generalidades sobre la productividad en el océano

1. Productividad Oceánica:Productividad primaria Capitulo 5 Ecología Marina Ingeniería en pesquerías UABCS, Dr. Carlos Cáceres Martínez

2. Definiciones 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. La producción primaria es el punto de partida de la circulación de energía y nutrientes a través de las cadenas tróficas.

3. Fitoplancton En los océanos los productores primarios son sobre todo algas unicelulares , que forman el fitoplancton. El grupo cuantitativamente más importante es el de las cianobacterias, seguido de varios filos de eucariontes unicelulares, reino Protista. Destacan las diatomeas y los dinoflagelados.

5. El sensor SeaWiFS (Sea-viewingWideField of view Sensor) Es un espectroradiómetro montado en el satélite SeaStar, el cual fue puesto en órbita en septiembre de 1997. El propósito de este sensor es el de obtener datos de color de los océanos. Fue diseñado para examinar los factores biogeoquímicos del océano que afectan ó influyen en el cambio global

6. SeaWiFS (Sea-viewingWideField of view Sensor) 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. 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

7. SeaWiFS Desde marzo de 1998 las imágenes SeaWiFS son recibidas diariamente en el Instituto de Geografía de la UNAM* estación autorizada por la NASA. * hasta el momento esta es la única estación de este tipo que existe en México.

8. Características de las imágenes SeaWiFS SeaWiFS 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).

9. Características y resolución 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. En consecuencia, es posible dar seguimiento a los florecimientos de algas marinas.

10. Fitoplancton Si observamos el océano desde el espacio, veremos diferentes tonos de azul. Utilizando instrumentos más sensibles que el ojo humano, podemos medir cuidadosamente el espectro de colores reflejado por el océano. Las diferencias de color revelan la presencia y la concentración de fitoplancton, sedimentos y productos químicos, y orgánicos en solución.

11. Fitoplancton 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). Por lo tanto, observando el color de un área del océano podemos estimar la cantidad de fitoplancton. Comparando imágenes tomadas en diferentes períodos de la misma área podemos conocer los cambios que se producen en función del tiempo.

12. ¿Por qué es importante el fitoplancton? Las algas unicelulares son el inicio de la cadena alimenticia de la mayoría de los sistemas de nuestro planeta. 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. Localizando las zonas de alta productividad (mucho fitoplancton) en el océano podemos entonces localizar áreas de pesca.

13. ¿Por qué es importante el fitoplancton? Además de actuar como el primer eslabón de la cadena alimentaria, el fitoplancton constituyen una parte fundamental en la química del océano. El dióxido de carbono en la atmósfera está en equilibrio con dióxido de carbono en el océano. Durante la fotosíntesis fitoplancton elimina el dióxido de carbono en el agua de mar y se produce como subproducto oxígeno.

14. ¿Por qué es importante el fitoplancton? Esto permite que los océanos absorban más dióxido de carbono de la atmósfera. Si existiera menos fitoplancton, aumentaría el dióxido de carbono atmosférico.

15. Recordatorio: Ciclo del CO2

16. Continua ciclo del CO2 El fitoplancton afecta los niveles de CO2, ya que el mismo, como las plantas terrestres se compone de Carbono. 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.

17. Como puedo medir la productividad del océano 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. Primero debemos de observar los datos de productividad directos y posteriormente hacer modelos de correlación con el color observado.

18. Mediciones de la productividad primaria: Estimación de la biomasa (Chl o Carbón) Tasa de Carbón fijado Método de Incubación de 14C o 13C Mediciones in situ Fotos de J. Ishizaka: •http://www.wimsoft.com/Tutorial_Primary_Productivity.pdf

19. Producción Primaria La producción primaria de océano (PP) 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.

20. Satélite Modelo típico de estimación de PP a partir de datos de satélite Photosinthetically Active Radiation (PAR) (uE/m2/día) Sea SurfaceChlorophyl (mgChl/m3) Sea SurfaceTemperature (SST) (°C) Modelo Parámetros Empíricos Columna de Agua integrada con la Productividad Primaria (IPP)

22. Clorofila no = Biomasa de carbón

23. algoritmos empíricos de su relación –algoritmos semi-analíticos

24. Eficiencia de Asimilación

25. Frecuentemente domina la variabilidad de NPP

26. conservación de valores mínimos

29. Provincias Biogeográficas

30. Funciones de la Temperatura

31. Linear

32. Exponencial

33. Polinomial

34. Lógica Difusa/ Mezcla

35. Modelos ‘Dinámicos’ fisiológicos

36. E0, Kd, MLD…

38. Grupos Taxonómicos (?)Longhurst & Platt (1995) – CZCS, provinces, PI data 1000 gC / m2 / y 600 0 VGPM with Eppley

40. 14C-base = 20 a 30 Pg C y-1, pero 2 recientemente @ 51 a 56 Pg C y-1

41. Los datos de Oxigeno sugieren que el 14C debe de ser un factor de 2 a 3 y es muy bajo

43. Kpar < K < K490

44. Fisiología regional*67 vs 60 Pg C y-1 en 2005 GBC

45. Actualmente existen mas aproximaciones de medición una de ellas usa el carbono.

47. “Particulatebackscattering” son producidas por el fitoplancton y partículas de tamaño pequeño.

