Productividad En El Oceano

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generalidades sobre la productividad en el océano

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Productividad En El Oceano

  1. 1. Productividad Oceánica:Productividad primaria<br />Capitulo 5 Ecología Marina <br />Ingeniería en pesquerías UABCS, Dr. Carlos Cáceres Martínez<br />
  2. 2. Definiciones<br />En ecología se llama producción primaria a la producción de materia orgánica que realizan los organismos autótrofos a través de los procesos de fotosíntesis o quimiosíntesis. <br />La producción primaria es el punto de partida de la circulación de energía y nutrientes a través de las cadenas tróficas.<br />
  3. 3. Fitoplancton<br />En los océanos los productores primarios son sobre todo algas unicelulares , que forman el fitoplancton. <br />El grupo cuantitativamente más importante es el de las cianobacterias, seguido de varios filos de eucariontes unicelulares, reino Protista. <br />Destacan las diatomeas y los dinoflagelados. <br />
  4. 4.
  5. 5. El sensor SeaWiFS (Sea-viewingWideField of view Sensor)<br />Es un espectroradiómetro montado en el satélite SeaStar, el cual fue puesto en órbita en septiembre de 1997.<br />El propósito de este sensor es el de obtener datos de color de los océanos.<br />Fue diseñado para examinar los factores biogeoquímicos del océano que afectan ó influyen en el cambio global<br />
  6. 6. SeaWiFS (Sea-viewingWideField of view Sensor)<br />Dado que el fitoplancton marino es importante en el ciclo global del carbono, los datos provenientes del SeaWiFSserven para evaluar el papel del océano dentro de este ciclo. <br />Para ello, este instrumento cuenta con 8 bandas espectrales. Las bandas 1 a la 6 están localizadas en la región óptica del espectro electromagnético (400 - 700 nm) y se ubican en zonas características de absorción y/o reflexión del fitoplancton<br />
  7. 7. SeaWiFS<br />Desde marzo de 1998 las imágenes SeaWiFS son recibidas diariamente en el Instituto de Geografía de la UNAM* estación autorizada por la NASA.<br />* hasta el momento esta es la única estación de este tipo que existe en México.<br />
  8. 8. Características de las imágenes SeaWiFS<br />SeaWiFS<br />Al igual que las imágenes AVHRR, la resolución espacial del sensor SeaWiFS es de 1.1 Km al medir en área de cobertura local (LAC por sus siglas en inglés) y de 4.5 Km en área de cobertura global(GAC).<br />
  9. 9. Características y resolución<br />Sin embargo, la radianza de saturación para este sensor es baja lo cual permite obtener información de los parámetros marinos que poseen señales débiles, al saturarse rápidamente las señales altas provenientes de suelos, nubes y vegetación terrestre. <br />En consecuencia, es posible dar seguimiento a los florecimientos de algas marinas. <br />
  10. 10. Fitoplancton<br />Si observamos el océano desde el espacio, veremos diferentes tonos de azul.<br /> Utilizando instrumentos más sensibles que el ojo humano, podemos medir cuidadosamente el espectro de colores reflejado por el océano. <br />Las diferencias de color revelan la presencia y la concentración de fitoplancton, sedimentos y productos químicos, y orgánicos en solución. <br />
  11. 11. Fitoplancton<br />Debido a que diferentes especies de fitoplancton tienen diferentes concentraciones y tipos de clorofila, aparecen como colores diferentes en los instrumentos de satélite WideField-de-View Sensor (SeaWiFS). <br />Por lo tanto, observando el color de un área del océano podemos estimar la cantidad de fitoplancton.<br />Comparando imágenes tomadas en diferentes períodos de la misma área podemos conocer los cambios que se producen en función del tiempo.<br />
  12. 12. ¿Por qué es importante el fitoplancton?<br />Las algas unicelulares son el inicio de la cadena alimenticia de la mayoría de los sistemas de nuestro planeta.<br />El fitoplancton se multiplica rápidamente y el crecimiento de sus poblaciones alimenta larvas de peces e infinidad de animales, que a su vez son el alimento de otros mayores.<br />Localizando las zonas de alta productividad (mucho fitoplancton) en el océano podemos entonces localizar áreas de pesca.<br />
  13. 13. ¿Por qué es importante el fitoplancton?<br />Además de actuar como el primer eslabón de la cadena alimentaria, el fitoplancton constituyen una parte fundamental en la química del océano.<br />El dióxido de carbono en la atmósfera está en equilibrio con dióxido de carbono en el océano. <br />Durante la fotosíntesis fitoplancton elimina el dióxido de carbono en el agua de mar y se produce como subproducto oxígeno.<br />
