Ecología de ecosistemas - Ecosystem ecology

Figura 1. Un bosque ribereño en las Montañas Blancas , New Hampshire (EE. UU.).

La ecología de ecosistemas es el estudio integrado de los componentes vivos ( bióticos ) y no vivos ( abióticos ) de los ecosistemas y sus interacciones dentro de un marco de ecosistema. Esta ciencia examina cómo funcionan los ecosistemas y lo relaciona con sus componentes, como los productos químicos , el lecho de roca , el suelo , las plantas y los animales .

La ecología de ecosistemas examina las estructuras físicas y biológicas y examina cómo estas características de los ecosistemas interactúan entre sí. En última instancia, esto nos ayuda a comprender cómo mantener agua de alta calidad y una producción de productos básicos económicamente viable. Un enfoque principal de la ecología de los ecosistemas está en los procesos funcionales, los mecanismos ecológicos que mantienen la estructura y los servicios producidos por los ecosistemas. Estos incluyen la productividad primaria (producción de biomasa ), la descomposición y las interacciones tróficas .

Los estudios de la función de los ecosistemas han mejorado enormemente la comprensión humana de la producción sostenible de forraje , fibra , combustible y suministro de agua . Los procesos funcionales están mediados por el clima , la perturbación y la gestión de nivel regional a local . Por lo tanto, la ecología de los ecosistemas proporciona un marco poderoso para identificar los mecanismos ecológicos que interactúan con los problemas ambientales globales, especialmente el calentamiento global y la degradación de las aguas superficiales.

Este ejemplo demuestra varios aspectos importantes de los ecosistemas:

  1. Los límites de los ecosistemas son a menudo nebulosos y pueden fluctuar con el tiempo.
  2. Los organismos dentro de los ecosistemas dependen de los procesos físicos y biológicos a nivel del ecosistema.
  3. Los ecosistemas adyacentes interactúan estrechamente y, a menudo, son interdependientes para el mantenimiento de la estructura de la comunidad y los procesos funcionales que mantienen la productividad y la biodiversidad.

Estas características también introducen problemas prácticos en la gestión de los recursos naturales. ¿Quién gestionará qué ecosistema? ¿La tala de madera en el bosque degradará la pesca recreativa en el arroyo? Estas preguntas son difíciles de abordar para los administradores de tierras mientras que el límite entre los ecosistemas sigue sin estar claro; aunque las decisiones en un ecosistema afectarán al otro. Necesitamos una mejor comprensión de las interacciones e interdependencias de estos ecosistemas y los procesos que los mantienen antes de que podamos comenzar a abordar estas preguntas.

La ecología de ecosistemas es un campo de estudio inherentemente interdisciplinario. Un ecosistema individual está compuesto por poblaciones de organismos que interactúan dentro de las comunidades y contribuyen al ciclo de nutrientes y al flujo de energía . El ecosistema es la principal unidad de estudio en ecología de ecosistemas.

La ecología poblacional, comunitaria y fisiológica proporciona muchos de los mecanismos biológicos subyacentes que influyen en los ecosistemas y los procesos que mantienen. El flujo de energía y el ciclo de la materia a nivel de ecosistema a menudo se examinan en la ecología de los ecosistemas, pero, en su conjunto, esta ciencia se define más por el tema que por la escala. La ecología de ecosistemas aborda los organismos y las reservas abióticas de energía y nutrientes como un sistema integrado que la distingue de las ciencias asociadas, como la biogeoquímica .

La biogeoquímica y la hidrología se centran en varios procesos fundamentales de los ecosistemas, como el ciclo químico de nutrientes mediado biológicamente y el ciclo físico-biológico del agua. La ecología de los ecosistemas forma la base mecanicista de los procesos regionales o globales abarcados por la hidrología del paisaje a la región, la biogeoquímica global y la ciencia del sistema terrestre.

Historia

La ecología de ecosistemas está filosófica e históricamente arraigada en la ecología terrestre. El concepto de ecosistema ha evolucionado rápidamente durante los últimos 100 años con importantes ideas desarrolladas por Frederic Clements , un botánico que defendía definiciones específicas de ecosistemas y que los procesos fisiológicos eran responsables de su desarrollo y persistencia. Aunque la mayoría de las definiciones de los ecosistemas de Clements han sido revisadas en gran medida, inicialmente por Henry Gleason y Arthur Tansley , y más tarde por los ecólogos contemporáneos, la idea de que los procesos fisiológicos son fundamentales para la estructura y función del ecosistema sigue siendo fundamental para la ecología.

