y alpino 0,14 0,6 0,23/año 4,3 años
Matorral de desierto
0,07 0,7 0,1/año 10 años
Tierra cultivada 0,630 1 0,63/año 1,6 años
Ciénaga y pantano
2,5 15 0,17/año 5,9 años
Acuáticos Océano abierto 0,125 0,003 41,7/año 0,02 años
Plataforma continental
0,36 0,01 36/año 0,03 años
Lechos de algas y arrecifes
2 2 1/año 1 año
Estuarios 1,8 1 1,8/año 0,55 años
Lagos y arroyos 0,5 0,02 25/año 0,04 años
Cambios en la producción a lo largo de una sucesión cuyo climax es un bosque. Papel del tipo de vegetación
REFERENCIAS BÁSICAS
Begon, M., J. L. Harper & C. R. Townsend. 1995. Ecología, Individuos, Poblaciones y Comunidades. Ediciones Omega S.A. Barcelona. 865 pp.
Chapin III F. S., Stuart F., P. A. Matson, H. A. Mooney. 2002. Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology. Springer-Verlag New York, Inc.ISBN 0-387-95443-0. 398pp.
Smith, R.L. y Smith,T.M. 2001. Ecología. Cuarta Edición. Addison Wesley Longman – Pearson. Educación, Madrid. 642pp.