9. Fluxos d'energia i de matèria (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Ecologia
Año del apunte 2016
Páginas 10
Fecha de subida 13/06/2017
Descargas 2
Subido por

Vista previa del texto

Usuario: julesdms Júlia de Mas Fluxos d’energia i matèria.
Propietats dels ecosistemes.
Un ecosistema és el conjunt dels organismes i l’ambient del lloc on conviuen. Els ecosistemes es caracteritzen per propietats emergents que integren tot el sistema, com són: - Biomassa - Fluxos d’energia.
- Cicles de nutrients Aquests conceptes donen un valor integrat de totes les espècies, caracteritzen a tot el sistema.
Biomassa És el contingut total d’energia/massa dels organismes vius d’un ecosistema per unitat de superfície, en un determinat moment. Una biomassa de 10 o 20 o de 30 indica que les coses no van bé. Tenim un ecosistema A de 300/10.000km2 tones i un de B de 100/cm2 tones. La biomassa és més gran en l’ecosistema B.
Fluxos d’energia.
Els ecosistemes capten llum solar i transfereixen aquesta energia a través de les xarxes tròfiques.
Al llarg d’aquest procés, l’energia es va transformant en calor i es perd. Tot i així, s’aprofita molt poca energia solar.
Cicles de nutrients.
Els nutrients dels ecosistemes no són infinits i no es poden recuperar fàcilment. Els ecosistemes van circulant els nutrients al llarg dels diferents nivells tròfics. Aquest nutrients poden ser reciclats moltes vegades a través de l’ecosistema. Si els nutrients es perden, l’ecosistema empobreix, per això les espècies s’encarreguen de que això no passi. Si hi ha una riuada els nutrients es perden i costarà recuperar-los.
En els ecosistema hi ha fluxos tant d’energia, com de nutrients al llarg de la xarxa tròfica. Els productors primaris capten nutrients dels microorganismes que els han format a partir del nivell més alt. L’energia es perd perquè constantment arriba energia solar.
Producció primària.
La producció primària d’un ecosistema és la quantitat d’energia fixada per unitat de superfície (o volum) i per unitat de temps per part dels productors primaris. Tenim una PP en un ecosistema A de 300T/ha/any i en un ecosistema B de 80T/ha/s, per tant, és més gran en l’ecosistema B.
- La producció primària bruta (PPB) és la quantitat d’energia total fixada a través de la fotosíntesi.
La producció primària neta (PPN) és l’energia total fixada a través de la fotosíntesi menys l’energia perduda a la respiració (R).
PPN = PPB - R Usuario: julesdms Júlia de Mas Si representem la PPB, la R i la PPN en un gràfic en el que l’eix d’ordenades representem Kg/m2/any i a l’eix de coordenades el temps viem: - PPB. S’estabilitza o es satura passat un temps.
Això és degut a que no hi ha més plantes i arriba a la capacitat de càrrega.
- R. A més fixació d’energia, més plantes i per tant més respiració. Les estructures llenyoses respiren però no fan la fotosíntesi.
- PPN. Resultat de l’augment de la respiració i l’estabilització de PPB, la PPN pot arribar a ser 0.
Els ecosistemes joves són els que més producció primària tenen, i la respiració va augmentant.
Quan l’ecosistema és més madur la producció primària s’estabilitza però la respiració continua augmentant, per tant la PPN disminueix a més madur és l’ecosistema. Aquells ecosistemes més madurs tindran una PPN igual a 0, on la dinàmica del bosc anirà sent constant, no desapareix, el balanç total serà igual.
Patrons geogràfic de la Producció Primària.
Tenim dos gran grups, els aquàtics i terrestres. A igual biomassa, la PP és més gran en comunitats aquàtiques, encara que els valors màxims de PP es donen a comunitats terrestres.
En el ecosistema aquàtic hi ha moltes cèl·lules suspeses a la capa de l’aigua fent la fotosíntesis.
Als ecosistemes terrestres tenim estructures llenyoses, que no fan la fotosíntesis, en canvi, a nivell aquàtic tot l’organisme està destinat a fer la fotosíntesis. En els llocs on trobarem més biomassa és als ecosistemes terrestres.
