Tema 5: Los ciclos biogeoquímicos• Uno de los fenómenos de la naturaleza que se observa más frecuentemente es la

recurrencia cíclica de eventos. Al verano le sigue el invierno, a la luna llena le sigue la luna nueva, a la marea baja le sigue la alta y a la noche el día.A estas vías, se conoce como ciclos biogeoquímicos (bios=vida), el suelo (geo=tierra) y estar sujetos a reacciones químicas.

• Se pueden reconocer dos partes o compartimientos.- La parte biótica.- El organismo vivo toma elementos inorgánicos y al morir y

descomponerse éstos son devueltos al ambiente para ser nuevamente aprovechados.- La parte abiótica.- A) Los tipos gaseosos, en los que el depósito está en la atmósfera o

en la hidrósfera (C, N, O, H) y - B) Los tipos sedimentarios, en los que el depósito está en la corteza de la tierra.

Macroelementos: C,N.P se requieren en grandes cantidades; muy reducidas, son los oligoelementos o microelementos.La producción agrícola, ganadera y forestal moderna se basa en procesos de mejora de los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes para aumentar la producción por área.Cualquiera que sea la cantidad, de los macro y micro elementos exhiben ciclos perfectamente definidos.

Ciclo del carbono• Es inseparable del flujo de energía. El Carbono es asimilado a partir del CO2 por las

plantas, consumido en forma de planta y tejido animal por los heterótrofos, liberado a través de la respiración, mineralizado por los descomponedores, acumulado como biomasa.La tasa a la cual circula el carbono a través del ecosistema depende de las tasas de productividad primaria y descomposición.La circulación del carbono exhibe fluctuaciones diarias y estacionarias. El CO2 aumenta por la noche, cuando aumenta la respiración, Durante el día las plantas retiran CO2 del aire y su concentración cae en picada.

ENERGIA SOLAR EQUILIBRIO AIRE-AGUA

CO2RESPIRACION Y FERMENTACION

COMBUSTION

HULLA

PETROLEO

QUIMIOTROFOS

AUTÓTROFOS (VEGETALES)

HETERÓTROFOS(ANIMALES)

CICLO DEL NITROGENOEs el más completo de todos los ciclos biogeoquímicos. La formación de compuestos nitrogenados (prótidos) e hidrocarbonados (glúcido) se realiza a distinta velocidad en los medios terrestre y marino. En efecto, los vegetales terrestres son más ricos en carbono y más pobres en nitrógeno en función de su mayor proporción de celulosa. Las algas tienen una mayor proporción de proteínas.Las bacterias como azobacter, clostridium y rhizobium, se encargan de captar el N. atmosférico, en cantidades que pueden llegar a 150 a 400 kg/ha/año. También, en la atmósfera puede ser transformado en nitratos y nitritos por las tormentas eléctricas. Como las plantas no pueden utilizarlo más que en forma nítrica o amoniacal, es necesario que se produzca previamente su mineralización en el suelo a partir de la materia orgánica muerta. Este proceso ocurre en dos etapas. La amonificación que suministra compuestos amoniacales y la nitrificación que convierte al N en NO2 (Nitritación) y después en NO3 (Nitratación).

Ciclo del fósforo• El fósforo es una de los elementos más importantes para los

sistemas biológicos por ser constituyente de los ácidos nucleicos, de los fosfolípidos y de muchos otros compuestos fosforados como los huesos, los dientes, etc.

• Tiene una gran importancia ecológica por ser un elemento limitante o regulador de las producción y se encuentra en la biósfera en cantidades relativamente bajas en comparación con los requerimientos de los organismos. La principal reserva se encuentra en algunas rocas fosfatadas y presenta un ciclo relativamente sencillo. Las plantas lo toman generalmente en forma de ortofosfatos, mediante la erosión del suelo son arrastrados por el agua, tanto del fósforo mineral como el orgánico de la materia orgánica en descomposición, de esta manera llega al mar, una pequeña parte puede volver al continente a través de las aves marinas y por la pesca, pero la mayor parte se acumula en el fondo marino.

Ciclo del fósforo

Ciclo del Potasio• El potasio (K) es un elemento esencial para las plantas, los animales y los

humanos porque interviene en procesos de la fotosíntesis, en procesos químicos dentro de las células, y contribuye en mantener el agua en las células. Es por esto que el potasio, junto con el nitrógeno y el fósforo, son elementos esenciales para los seres vivos.

• El ciclo del potasio consiste en los siguientes pasos:– El potasio se encuentra en forma natural en el suelo, especialmente

en los suelos ricos en arcillas, que contienen hasta un 3%. En los suelos pantanosos y los pobres en arcilla el contenido de compuestos de potasio es menor y puede ser deficitario, originando problemas en los cultivos.