  14. 14. ¿Por qué es importante el fitoplancton?<br />Esto permite que los océanos absorban más dióxido de carbono de la atmósfera. Si existiera menos fitoplancton, aumentaría el dióxido de carbono atmosférico.<br />
  15. 15. Recordatorio: Ciclo del CO2<br />
  16. 16. Continua ciclo del CO2<br />El fitoplancton afecta los niveles de CO2, ya que el mismo, como las plantas terrestres se compone de Carbono.<br />El fitoplancton muerto se hunde y se atrapa en el fondo, de esta manera los océanos son un depósito de carbono, de lo contrario el carbono se acumularía en la atmosfera como CO2 , con las consecuencias de todos conocidas.<br />
  17. 17. Como puedo medir la productividad del océano<br />Para su medición existen varias aproximaciones unas basadas en mediciones de carbono y otras basadas en mediciones de pigmentos, aquí veremos los principios teóricos de las mismas.<br />Primero debemos de observar los datos de productividad directos y posteriormente hacer modelos de correlación con el color observado.<br />
  18. 18. Mediciones de la productividad primaria: Estimación de la biomasa (Chl o Carbón) <br />Tasa de Carbón fijado<br />Método de Incubación de 14C o 13C <br />Mediciones in situ<br />Fotos de J. Ishizaka: •http://www.wimsoft.com/Tutorial_Primary_Productivity.pdf<br />
  19. 19. Producción Primaria<br />La producción primaria de océano (PP)<br />La producción primaria neta (NPP, g C m2d-1) es decir, la producción primaria total menos las pérdidas debido a la respiración del fitoplancton, es un indicador del límite superior para la producción en los niveles tróficos más altos. <br />
  20. 20. Satélite<br />Modelo típico de estimación de PP a partir de datos de satélite<br />Photosinthetically Active Radiation (PAR) (uE/m2/día)<br />Sea SurfaceChlorophyl (mgChl/m3) <br />Sea SurfaceTemperature<br />(SST) (°C)<br />Modelo<br />Parámetros Empíricos<br />Columna de Agua integrada con la Productividad Primaria (IPP)<br />
  21. 21. Aproximación basada en los pigmentos<br />Básico: Concentración superficial de pigmentos eficiencia de asimilación función de la luz<br />Insumos:<br /><ul><li>Biomasa de pigmentos
  22. 22. Clorofila no = Biomasa de carbón
  23. 23. algoritmos empíricos de su relación –algoritmos semi-analíticos
  24. 24. Eficiencia de Asimilación
  25. 25. Frecuentemente domina la variabilidad de NPP
  26. 26. conservación de valores mínimos
  27. 27. Los controladores críticos son; Luz, nutrientes y la temperatura</li></li></ul><li>Pigmentos: Fisiología<br />Luz<br />Temperatura<br />Nutrientes<br />Chl:Cmax<br />Dunaliellatertiolecta<br />20 oC<br />Sin limitación de nutrientes<br />Fase de Crecimiento exponencial<br />Geider (1987) New Phytol. 106: 1-34<br />16 especies <br /> = Diatomeas <br /> = todas las otras especies<br />Laws & Bannister (1980) <br />Limnol. Oceanogr. 25: 457-473<br />Thalassiosirafluviatilis<br /> = NO3 limitado en cultivo<br /> = NH4 limitado en cultivo<br /> = PO4 limitado en cultivo<br />Chl:Cmin<br />Chl:C (mg mg-1)<br />Luz (moles m-2 h-1)<br />Chl:Cmax<br />Temperatura (oC)<br />Chl:Cmin<br />Low Nutrient stress High<br />Tasa de crecimiento (div. d-1)<br />
  28. 28. Base Pigmentos: Fisiología<br />Básico: Concentración de pigmentos superficial* eficiencia de asimilación* función de la luz<br />Aproximaciones:<br /><ul><li> Constantes
  29. 29. Provincias Biogeográficas
  30. 30. Funciones de la Temperatura
  31. 31. Linear
  32. 32. Exponencial
  33. 33. Polinomial
  34. 34. Lógica Difusa/ Mezcla
  35. 35. Modelos ‘Dinámicos’ fisiológicos
  36. 36. E0, Kd, MLD…
  37. 37. Stress por nutrientes: </li></ul>grado & tipo<br /><ul><li> Temperatura
  38. 38. Grupos Taxonómicos (?)</li></ul>Longhurst & Platt (1995) – CZCS, provinces, PI data<br />1000<br />gC / m2 / y<br />600<br />0<br />VGPM with Eppley <br />
  39. 39. Sumario del Modelo<br /><ul><li>NPP anual basado en pigmentos Global = 40’s a 60’s Pg C y-1
  40. 40. 14C-base = 20 a 30 Pg C y-1, pero 2 recientemente @ 51 a 56 Pg C y-1
  41. 41. Los datos de Oxigeno sugieren que el 14C debe de ser un factor de 2 a 3 y es muy bajo
  42. 42. Carbón-base = 7 a 16% de las estimaciones basadas en pigmentos*</li></ul>(w/ equivalente inputs de sombra)<br /><ul><li> CZCS < del MarWiFS > GSM (…. otras)
  43. 43. Kpar < K < K490
  44. 44. Fisiología regional</li></ul>*67 vs 60 Pg C y-1 en 2005 GBC<br />
  45. 45. Actualmente existen mas aproximaciones de medición una de ellas usa el carbono.<br />
  46. 46. La aproximación basadaen el ‘Carbón’<br />Básico: La biomasa de carbón en el fitoplancton y* su tasa de crecimiento * es función de la luz<br />Aproximación:<br /><ul><li>algoritmos semi analíticos proporcionan estimaciones de cicatrices “Particulatebackscatter (bbp)” y de la concentración de clorofila y fitoplancton.