Als ecosistemes terrestres, els valors màxims de PP es donen a les zones tropicals, disminuint cap els pols.
Als oceans, els valors màxims de PP es donen a prop de les costes i a les zones d’emergència de les corrents.
Tenim els diferents tipus d’ecosistemes a l’eix de coordenades i a ordenades tenim la quantitat de producció primària. La producció primària als boscos i als conreus és més alta que la dels oceans. Com la superfície ocupada dels oceans és més gran que la dels boscos, la quantitat total de producció primària que hi ha als oceans es major si multipliquem per tota la superfície. Com la superfície dels oceans és més gran es fixa més quantitat de carboni total de carboni.
Factors limitants als ecosistemes terrestres.
1. Llum (Abiòtic).
Als ecosistemes terrestres la llum en general no és un factor limitant, però a l’aquàtic sí.
L’eficiència fotosintètica (EF) mesura la quantitat d’energia solar que es transforma en PP. Si calculem l’eficiència fotosintètica (EF) normalment tenim factors d’eficiència molt baixos.
EF = Energia transformada en PP Energia solar incident Usuario: julesdms Júlia de Mas Aquests valors baixos corresponen a: - En el cas de la PPB representa 2 – 5 %.
- En el cas de la PPN representa la meitat de la PPB.
Per tant només s’aprofita un 10% de la radiació solar. Aquesta eficiència fotosintètica és més gran als boscos de coníferes que als caducifolis, i es mínima als deserts.
La radiació té un efecte sobre la temperatura i la precipitació, per tant, sobre el clima a escala global.
2. Temperatura (Abiòtic).
La temperatura té un efecte important sobre qualsevol procés que es desenvolupa a la Terra i normalment afecta en el creixement vegetal.
Hi ha un òptim de temperatura, per sota i per sobre del qual PP disminueix. Ja que per sota d’una temperatura no hi ha activitat fotosintètica ni creixement. Davant d’una temperatura màxima en la que es tanquen els estomes no hi ha fotosíntesis.
La temperatura té un efecte sobre qualsevol procés bioquímic i fisiològic que s’esdevé els éssers vius. Afecta en general a tots els ecosistemes.
3. Aigua (Abiòtic).
L’aigua, per simplificar la idea és el més limitant als ecosistemes terrestres.
Si representem en un gràfic la PPN (ordenades) i la precipitació (coordenades) dels ecosistemes veiem una relació lineal. Aquesta relació lineal ens mostra com a menys precipitació (menys aigua) menys producció primària i com a més precipitació, més producció primària.
Aquest patró d’augment de la producció primària amb l’augment de la disponibilitat d’aigua també s’observa comparant diferents biomes a nivell mundial.
AIGUA I TEMPERATURA DEFINEIXEN ELS GRANS BIOMES TERRESTRES .
En funció de l’aigua i la temperatura podem obtenir una distribució dels biomes terrestres.
Els grans biomes terrestres es poden representar en un gràfic en funció de la temperatura i la precipitació anuals (tundra, la taigà , boscos temperats, etc.). De fet en un mapa mundi també els podem representar, extrapolant el model dels biomes del gràfic.
Per tant l’aigua i la temperatura defineixen els grans biomes terrestres, són els grans patrons. A més, d’obtenir-ho a nivell mundial, ho podem obtenir també a nivell més local, en la que existeix una correlació entre l’escala latitudinal i l’altitudinal.
4. Nutrients (Abiòtic).
Els nutrients determinen que la PP sigui més alta o més baixa. L’addicció de nutrients en una zona determina que la producció primària augmenti significativament, fins a arribar a un límit.
Usuario: julesdms Júlia de Mas 5. Herbivoria (Biòtic).
No tots els factors són abiòtics, l’herbivoria és un factor biòtic. Si és una herbivoria moderada la biomassa pot arribar a augmentar. Si és molt intensa, la biomassa no augmenta perquè les plantes no es poden recuperar. La producció primària augmenta a nivells intermedis d’herbivoria perquè es produeix un procés de compensació.