– Los compuestos de potasio del suelo son lavados (lixiviados) con facilidad en las zonas de altas precipitaciones y, en consecuencia, deben ser restituidos a los campos por fertilización, añadiendo cloruro de potasio o sulfato de potasio. Ciertos cultivos (alfalfa, zanahorias, pepinos y coles) son muy exigentes en potasio y no prosperan en suelos pobres en dicho elemento.

– La deficiencia de potasio en las plantas se detecta porque éstas tienen apariencia decaída o marchita, ya que la falta favorece la pérdida de agua en las células..

Ciclo del potasio

El ciclo del cobreEl cobre (Cu) es abundante en la naturaleza en forma de compuestos minerales y se integra al suelo por los procesos de descomposición de las rocas, que lo contienen. En el suelo se asocia con la arcilla y de esta forma está disponible para las plantas. Otra forma de disponibilidad del cobre está en la materia orgánica del suelo.El ciclo del cobre consiste en los siguientes pasos:

• Las plantas absorben el cobre y lo integran a su estructura en moléculas complejas de enzimas, especialmente oxidasas, que son muy importantes en los procesos vitales de las células.

• Los animales herbívoros obtienen el cobre de las plantas, y los carnívoros de las plantas de la carne de los herbívoros. En algunos grupos de animales, como las arañas, el cobre es un elemento muy importante porque forma parte de la sangre de los mismos, como elemento para transportar el O2 a las células.

• Al morir las plantas y los animales los compuestos de cobre se reintegran al suelo y forman parte de la materia orgánica, desde donde son otra vez absorbidos por las plantas para reiniciar el ciclo.

Ciclo del cobre

Cadenas alimentarias o tróficas• Cadenas alimentarias o tróficas• La cadena de alimentos, denominada también cadena trófica, es la transferencia de materia y energía desde las plantas, a

través de una serie de organismos que las comen que puede representarse en el Diagrama siguiente:Energía solar Fotosintesis Plantas herbívoros carnívoros carroñero

• calor calor calor calor • En cada transferencia una parte considerable de la energía y de la materia va desviándose de la cadena. Gran parte

potencial presente en los enlaces químicos de la especie que sirve de alimento, se transforma en calor y se pierde al espacio.

•Un atributo final de las cadenas de alimentos es que cuanto más cortas son, tanto mayor es la energía disponible que puede convertirse en biomasa en el organismo siguiente y ser utilizada en la respiración celular. De esta manera, la superficie Terrestre podrá mantener a un mayor numero de habitantes si es que se alimenta directamente de plantas que cuando estos consumen productos animales, porque el índice de conversión de los animales también es reducido.

• • Niveles tróficos.- Se denomina nivel trófico a todos los organismos que comparten el mismo manantial general de

alimentación, que constituyen los eslabones de la cadena de alimentos. Dentro de un ecosistema se consideran los siguientes:

•Relaciones tróficas: Pirámides ecológicas o alimentaria o trófica

• A medida que la materia y la energía se moviliza dentro de una red alimentaria, se produce una pérdida, porque los procesos de alimentación y desarrollo no se realizan con una eficacia del 100%. Esto significa que la cantidad de materia orgánica por unidad de tiempo y la energía representada por ella, disminuye en cada uno de los sucesivos niveles tróficos. Los primeros eslabones de la cadena deben producir lo suficiente para mantenerse a sí mismos y para nutrir al siguiente eslabón. En todos estos aspectos: número de individuos, energía y biomasa, existe un efecto piramidal en la estructura trófica de la comunidad La base de la pirámide está representada por los organismos productores y los niveles superiores por herbívoros, omnívoros, carnívoros, desintegradores.

• Productividad primaria• Se calcula que cerca de la mitad de la luz solar incidente puede ser utilizada por la fotosíntesis. Sin embargo, sólo

una pequeña proporción, de alrededor de 2% es absorbida por la vegetación productiva convertida en energía de alimento. Y, la productividad primaria viene ser la proporción de asimilación total de los productores en un ecosistema. En otras palabras es la cantidad total de materia orgánica fijada, incluyendo la empleada por la respiración de la planta durante el periodo de medición.

• Productividad primaria• Es la materia orgánica almacenada en los tejidos de la planta descontando lo utilizado

en la respiración, durante el periodo de medida. Esta producción representa alimento potencialmente disponible para los heterótrofos.

• Prod Prim. Neta = Fotosíntesis- respiración

Cuando las plantas están creciendo con rapidez bajo condiciones favorables de luz., temperatura y humedad, la respiración representa solamente un 10 % de la fotosíntesis.

• La productividad primaria está controlada por ciertos factores limitantes como la concentración de nutrientes en

el suelo y en el agua, la intensidad y la duración dela radiación solar y la capacidad de los ecosistemas para utilizar los elementos puestos a su disposición. En los ecosistemas maduros la producción total es igual a la respiración.