Figura 3. La energía y la materia fluyen a través de un ecosistema, adaptado del modelo de Silver Springs. H son herbívoros, C son carnívoros, TC son los principales carnívoros y D son descomponedores. Los cuadrados representan piscinas bióticas y los óvalos son flujos de energía o nutrientes del sistema.

El trabajo posterior de Eugene Odum y Howard T. Odum cuantificó los flujos de energía y materia a nivel de ecosistema, documentando así las ideas generales propuestas por Clements y su contemporáneo Charles Elton .

En este modelo, los flujos de energía a través de todo el sistema dependían de las interacciones bióticas y abióticas de cada componente individual ( especies , reservas inorgánicas de nutrientes, etc.). El trabajo posterior demostró que estas interacciones y flujos se aplicaron a los ciclos de nutrientes, cambiaron a lo largo de la sucesión y mantuvieron poderosos controles sobre la productividad del ecosistema. Las transferencias de energía y nutrientes son innatas a los sistemas ecológicos, independientemente de si son acuáticos o terrestres. Por lo tanto, la ecología de los ecosistemas ha surgido de importantes estudios biológicos de plantas, animales, ecosistemas terrestres , acuáticos y marinos .

Servicios de ecosistema

Los servicios de los ecosistemas son procesos funcionales mediados ecológicamente que son esenciales para mantener sociedades humanas saludables . La provisión y filtración de agua, la producción de biomasa en la silvicultura , la agricultura y la pesca , y la eliminación de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera son ejemplos de servicios ecosistémicos esenciales para la salud pública y las oportunidades económicas. El ciclo de nutrientes es un proceso fundamental para la producción agrícola y forestal.

Sin embargo, como la mayoría de los procesos de los ecosistemas, el ciclo de los nutrientes no es una característica del ecosistema que se pueda "marcar" al nivel más deseable. Maximizar la producción en sistemas degradados es una solución demasiado simplista a los complejos problemas del hambre y la seguridad económica. Por ejemplo, el uso intensivo de fertilizantes en el medio oeste de los Estados Unidos ha provocado la degradación de las pesquerías en el Golfo de México . Lamentablemente, se ha recomendado una " revolución verde " de fertilización química intensiva para la agricultura en los países desarrollados y en desarrollo . Estas estrategias corren el riesgo de alterar los procesos del ecosistema que pueden ser difíciles de restaurar, especialmente cuando se aplican a escalas amplias sin una evaluación adecuada de los impactos. Los procesos de los ecosistemas pueden tardar muchos años en recuperarse de una perturbación significativa.

Por ejemplo, la tala de bosques a gran escala en el noreste de los Estados Unidos durante los siglos XVIII y XIX ha alterado la textura del suelo, la vegetación dominante y el ciclo de nutrientes de formas que impactan la productividad forestal en la actualidad. Se necesita una apreciación de la importancia de la función de los ecosistemas en el mantenimiento de la productividad, ya sea en la agricultura o en la silvicultura, junto con los planes para la restauración de procesos esenciales. Un mejor conocimiento de la función de los ecosistemas ayudará a lograr la sostenibilidad y la estabilidad a largo plazo en las partes más pobres del mundo.

Operación

La productividad de la biomasa es una de las funciones del ecosistema más aparentes y económicamente importantes. La acumulación de biomasa comienza a nivel celular a través de la fotosíntesis. La fotosíntesis requiere agua y, en consecuencia, los patrones globales de producción de biomasa anual están correlacionados con la precipitación anual. Las cantidades de productividad también dependen de la capacidad general de las plantas para capturar la luz solar, que está directamente relacionada con el área foliar de la planta y el contenido de nitrógeno.