  47. 47. “Particulatebackscattering” son producidas por el fitoplancton y partículas de tamaño pequeño.
  48. 48. La conservación de la naturaleza del espectro del tamaño de las partículas permite a la biomasa de Carbono del fitoplancton ser </li></ul> estimada a partir de bbp<br />
  49. 49. Un índice de pigmentación intracelular lo constituye la clorofila que a su vez es un índice de la biomasa del carbón del fitoplancton.<br /><ul><li> La Pigmentación intracelular registra variaciones por el crecimiento y aclimataciones a regímenes de luz diferentes.
  50. 50. Esto representa dos productos muy poderosos para modelar la biomasa de carbón del fitoplancton y su crecimiento</li></ul>L0<br />L1<br />Chlorophyll<br />Variance Level<br />L2<br />L3<br />28 Regional <br />Bins<br />L4<br />Behrenfeld et al. GBC 2005<br />reprints <br />SO-all<br />excluded<br />
  51. 51. La aproximación basadaen el ‘Carbón’<br />C = scalar  (bbp – intercept)<br /> = 13,000  (bbp – 0.00035)<br />Intercept = 0.00017 m-1<br /> Stramski & Kiefer (1991) Prog. <br /> Oceanogr. 28,343-383<br /> Cho & Azam (1990) Mar. Ecol. <br /> Prog. Ser., 63,253-259<br />Phytoplankton Carbon = 25 – 35% POC<br /> Eppley et al. (1992) J. Geophys. <br /> Res., 97, 655-661<br /> DuRand et al. (2001) Deep-Sea <br /> Res. II, 48, 1983-2003<br /> Gundersen et al. (2001) Deep-Sea <br /> Res. II 48, 1697-1718<br />‘DominioBiomasa’<br />bbp (m-1)<br />‘DominioFisiológico’<br />Clorofila(mg m-3)<br />Intercept = bbp from <br />stable component <br />of the bacterial population<br />
  52. 52. Chl:Csat<br />( Chl:CN,T-max ) Light<br /> 0<br />0.5<br />1.0<br />1.5<br />2.0<br />Growth rate (division d-1)<br />Growth rate () = <br />maxf (nuts, temp) g (light)<br />2 divisions d-1<br />Banse (1991)<br />1 – exp -3light<br />Relative frequency<br />Verano Boreal<br />Invierno Boreal<br />
  53. 53. Verano Boreal<br />Invierno Boreal<br />0<br />1200<br />800<br />400<br />1500<br />Net Primary Production (mg m-2)<br />
  54. 54. Laboratorio<br />Espacio<br />Chl:C (mg mg-1)<br />Chl:C (mg mg-1)<br />Chl:C<br />Regional Behavior<br />Light (moles photons m-2 h-1)<br />Chl:Cmax<br />Chl:Cmax<br />Temperature (oC)<br />Chl:Cmin<br />Chl:Cmin<br />Low Nutrient stress High<br />Low Nutrient stress High<br />Growth rate (div. d-1)<br />Temperature (oC)<br />Validación del modeloqueusacarbón<br />
  55. 55. 0.06<br />80oN<br />0.05<br />40oN<br />0.03<br />Chl:C (mg mg-1)<br />0.02<br />0o<br />0.012<br />40oS<br />0.006<br />0<br />80oS<br />Remote sensing data: Average June values for SeaWiFS time series<br />*<br />50oE<br />150oE<br />110oW<br />10oW<br />50oE<br />150oE<br />110oW<br />10oW<br />Carbon-based: Validation<br />Model<br />Satellite*<br />
  56. 56. Growth Rate (divisions d-1)<br />0<br />1.0<br />1.5<br />2.0<br />0.5<br />Current Issues: Unique nutrients<br /> (div. d-1)<br />0.8<br />0.4<br />0<br />1.2<br />1.6<br />25o<br />25o<br />15o<br />15o<br />Latitude<br />Latitude<br />5o<br />5o<br />5o<br />5o<br />15o<br />15o<br />145oW<br />115oW<br />130oW<br />85oW<br />100oW<br />160oW<br />155oE<br />175oW<br />170oE<br />25o<br />25o<br />15o<br />15o<br />Latitude<br />Latitude<br />5o<br />5o<br />5o<br />5o<br />15o<br />15o<br />145oW<br />115oW<br />130oW<br />85oW<br />100oW<br />160oW<br />155oE<br />175oW<br />170oE<br />0.1<br />0.06<br />0.02<br />NPP (Pg C y-1)<br />Longitude<br />