48. La conservación de la naturaleza del espectro del tamaño de las partículas permite a la biomasa de Carbono del fitoplancton ser estimada a partir de bbp

50. Esto representa dos productos muy poderosos para modelar la biomasa de carbón del fitoplancton y su crecimientoL0 L1 Chlorophyll Variance Level L2 L3 28 Regional Bins L4 Behrenfeld et al. GBC 2005 reprints SO-all excluded

51. La aproximación basadaen el ‘Carbón’ C = scalar  (bbp – intercept) = 13,000  (bbp – 0.00035) Intercept = 0.00017 m-1 Stramski & Kiefer (1991) Prog. Oceanogr. 28,343-383 Cho & Azam (1990) Mar. Ecol. Prog. Ser., 63,253-259 Phytoplankton Carbon = 25 – 35% POC Eppley et al. (1992) J. Geophys. Res., 97, 655-661 DuRand et al. (2001) Deep-Sea Res. II, 48, 1983-2003 Gundersen et al. (2001) Deep-Sea Res. II 48, 1697-1718 ‘DominioBiomasa’ bbp (m-1) ‘DominioFisiológico’ Clorofila(mg m-3) Intercept = bbp from stable component of the bacterial population

52. Chl:Csat ( Chl:CN,T-max ) Light 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Growth rate (division d-1) Growth rate () = maxf (nuts, temp) g (light) 2 divisions d-1 Banse (1991) 1 – exp -3light Relative frequency Verano Boreal Invierno Boreal

53. Verano Boreal Invierno Boreal 0 1200 800 400 1500 Net Primary Production (mg m-2)

54. Laboratorio Espacio Chl:C (mg mg-1) Chl:C (mg mg-1) Chl:C Regional Behavior Light (moles photons m-2 h-1) Chl:Cmax Chl:Cmax Temperature (oC) Chl:Cmin Chl:Cmin Low Nutrient stress High Low Nutrient stress High Growth rate (div. d-1) Temperature (oC) Validación del modeloqueusacarbón

55. 0.06 80oN 0.05 40oN 0.03 Chl:C (mg mg-1) 0.02 0o 0.012 40oS 0.006 0 80oS Remote sensing data: Average June values for SeaWiFS time series * 50oE 150oE 110oW 10oW 50oE 150oE 110oW 10oW Carbon-based: Validation Model Satellite*

56. Growth Rate (divisions d-1) 0 1.0 1.5 2.0 0.5 Current Issues: Unique nutrients  (div. d-1) 0.8 0.4 0 1.2 1.6 25o 25o 15o 15o Latitude Latitude 5o 5o 5o 5o 15o 15o 145oW 115oW 130oW 85oW 100oW 160oW 155oE 175oW 170oE 25o 25o 15o 15o Latitude Latitude 5o 5o 5o 5o 15o 15o 145oW 115oW 130oW 85oW 100oW 160oW 155oE 175oW 170oE 0.1 0.06 0.02 NPP (Pg C y-1) Longitude

57. Pigment-based: Biomass Annual Average SeaWiFS Surface Chlorophyll based on NASA Standard Algorithm sKip?? Annual Average SeaWiFS Surface Chlorophyll based on GSM Semi-analytic Algorithm mg m-3

58. Pg C y-1 53 48 50 Anomalíasmensulaes En la productividadprimariaNeta (Pg C) 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Año

59. FechaAutor NPP (Pg y-1) Metodo 1952 Steemann Nielsen 20 few 14C measurements 1957 Fleming & Laevastu 20 FAO production data (O2, 14C, etc) 1957 Steemann Nielsen 20-25 few 14C measurements 1958 Fogg 32 FAO production data (O2, 14C, etc) 1968 Koblentz-Mishkeet al. 23 Synthesis of many 14C stations 1969 Bogorov 25 Synthesis of many 14C stations 1969 Ryther 20 14C & spatial model 1970 Koblentz-Mishkeet al. 25-30 revision of ‘68 paper 1975 Platt & SubbaRao 31 new 14C synthesis 1985 Shushkina56 new 14C & biomass data 1987 Martin et al. 51 revision of Koblentz-Mishkeet al. 1989 Berger et al. 27 new 14C synthesis Resultados teniendo como base datos de 14C From: Barber & Hilting (2002) In: Phytoplankton Productivity: Carbon assimilation in marine and freshwater ecosystems [Williams, Thomas, Reynolds eds.] Blackwell

60. Segunda parte de productividad primaria La producción primaria en la tierra suele estar limitada por la temperatura y la humedad. La productividad primaria acuática suele estar limitada por la disponibilidad de nutrientes. Los consumidores pueden influir en las tasa de producción primaria de los ecosistemas. Las perdidas de energía limitan el número de niveles tróficos en los ecosistemas

61. Consumidores terciarios Microorganismos Y Detritívoros Consumidores secundarios Consumidores Primarios Productores Primarios Calor Reciclado Químico Sol Flujo de Energía

62. Consumidor terciario Consumidor secundario Consumidor primario Productor primario De luz solar

63. Peso seco Nivel Trófico Consumidores Terciarios Consumidores Secundarios Productores Secundarios Productores Primarios Las piramides de biomasa decrecen sucesivamente en los niveles superiores, como se ilustra en este ejemplo de un bosque de florida. Peso seco Nivel Trófico Consumidores primarios Zooplancton Productores Primarios Fitoplancton Algunos ecosistemas como el canal ingles el crecimiento de los productores primarios soporta un blom superior de consumidores primarios

66. Porcentaje de la superficie terrestre Promedio de PPN (g/m2/año) Porcentaje de la tierra que produce PPN

67. La productividad en la superficie se limita solo por la intensidad luminosa PPN P P La productividad comienza a declinar con la profundidad por menor penetración de luz Profundidad de compensación Fondo de la zona Eufótica Tasa de Respiración PPN= Productividad Primaria Neta PP=Productividad primaria (GrossPP) 100 m de profundidad

69. Productividad Primaria Productividad Neta Productividad primaria Respiración Profundidad Profundidad de Compensación Productividad Neta Productividad Primaria Respiración