La productividad primaria neta (NPP) es la medida principal de acumulación de biomasa dentro de un ecosistema. La productividad primaria neta se puede calcular mediante una fórmula simple en la que la cantidad total de productividad se ajusta a las pérdidas totales de productividad mediante el mantenimiento de los procesos biológicos:

NPP = GPP - R productor
Figura 4. Cambios estacionales y anuales en la concentración ambiental de dióxido de carbono (CO 2 ) en Mauna Loa Hawaii (Atmósfera) y por encima del dosel de un bosque caducifolio en Massachusetts (Bosque). Los datos muestran claras tendencias estacionales asociadas con períodos de NPP alta y baja y un aumento anual general del CO 2 atmosférico . Datos aproximados de los reportados por Keeling y Whorf y Barford.

Donde GPP es la productividad primaria bruta y el productor de R es el fotosintato ( carbono ) perdido a través de la respiración celular .

La NPP es difícil de medir, pero una nueva técnica conocida como covarianza de remolinos ha arrojado luz sobre cómo los ecosistemas naturales influyen en la atmósfera. La Figura 4 muestra los cambios estacionales y anuales en la concentración de CO 2 medidos en Mauna Loa , Hawaii de 1987 a 1990. La concentración de CO 2 aumentó constantemente, pero la variación dentro de un año ha sido mayor que el aumento anual desde que comenzaron las mediciones en 1957.

Se pensó que estas variaciones se debían a la absorción estacional de CO 2 durante los meses de verano. Una técnica recientemente desarrollada para evaluar las centrales nucleares del ecosistema ha confirmado que las variaciones estacionales son impulsadas por cambios estacionales en la absorción de CO 2 por la vegetación. Esto ha llevado a muchos científicos y políticos a especular que los ecosistemas pueden manejarse para mejorar los problemas del calentamiento global . Este tipo de manejo puede incluir la reforestación o la alteración de los programas de aprovechamiento forestal en muchas partes del mundo.

Descomposición y ciclo de nutrientes

La descomposición y el ciclo de nutrientes son fundamentales para la producción de biomasa de los ecosistemas. La mayoría de los ecosistemas naturales están limitados en nitrógeno (N) y la producción de biomasa está estrechamente relacionada con la renovación de N. Normalmente, el aporte externo de nutrientes es muy bajo y el reciclaje eficiente de nutrientes mantiene la productividad. La descomposición de la basura vegetal representa la mayoría de los nutrientes reciclados a través de los ecosistemas (Figura 3). Las tasas de descomposición de la hojarasca de las plantas dependen en gran medida de la calidad de la hojarasca; la alta concentración de compuestos fenólicos, especialmente lignina , en la hojarasca vegetal tiene un efecto retardador sobre la descomposición de la hojarasca. Los compuestos de C más complejos se descomponen más lentamente y pueden tardar muchos años en descomponerse por completo. La descomposición se describe típicamente con descomposición exponencial y se ha relacionado con las concentraciones de minerales, especialmente manganeso, en la hojarasca.

Figura 5. Dinámica de la hojarasca vegetal en descomposición (A) descrita con un modelo exponencial (B) y un modelo combinado exponencial-lineal (C).

A nivel mundial, las tasas de descomposición están mediadas por la calidad de la basura y el clima. Los ecosistemas dominados por plantas con baja concentración de lignina a menudo tienen tasas rápidas de descomposición y ciclo de nutrientes (Chapin et al. 1982). Los compuestos que contienen carbono simple (C) son metabolizados preferentemente por microorganismos descomponedores, lo que da como resultado velocidades iniciales rápidas de descomposición, véase la Figura 5A, modelos que dependen de velocidades constantes de descomposición; los denominados valores “k”, consulte la Figura 5B. Además de la calidad de la hojarasca y el clima, la actividad de la fauna del suelo es muy importante.

Sin embargo, estos modelos no reflejan procesos de desintegración lineales y no lineales simultáneos que probablemente ocurren durante la descomposición. Por ejemplo, las proteínas , los azúcares y los lípidos se descomponen exponencialmente, pero la lignina se descompone a un ritmo más lineal. Por lo tanto, la descomposición de la basura se predice de manera inexacta mediante modelos simplistas.

Un modelo alternativo simple presentado en la Figura 5C muestra una descomposición significativamente más rápida que el modelo estándar de la Figura 4B. Una mejor comprensión de los modelos de descomposición es un área de investigación importante de la ecología de los ecosistemas porque este proceso está estrechamente relacionado con el suministro de nutrientes y la capacidad general de los ecosistemas para secuestrar CO 2 de la atmósfera.

