Universidad de Sonora Licenciatura en Biología Curso: ecología

Ciclos Biogeoquímicos Francisco Molina Freaner [email protected]

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Ecología de ecosistemas: ciclo de nutrientes a través del ecosistema; ciclos biogeoquímicos de los elementos mas importantes (C, N)

Ciclos bio-geo-químicos • Circulación interna de nutrientes a través de procesos biológicos: producción primaria neta y descomposición • No todas las transformaciones de elementos del ecosistema son realizadas por seres vivos; muchas reacciones químicas que ocurren tienen lugar en los componentes abióticos del ecosistema: la atmósfera, el agua, el suelo y la roca madre • Todos los elementos fluyen desde los componentes no vivos a los seres vivos mediante una ruta mas o menos cíclica conocida como ciclo biogeoquímico

Existen dos tipos fundamentales de ciclos biogeoquímicos • Dependiendo de la fuente principal de entrada de nutrientes al ecosistema, los ciclos se dividen en gaseosos y sedimentarios • En los ciclos gaseosos, las reservas principales de nutrientes son la atmósfera y los océanos (N, O2 y CO2) • En los ciclos sedimentarios, el reservorio principal es el suelo, las rocas y los minerales (P, S)

Cuantificación de los ciclos biogeoquímicos: compartimentos y flujos

Cada compartimento tiene una determinada reserva de nutrientes y la tasa de movimiento de nutrientes entre compartimentos se denomina flujo o tasa de transferencia

Todos los ciclos poseen una estructura común y comparten tres componentes: entradas, circulación interna y salidas

Tasa de circulación de nutrientes • La tasa de circulación interna de nutrientes depende de las tasas de productividad primaria y descomposición, las cuales a su vez dependen del clima (mas alta en climas cálidos y húmedos), del número y tipo de organismos y la disponibilidad de nutrientes.

Todos los ciclos son conducidos por el flujo de energía y están unidos por el ciclo del agua EL CICLO DEL CARBONO

EL CICLO DEL AGUA

Transporte Hacia la tierra Energía solar Movimiento neto de vapor de agua por el viento Precipitación en el oceano

Evaporación del oceano

Precipitación Sobre la tierra

Evapotranspiración de la tierra

Percolación a través del suelo Escurrimiento y agua en acuíferos

El agua es el medio a través del cual los elementos y otros materiales se movilizan dentro del ecosistema. Sin el ciclo del agua, los ciclos biogeoquímicos cesarían Descomposición

Entradas y salidas de nutrientes en los ecosistemas • Los nutrientes de ciclo gaseoso (C, N) entran al ecosistema a través de la atmósfera. Los nutrientes del ciclo sedimentario (Ca, P) tienen entradas que dependen de la intemperización o meteorización de las rocas y minerales • Algunos nutrientes de ciclo gaseoso (C) se exportan a la atmósfera en forma de CO2 a través de la respiración de los seres vivos

Los ciclos biogeoquímicos pueden observarse desde una perspectiva global • La circulación de nutrientes y energía pueden estudiarse como procesos locales • La salida de nutrientes de un ecosistema representa la entrada en otro como el caso de la exportación de nutrientes de los ecosistemas terrestres a los acuáticos • Los procesos de intercambio de nutrientes entre ecosistemas hace necesaria la visualización de los ciclos biogeoquímicos desde un marco espacial mas amplio (global)

El ciclo del carbono El carbono es un constituyente básico de todos los compuestos orgánicos y está involucrado en la fijación de energía a través de la fotosíntesis. Está tan estrechamente ligado al flujo de energía que los dos son inseparables

Concentración de CO2 en la atmósfera de un bosque en un día de verano

Variación anual en la concentración atmosférica de CO2 como consecuencia de la producción y utilización

La fluctuación estacional en la producción y utilización de CO2 esta relacionado con la temperatura y la estación de crecimiento. Las fluctuaciones estacionales son mayores en los ecosistemas terrestres que en los acuáticos

El ciclo del carbono implica intercambios entre la atmósfera, los océanos y la tierra Tamaño de las reservas y flujos entre compartimentos en gigatoneladas (Gt= 109 ton metricas

