Ciclos Biogeoquímicos

Universidad de Sonora
Licenciatura en Biología
Curso: ecología
Ciclos Biogeoquímicos
Francisco Molina Freaner
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biosfera
región
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
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
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global