Dinámica trófica

La dinámica trófica se refiere al proceso de transferencia de energía y nutrientes entre organismos. La dinámica trófica es una parte importante de la estructura y función de los ecosistemas. La Figura 3 muestra la energía transferida para un ecosistema en Silver Springs, Florida. La energía obtenida por los productores primarios (plantas, P) es consumida por los herbívoros (H), que son consumidos por los carnívoros (C), que a su vez son consumidos por los “top-carnívoros” (TC).

Uno de los patrones más obvios en la Figura 3 es que a medida que uno se mueve hacia niveles tróficos más altos (es decir, de plantas a carnívoros superiores), la cantidad total de energía disminuye. Las plantas ejercen un control "de abajo hacia arriba" sobre la estructura energética de los ecosistemas al determinar la cantidad total de energía que ingresa al sistema.

Sin embargo, los depredadores también pueden influir en la estructura de los niveles tróficos inferiores de arriba hacia abajo. Estas influencias pueden cambiar drásticamente las especies dominantes en los sistemas terrestres y marinos. La interacción y la fuerza relativa de los controles de arriba hacia abajo frente a los de abajo hacia arriba en la estructura y función del ecosistema es un área importante de investigación en el campo más amplio de la ecología.

La dinámica trófica puede influir fuertemente en las tasas de descomposición y el ciclo de nutrientes en el tiempo y en el espacio. Por ejemplo, la herbivoría puede aumentar la descomposición de la hojarasca y el ciclo de nutrientes a través de cambios directos en la calidad de la hojarasca y la vegetación dominante alterada. Se ha demostrado que la herbivoría de insectos aumenta las tasas de descomposición y la renovación de nutrientes debido a cambios en la calidad de la cama y al aumento de la entrada de excrementos .

Sin embargo, el brote de insectos no siempre aumenta el ciclo de nutrientes. Stadler demostró que la melaza rica en C producida durante el brote de pulgón puede resultar en una mayor inmovilización de N por los microbios del suelo, lo que ralentiza el ciclo de nutrientes y limita potencialmente la producción de biomasa. Los ecosistemas marinos del Atlántico norte se han visto muy alterados por la sobrepesca del bacalao. Las poblaciones de bacalao se desplomaron en la década de 1990, lo que provocó un aumento de sus presas, como el camarón y el cangrejo de las nieves. La intervención humana en los ecosistemas ha provocado cambios drásticos en la estructura y función de los ecosistemas. Estos cambios se están produciendo rápidamente y tienen consecuencias desconocidas para la seguridad económica y el bienestar humano.

Aplicaciones e importancia

Lecciones de dos ciudades centroamericanas

La biosfera se ha visto muy alterada por las demandas de las sociedades humanas. La ecología de los ecosistemas juega un papel importante en la comprensión y adaptación a los problemas ambientales actuales más urgentes. La ecología de restauración y la gestión de ecosistemas están estrechamente asociados con la ecología de ecosistemas. La restauración de recursos altamente degradados depende de la integración de los mecanismos funcionales de los ecosistemas.

Sin estas funciones intactas, el valor económico de los ecosistemas se reduce considerablemente y pueden desarrollarse condiciones potencialmente peligrosas en el campo. Por ejemplo, las áreas dentro de las tierras altas montañosas del oeste de Guatemala son más susceptibles a deslizamientos de tierra catastróficos y a la paralizante escasez de agua estacional debido a la pérdida de recursos forestales. En contraste, ciudades como Totonicapán que han preservado los bosques a través de instituciones sociales sólidas tienen una mayor estabilidad económica local y un mayor bienestar humano en general.

Esta situación es llamativa considerando que estas áreas están cerca unas de otras, la mayoría de los habitantes son de ascendencia maya y la topografía y los recursos generales son similares. Este es el caso de dos grupos de personas que administran recursos de formas fundamentalmente diferentes. La ecología de los ecosistemas proporciona la ciencia básica necesaria para evitar la degradación y restaurar los procesos de los ecosistemas que satisfacen las necesidades humanas básicas.

Ver también

Referencias