• A la relación entre la producción bruta y la radiación solar, multiplicada por 100 se denomina eficiencia de utilización.

Prod. Bruta/Rad. Solar x 100 = Eficiencia

La productividad en el ecosistema

Productividad del ecosistema• Considerando las relaciones de productividad, tanto para los diferentes eslabones de la cadena alimenticia como

para ecosistema como un todo, se debe averiguar, desde el punto de vista práctico, si la producción de un área determinada es la máxima posible Para determinar si un área está siendo sobre explotada, o en cambio, no se explota lo suficiente, la abundancia y el desarrollo deben medirse en forma apropiada Pero, antes debe tenerse en cuenta que los conceptos fundamentales de la productividad son:

1 Contingente actual Es la abundancia de los organismos existentes en el área en el momento de la observación, puede expresarse mediante el número de individuos, mediante la biomasa o según la energía contenida a fin de establecer la relación de explotación por el hombre.

Sn embargo, como el conocimiento del contingente actual no proporciona información respecto a su reemplazabilidad, deben tenerse en cuenta otros aspectos de la productividad para la explotación inteligente de los recursos naturales y para una recolección sostenida, se deberá estudiar, además, la relación de la abundancia con el desarrollo de la población y la determinación del nivel de equilibrio de las poblaciones.

2 Materiales extraídos La determinación de la cantidad de recolección o cosecha es de mucha importancia, pues en la mayoría de los casos los productos agrícolas, forestales, la pesca, etc son transportados en grandes cantidades Si una comunidad debe mantenerse de suministrársele materiales en cantidad por lo menos igual a lo extraído El estudio de los materiales que salen, en comparación con el nivel de equilibrio, revela si se explota o no ésta de la mejor manera. El máximo rendimiento potencial, es la mayor cosecha que puede extraerse continuamente de un área, en las mejores condiciones ambientales y de población, sin llegar a afectar el stock reproductivo.

3 Intensidad de producción Se refiere a la productividad neta del ecosistema por unidad do tiempo, para esto deberá determinarse la intensidad para cada población y para cada nivel trófico y constituye una tarea demasiado compleja. Pues, todos los componentes de los niveles tróficos están simultáneamente materia y energía Una parte del material formado por dicho nivel es consumado por el siguiente, y otra parte muere por otras causas.

Flujo de energía y productividad en la biósfera Se calcula en 5x1020 Kcal. de energía solar recibida anualmente por la Tierra, es decir, 15.3x108 cal/m2 año. Una gran parte de esta energía es reflejada por la atmósfera o absorbida por el vapor de aguas. La cantidad de energía captada por los vegetales es una función de diversos factores, como tipo de planta, geografía, tipo de suelo, etc. En Inglaterra se estima en 2.5 x108, y en los EEUU en 4.7x108 .

Según ODUM (1959), se distinguen cuatro regiones:1. El océano abierto y los desiertos tienen, una débil productividad, del orden de 0.1 g/m2 día 2. Las formaciones herbáceas semi áridas, zonas de agricultura permanente, de 3 a 10 g/m2 día.3. Los bosques húmedos, lagos de poca profundidad, regiones de agricultura permanente, de 3 a 10 g/m2 día4. Zonas agrícolas de alta productividad con adecuado suministro de fertilizantes y buenas condiciones climáticas, con alto índice fotosintético como la caña de azúcar, los arrecifes de coral, etc., llegan a 20 g/m2/día.

• Estas cifras demuestran que la productividad primaria está controlada por factores limitantes, como la

concentración de nutrientes en el agua y en el suelo, la intensidad de la radiación solar. • El medio marino cubre 361 millones de km2, es decir, 71% de la superficie terrestre, mientras que las tierras

emergentes representan solamente 149 millones de km2. Por lo tanto, las 5x1020 Kcal recibidas anualmente se reparten en 14x1020 para los continentes y 3.60x1020 kcal para los océanos.

• En el ambiente terrestre se calcula una productividad neta anual de 109x109 TM, significando para los bosques el

70%, variando mucho según el ecosistema que se trate. Es inferior a 2.5 TM/ha en los desiertos subtropicales y tropicales; entre 2.5 y 5 TM/ha en los desiertos polares, subboreales y suelos salinos; entre 12.5 y 25 TM/ha en la tundra; de 50 TM en la tundra boscosa; entre 12.5 y 150 en las estepas. Manglares, la pampa y las sábanas; de 400 en la Taiga y alcanza un máximo de 40 a 500 Tm/ha en los bosques caducifolios, e indiscutiblemente en la selva tropical húmeda con biomasas superiores a 500 TM/ha, llegando a 1,700 en el Brasil. En los océanos está estimada una productividad de 55 x 109 TM.