Ciclos Biogeoquímicos
Francisco Molina Freaner [email protected]
Universidad de Sonora
Licenciatura en Biología
Curso: ecología
región
biosfera
paisaje
ecosistema
comunidad
interacción
población
individuo
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
Transporte Hacia la tierra
Energía solar
Movimiento neto de vapor de agua por el viento
Precipitación en el oceano
Evaporación del oceano
Evapotranspiración de la tierra
Precipitación Sobre la tierra
Percolación a través del suelo
Escurrimiento y agua en acuíferos
Descomposición
EL CICLO DEL AGUA EL CICLO DEL CARBONO
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
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
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 compartimen-tos 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
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
(b) 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
• 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
(c) La concentración de nitratos en el agua drenada de la cuenca deforestada fue 60 veces mas alta que en la cuenca control (con bosque).
Con
cent
raci
ón d
e N
itrat
o en
agu
a (m
g/L)
Deforestada
Control
Término de la
deforestación
1965 1966 1967 1968
80.0
60.0
40.0
20.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0
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