  57. 57. Pigment-based: Biomass<br />Annual Average SeaWiFS<br />Surface Chlorophyll based on<br />NASA Standard Algorithm<br />sKip??<br />Annual Average SeaWiFS<br />Surface Chlorophyll based on<br />GSM Semi-analytic Algorithm<br />mg m-3<br />
  58. 58. Pg C y-1<br />53<br />48<br />50<br />Anomalíasmensulaes<br />En la productividadprimariaNeta<br />(Pg C)<br />1997<br />1998<br />1999<br />2000<br />2001<br />2002<br />2003<br />2004<br />2005<br />Año<br />
  59. 59. FechaAutor NPP (Pg y-1) Metodo<br />1952 Steemann Nielsen 20 few 14C measurements<br />1957 Fleming & Laevastu 20 FAO production data (O2, 14C, etc)<br />1957 Steemann Nielsen 20-25 few 14C measurements<br />1958 Fogg 32 FAO production data (O2, 14C, etc)<br />1968 Koblentz-Mishkeet al. 23 Synthesis of many 14C stations<br />1969 Bogorov 25 Synthesis of many 14C stations <br />1969 Ryther 20 14C & spatial model<br />1970 Koblentz-Mishkeet al. 25-30 revision of ‘68 paper<br />1975 Platt & SubbaRao 31 new 14C synthesis<br />1985 Shushkina56 new 14C & biomass data<br />1987 Martin et al. 51 revision of Koblentz-Mishkeet al.<br />1989 Berger et al. 27 new 14C synthesis<br />Resultados teniendo como base<br />datos de 14C <br />From: Barber & Hilting (2002) In: Phytoplankton Productivity: Carbon assimilation in marine and freshwater ecosystems<br />[Williams, Thomas, Reynolds eds.] Blackwell<br />
  60. 60. Segunda parte de productividad primaria<br />La producción primaria en la tierra suele estar limitada por la temperatura y la humedad.<br />La productividad primaria acuática suele estar limitada por la disponibilidad de nutrientes.<br />Los consumidores pueden influir en las tasa de producción primaria de los ecosistemas.<br />Las perdidas de energía limitan el número de niveles tróficos en los ecosistemas<br />
  61. 61. Consumidores terciarios<br />Microorganismos<br /> Y<br />Detritívoros<br />Consumidores<br />secundarios<br />Consumidores Primarios<br />Productores Primarios<br />Calor<br />Reciclado Químico<br />Sol<br />Flujo de Energía<br />
  62. 62. Consumidor terciario<br />Consumidor secundario<br />Consumidor primario<br />Productor primario<br />De luz solar<br />
  63. 63. Peso seco<br />Nivel Trófico<br />Consumidores Terciarios<br />Consumidores Secundarios<br />Productores Secundarios<br />Productores Primarios<br />Las piramides de biomasa decrecen sucesivamente en los niveles superiores, como se ilustra en este ejemplo de un bosque de florida.<br />Peso seco<br />Nivel Trófico<br />Consumidores primarios Zooplancton<br />Productores Primarios Fitoplancton<br />Algunos ecosistemas como el canal ingles el crecimiento de los productores primarios soporta un blom superior de consumidores primarios<br />
  64. 64.
  65. 65.
  66. 66. Porcentaje de la superficie terrestre<br />Promedio de PPN (g/m2/año)<br />Porcentaje de la tierra que produce PPN<br />
  67. 67. La productividad en la superficie se limita solo por la intensidad luminosa<br />PPN<br />P P<br />La productividad comienza a declinar con la profundidad por menor penetración de luz<br />Profundidad de compensación<br />Fondo de la zona Eufótica<br />Tasa de Respiración<br />PPN= Productividad Primaria Neta<br />PP=Productividad primaria (GrossPP)<br />100 m de profundidad<br />
  68. 68.
  69. 69. Productividad Primaria<br />Productividad Neta<br />Productividad primaria<br />Respiración<br />Profundidad<br />Profundidad de Compensación<br />Productividad Neta<br />Productividad Primaria<br />Respiración<br />

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