Factors limitants als ecosistemes aquàtics.
1. Llum.
En el cas dels ecosistemes aquàtics la llum és un factor limitant. La intensitat de la llum disminueix de manera geomètrica amb la profunditat de la columna d’aigua. El descens de la intensitat de la llum és ràpid, a l’aigua oceana és k = 0,10, mentre que a l’aigua pura és de k = 0,02. Quan l’aigua és pura, la velocitat amb la que la llum arriba a baix és molt rapida, però quan és oceànica, la llum arriba a menys profunditat.
Aleshores la producció primària segueix ràpidament la corba de la llum, encara que al principi no la segueix per factors d’alteració. La fotosíntesis neta disminueix molt ràpidament en profunditat, ja que no arriba suficient llum.
2. Nutrients.
La cosa no és tant evident en quant als nutrients, que té una relació molt semblant que en l’ecosistema terrestre. La disponibilitat de nutrients també incrementa la producció primària.
El tema important és la fertilització, que fa que augmenti molt ràpidament la producció primària a llacs pobres en nutrients. Això té un màxim en el sentit que a partir de cert moment (quantitats màximes de nutrients) hi ha una davallada de producció primària perquè aquestes quantitats arriben a ser tòxiques.
INTERACCIÓ ENTRE LLUM I NUTRIENTS.
Els efectes de la llum i els nutrients no són independents, si tenim molts nutrients en un sistema aquàtic, l’aigua és més opaca i per tant la llum no pot arribar tant a baix. Per tant ens trobem en una disjuntiva, no sempre més llum fa que hi hagi més producció primària. Tenim tres tipus de llacs (ordre de menys a més nutrients): - Oligotròfics. Tenen aigües clares, temperatures fredes i sediments inorgànics.
Mesotròfics. Pas intermedi.
Eutròfics. Tenen molts nutrients i abundant fitoplàncton a la part superior, més calent, i sediments orgànics al fons.
En el cas dels llacs eutròfics veiem que la llum arriba a una profunditat menor respecte els altres dos tipus de llacs. Encara que, la PP és molt alta en la capa superior degut a la gran quantitat de nutrients i l’arribada de llum. En el cas dels oligotròfics, hi ha pocs nutrients, per tant la PPN és menor, però la llum arriba a profunditats majors, ja que la llum penetra més en dins donada la menor terbolesa de l’aigua. Els llacs mesotròfics es troben en un punt intermedi.
En conclusió, els llacs amb pocs o molts nutrients tenen respostes clarament diferents.
Usuario: julesdms Júlia de Mas 3. Corrents marines.
Un factor important del medi aquàtic són les corrents marines. Segueixen majoritàriament unes corbes prioritàries.
Les corrents determinen la quantitat de PP que trobem en un sistema, les màximes produccions primàries segueixen un patró. Es donen en les zones properes a la costa, perquè hi ha nutrients que són portats per les corrents que venen del medi terrestre (rius o costes).
Però també trobem algunes que es troben en zones lluny de les costes, en aquestes zones hi ha afloraments de nutrients, hi ha una circulació d’aigua continua. Hi ha tota una capa de nutrients que s’envia cap a dalt i que per tant són aprofitats i augmenta la producció primària. Són zones amb gran activitat biòtica (ocells, peixos) ja que aquests afloraments porten sediments des del fons. Les corrents marines alternen els patrons de producció primària, ja que provoquen emergències de nutrients del fons que donen lloc a zones amb alta producció planctònica.
4. Herbivoria.
També al ecosistema aquàtic trobem l’herbivoria. En zones temperades septentrionals veurem una davallada de producció primària que ve marcada per la depredació del zooplàncton.
Producció secundària.
La producció secundària d’un ecosistema és la quantitat d’energia o massa fixada per unitat de superfície o volum i per unitat de temps, per part dels productors secundaris (animals i alguns microorganismes).
Fluxos d’energia en consumidors.