La tierra contiene 100 millones de Gt de carbono, la mayoría enterrado en rocas sedimentarias que no participa activamente en el ciclo del carbono

Ciclo del Nitrógeno • Componente importante de las proteínas y de la atmósfera (79%) • El ciclo consta de cuatro procesos: – Fijación: conversión del nitrógeno gaseoso a una forma biológicamente disponible – Mineralización o amonificación: conversión de los aminoácidos de la materia orgánica en amonio. – Nitrificación: oxidación del amonio a nitrato o nitrito – Desnitrificación: reducción de nitratos a nitrógeno gaseoso

La mayor parte del ciclo del nitrógeno esta regulado por la actividad microbiana

El ciclo del nitrógeno comienza con la fijación atmosférica de nitrógeno El nitrógeno es un componente esencial de las proteínas, que a su vez son básicas en todo tejido vivo. Disponible para las plantas solo en dos formas: como amonio (NH4+) y nitrato (NO3-). La atmósfera está compuesta de casi 80% de nitrógeno (N2) no disponible para las plantas. El nitrógeno se introduce al ecosistema a través de dos rutas: a) ) fijación biológica del nitrógeno atmosférico y b) fijación por radiación

Procesos microbianos involucrados en el ciclo del nitrógeno

El ciclo global del nitrógeno Unidades en 1012 g N/año

El ciclo del fósforo no tiene reservas atmosféricas

Los diferentes ciclos biogeoquímicos están relacionados • Todos los ciclos biogeoquímicos están conectados ya que los nutrientes que circulan son todos componentes de los organismos vivos. • Están unidos a través de su participación común en compuestos que forman un importante componente de sus ciclos. Por ejemplo NO3- , CO2, NH4+

Estudios ecológicos a largo plazo • Proyectos de investigación ecológica de largo plazo – Describir la dinámica de los ecosistemas por períodos relativamente largos • El caso del bosque experimental de Hubbard Brook – Ha sido usado para estudiar el ciclo de nutrientes en un ecosistema forestal desde 1963

• El equipo de investigadores contruyó estaciones a lo largo de los arroyos que drenan la cuenca para determinar el flujo de agua y la concentración de nutrientes

(a)

Estas estaciones se contruyeron en la parte baja de la cuenca para registrar la salida de agua y nutrientes del ecosistema.

• En un experimento, todos los árboles de un valle de la cuenca fueron eliminados y se aplicó un herbicida para eliminar a las hierbas

Una subcuenca fue deforestada para estudiar los efectos de la pérdida de la vegetación en el drenaje de agua y el ciclo de los nutrientes

(b)

•

Se determinó el flujo de agua y nutrientes; –

El flujo de agua y la concentración de nutrientes aumentó significativamente con respecto a la cuenca sin disturbio

Estos resultados muestran que la actividad humana afecta seriamente a los ecosistemas 80.0 Concentración de Nitrato en agua (mg/L)

•

Deforestada

60.0 40.0 20.0 Término de la deforestación

4.0 3.0

Control

2.0 1.0 0 1965

(c)

1966

1967

1968

La concentración de nitratos en el agua drenada de la cuenca deforestada fue 60 veces mas alta que en la cuenca control (con bosque).

Estudios sobre la erosión y pérdida de nutrientes en agro ecosistemas de México

Resultados: erosión Parcelas de 40 m2 con una pendiente de 22º

Pérdidas de nutrientes del suelo

Impacto de la conversión de los ecosistemas en procesos ecológicos • Estructura de la comunidad: se reduce la cobertura arbórea y arbustiva • Biogeoquímica: disminución del almacenamiento de carbono y de los nutrientes del suelo • Hidrología: disminuye la transpiración y la infiltración de agua en el suelo, aumenta el flujo laminar y la erosión del suelo

Conceptos importantes • Dos tipos fundamentales de ciclos biogeoquímicos: gaseosos y sedimentarios • Compartimentos y flujos en los ciclos • Estructura común de todos los ciclos • Influencia del cambio de uso de suelo en la pérdida de nutrientes y agua de los ecosistemas

Opcional: leer capítulo 22 del libro de Smith y Smith (2007): ciclos biogeoquímicos Siguiente clase: Cambio climático global