Tenim una sèrie d’aliment disponible per al consumidor secundari, però no tots els organismes són consumits. Dels aliments capturats i morts una part és consumida. Aleshores una part es perd amb els excrements i una altra part és assimilat. D’aquest aliment assimilat tenim una part que es perd en la respiració i una altra part que es destina a la producció, ja sigui de creixement o de renovació de la biomassa(reproducció).
Consumit = assimilat + excrements Assimilat = producció + respiració Eficiències en la transferència d’energia.
Entre nivells tròfics.
De tot el que hi havia en el nivell tròfic anterior quant és consumeix.
Eficència de consum = Aliment consumit al nivell n Producció neta al nivell n − 1 Dintre de cada nivell tròfic El que s’assimila respecte el que es consumeix, si és alta perd pocs excrements. Serà més alta en carnívors, que en herbívors, ja que els herbívors mengen molta fibra vegetal.
Eficència d′assimilació = A. assimilat al nivell n A. consumit al nivell n Usuario: julesdms Júlia de Mas Si té una eficiència de producció baixa vol dir que la respiració és alta.
Eficència de producció = Producció al nivell n Aliment assimilat al nivell n L’EFICIÈNCIA DE CONSUM. Els valors de l’eficiència de consum varien molt entre grups i dintre del mateix grup, ja que depenen en gran part de l’ambient en el que es troben els animals (recursos, competència,...).
EFICIÈNCIA D ’ASSIMILACIÓ. Depèn principalment del nivell tròfic. Així, els herbívors i descomponedors tenen una eficiència d’assimilació més baixa que els carnívors ja que mengen aliments molt diferents al seu organisme.
EFICIÈNCIA DE PRODUCCIÓ. Aquesta eficiència depèn principalment del tipus d’animal. Gasten molt més en respiració els endoterms, i en menor grau, els ectoterms, que els invertebrats. Si el metabolisme és més actiu l’eficàcia de producció serà més baixa, com és el cas dels endoterms.
Els invertebrats són els que tenen l’eficàcia de producció més alta.
Valors mitjans de les eficiències d’assimilació (A/I) i de producció (P/A) per diferents nivells tròfics i grups d’animals: - Els herbívors invertebrats són els que tenen uns valors mitjans de producció majors que els vertebrats ectoterms i endoterms. Mentre que aquests dos últims són els que tenen un valor mitjà d’eficiència d’assimilació major.
- Els carnívors invertebrats són els que tenen uns valors mitjans de producció majors que els vertebrats ectoterms i endoterms. Mentre que aquests dos últims són els que tenen un valor mitjà d’eficiència d’assimilació major.
- Els descomponedors són els que tenen un valor mitjà d’assimilació més gran (100%).
Transferència d’energia entre nivells tròfics.
El valor mitjà de transferència d’energia entre diferents nivells tròfics està al voltant del 10%.
El 10% passa al següent nivell tròfic i és aprofitat.
Factors limitants de la Producció Secundària.
La producció secundaria varia directament amb la producció primària, i indirectament amb tots els factors que l’afecten. La producció primària depèn molt de l’aigua i per tant la producció secundaria també. Com més producció primària més producció secundària. Segueixen el mateix patró, és una relació clara, directa i contundent.
Descomposició de la matèria orgànica.
La biosfera (matèria orgànica viva) fa circular una gran quantitat de carboni però només conté una fracció petita del total disponible. La necrosfera (matèria orgànica morta), o matèria orgànica morta, representa una fracció molt més gran. Per tant la necrosfera és més important que la biosfera en quant a font de carboni. Per tant, si la necrosfera no és descomposta els nutrients quedaran atrapats en una estructura fixa.
La descomposició de matèria orgànica és la desintegració gradual de la matèria morta. És efectuada per agents físics i biològics i culmina amb el trencament de molècules orgàniques donant lloc a CO2, aigua i nutrients inorgànics. Aquests últims són aprofitats per altres elements fotosintètics.
Usuario: julesdms Júlia de Mas Factors que afecten a la velocitat de descomposició.
1. Temperatura.
La temperatura fa augmentar la taxa de descomposició. Per això als boscos tropicals la velocitat és molt més gran que en els temperats, encara que també actuen altres factors. Una temperatura extrema pot afectar negativament.
2. Oxigenació.
En condicions d’anòxia (manca d’oxigen) es redueix la velocitat de descomposició de la matèria orgànica.
3. Aigua (en medi terrestre).
En el medi terrestre quanta més aigua hi ha (en aquest cas mesurada com la taxa d’evaporació), la descomposició de la matèria orgànica és més rapida.
4. Contingut en lignina.
El contingut en lignina i altres molècules poc degradables (com la suberina i la quitina) determina la velocitat de descomposició.
En el medi terrestre a més lignina menys velocitat de descomposició, s’estableix una relació lineal. En el medi aquàtic s’estableix una relació exponencial, a menys contingut de lignina més ràpida serà la descomposició.
5. Duresa i contingut en nitrogen de les fulles.
La major duresa i el menor contingut en nitrogen de les fulles també fan disminuir la taxa de descomposició.
En els animals hi ha una relació de 1N:10C, en el cas dels vegetals és 1N:40C. Contra més nitrogen hi ha a la vegetació més fàcil és que la descomposició duta a terme pels organismes que descomponen la vegetació sigui més ràpida.
Organismes implicats en la descomposició de la matèria orgànica.
Tenim dos organismes que participen en la descomposició de la matèria orgànica: els descomponedors (inclou bactèries i fongs) i els detritívors (inclou diferents grups d’invertebrats).
La descomposició de matèria orgànica és un procés accelerat pels detritívors, destrueixen la matèria orgànica i la fan més petita. D’aquesta manera després és aprofitada pels descomponedors. Això defineix els dos grans patrons, com més detritívors, més ràpida és la descomposició de matèria orgànica morta.
Fluxos d’energia a l’ecosistema Transferència d’energia entre diferents nivells tròfics.
Hi ha tot un circuit a nivell terrestre i aquàtic, en la que tant l’energia com la massa passen pels diferents nivells tròfics.
Usuario: julesdms Júlia de Mas Via dels fitòfags i via dels descomponedors.
Via dels fitòfags.
Els herbívors consumeixen la PPN, i els herbívors són consumits pels carnívors.
Via dels detritívors.
Els descomponedors de matèria orgànica són menjats per carnívors.
Tot i així, no són dues vies independents, sinó que mantenen una relació. Els carnívors de la via dels fitòfags poden menjar-se als descomponedors i els carnívors de la via dels detritívors poden menjar-se als herbívors. A més, la mort de tots els components de la via dels fitòfags i dels detritívors són convertits a matèria inorgànica gràcies als detritívors i descomponedors. També hem de tenir en compte que es perd energia degut a que cada component du a terme respiració.
De les dues vies la que gairebé sempre és més important és la dels detritívors, degut a que alguns dels seus components s’encarreguen de descompondre la matèria orgànica i transformar-la en inorgànica podent sent aprofitada pels organismes productors.
Exemples - En un bosc la via dels herbívors, és molt petita, la major part de la producció primària acaba en matèria orgànica morta i els descomponedors tenen un paper molt important.
En un prat la via dels fitòfags guanya importància però la via dels herbívors continua essent important.
Únicament a les comunitats planctòniques del mig de l’oceà, la via dels fitòfags i dels descomponedors són similars, però la dels fitòfags no és més gran. Per la via dels descomponedors circula molt més energia que per la via dels fitòfags.
Cicles de nutrients a l’ecosistema.
Els cicles de nutrients (o biogeoquímics) són sistemes en els que els nutrients es mouen de manera més o menys cíclica entre diferents compartiments i a diferents velocitats de flux de circulació de nutrients. Entre aquests compartiments hi ha un flux de matèria i de nutrients.
Entendrem com a compartiments on estan emmagatzemats els nutrients (els arbres, el sòl, llavors, etc.).
El components seran molt diferents segons el cicle. L’entrada de nutrients en els ecosistemes marins es donen per afloraments subterranis o per despreniments de sediments. En els ecosistemes terrestres els nutrients es condueixen entre diferents organismes i elements abiòtics. Totes les entrades i sortides o relacions entre els compartiments són els cicles de nutrients.
La quantitat de nutrients que hi ha en un compartiment no determina si els fluxos són grans o petits. En el cas de la litosfera, veiem com té pocs nutrients però el flux és molt gran.
Exemple. Cicle de l’aigua.
Entre els diferents compartiments del cicle de l’aigua trobem: els oceans, els rius, les glaceres, l’aigua de l’atmosfera. Tant l’evaporació de l’aigua, com la precipitació són fluxos de nutrients.
Usuario: julesdms Júlia de Mas Tipus de cicles de nutrients.
Cicles sedimentaris o locals.
Són aquells que operen dintre d’un ecosistema. Corresponen sempre a elements poc mòbils que normalment no es desplacen a través de l’aire com P, K, Ca, Mg, Cl, Mo, Mn o Fe.
Un exemple seria el cicle local del P. Hi ha fòsfor en els organismes, en el sòl (roques) o a l’aigua.
Els organismes assimilen plantes i bactèries, aleshores els organismes tenen fòsfor orgànic. Amb l’excreció, els ossos i bactèries fosfatizants els fosfats es dissolen. Els fosfats dissolts els podem trobar formant part de sediments gràcies a un procés de sedimentació. A partir de processos geològics els sediments poden arribar a formar roques fosfatades que mitjançant la meteorització i l’erosió tornen a formar fosfats dissolts. Els sediments també poden formar fosfats dissolts mitjançant la resuspensió deguda a processos físics i biològics.
Cicles gasosos o globals.
Impliquen intercanvis entre l’atmosfera i l’ecosistema. Corresponen a elements volàtils que es desplacen a través de l’aire, com C, N, O o H.
Un exemple seria el cicle global del N. En el nitrogen hi haurà una circulació en el mateix ecosistema però també en format gasós. Aquest element entra a l’ecosistema per diferents vies, i pot anar d’un ecosistema a un altre, gràcies a que forma part de l’atmosfera.
Efectes de les pertorbacions sobre els cicles de nutrients.
Les pertorbacions alteren considerablement els cicles de nutrients. Estudis realitzats en dues conques de rius experimentals mostren que la taxa total d’exportació de nutrients és 13 vegades superior a la zona pertorbada (tala d’arbres) que a la control. És a dir, en la conca desforestada la pèrdua de nutrients era molt major que a la zona control.
Hi ha dos fenòmens responsables: - L’enorme reducció de la superfície de transpiració, que fa que es dreni més aigua i les taxes de lixiviació o rentat de nutrients siguin més altes.
- La ruptura del cicle de nutrients, que fa que es desconnecti la captació de nutrients per les plantes amb la descomposició, de manera que els nutrients es renten amb l’aigua de drenatge.
La concentració de ions a l’aigua de sortida d’una conca control i una conca desforestada experimentalment a la zona de Hubbard Brook (EUA). Després de la desforestació (fletxa vermella) la sortida de nutrients de la conca desforestada és molt més alta que a la conca control (7,14 i 60 a 1).
Bosc no pertorbat.
En un bosc no pertorbat hi ha poques entrades de nutrients, hi ha una biomassa important que per mineralització es torna a convertir en nutrients disponibles. Aleshores aquests nutrients són absorbits per la biomassa. A més, en un bosc no pertorbat hi ha poques sortides nutrients ja que són aprofitats.
Usuario: julesdms Júlia de Mas Bosc pertorbat.
Quan hi ha una pertorbació es perd biomassa, hi ha nutrients però ningú absorbeix. Per tant les entrades són més petites que les sortides. Hi ha una pèrdua notable de nutrients.
Pauta general de resposta d’un ecosistema a una pertorbació.
Si hi ha sort trobaríem una pauta en la que hi ha petites entrades de nutrients. Després d’una pertorbació hi ha una pèrdua molt important de nutrients. Si la pertorbació no és definitiva el procés es recupera i tornem a la situació inicial. Les pertorbacions a vegades permeten recuperar el sistema.
...

Comprar Previsualizar