Patrones y control de la dinámica del agua, carbono y nutrientes en los ecosistemas
Marco teórico
Los ecosistemas, un conjunto de componentes bióticos y abióticos interactuando en un espacio y tiempo determinados, transforman la materia y la energía disponibles en el ambiente por medio de procesos funcionales muy acoplados. Mediante estos procesos, denominados biogeoquímicos, el oxígeno, el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno y el fósforo, junto con un larga lista de elementos más, fluyen, se combinan, se almacenan, y se reciclan en el ecosistema.
Una parte importante del hidrógeno y el oxígeno que fluyen y se reciclan en el ecosistema, lo hacen en forma conjunta como moléculas de agua. El agua participa de una manera directa y determinante en la gran mayoría de los procesos funcionales del ecosistema. Usualmente más del 50% de la energía que entra al ecosistema es utilizada para evaporar agua, mediante los flujos de calor latente. Elementos minerales indispensables para el crecimiento de las plantas, como el N, el P, el Ca, el Mg, el K y el S, fluyen en forma iónica al estar éstos disueltos en el agua. Es por ellos que el análisis del ciclo hidrológico del ecosistema es esencial para el entendimiento de la dinámica del ecosistema en su conjunto.
El carbono, por su parte, asociado al oxígeno, entra y sale del ecosistema en forma de bióxido de carbono. Este C, asimilado en forma de CO2 por las plantas, es utilizado en la elaboración de compuestos orgánicos tales como los almidones, azúcares. No obstante que las plantas sólo utilizan menos del 2% de la energía radiante que entra al ecosistema, la energía fijada y almacenada en los enlaces de C mediante la fotosíntesis constituye la principal fuente de energía para el resto de los organismos que componen el ecosistema. Es por ello que el análisis de la dinámica del C en el ecosistema, es clave para comprender su dinámica energética.
Mientras que el nitrógeno, constituye uno de los gases más abundantes de la atmósfera (71%), su disponibilidad para las plantas, y por ende para el resto de los organismos del ecosistema, es sumamente limitada. Esto obedece al hecho que las plantas no asimilan el nitrógeno molecular (en forma de N2) sino sólo en ciertas formas iónicas como el nitrato (NO3= ) y el amonio (NH4+). No obstante que existen procesos naturales que fijan el N (fijación bacteriana, vulcanismo, descargas eléctricas, etc.) estos son muy limitados, lo que se traduce en una baja disponibilidad el la gran mayoría de los ecosistemas. Es por ello que el análisis de las transformaciones de nitrógeno en el ecosistema son particularmente importantes para entender su dinámica productiva.
Relevancia
El análisis y entendimiento de la manera como la materia y la energía fluye entre los componente bióticos y abióticos del ecosistema ha sido el objeto de estudio de desde hace muchos años por biólogos y edafólogos. Procesos como la fotosíntesis, la absorción de minerales por las raíces, la descomposición microbiana, la mineralización de la materia orgánica y el intemperismo del material parental, por mencionar sólo algunos, se han analizado con gran detalle, sobre todo a escalas espaciales y temporales pequeñas (minutos, horas, días; en hojas, raíces, especies individuales, laboratorio y parcelas experimentales). El estudio de estos procesos a escala de tiempo mayores (años, década y siglos) así como a escala espaciales más grandes (regionales, continentales y globales) son aún muy incipientes. Esto es particularmente necesario, ya que los procesos biogeoquímicos se dan a diferentes escalas espaciales y temporales. Así mismo, la transformación de los ecosistemas en sistemas productivos traen consigo modificaciones de los procesos biogeoquímicos, cuyos efectos sobrepasan las áreas directamente afectadas, y muchas veces se manifiestan de manera retardada. Los estudios biogeoquímicos a largo plazo, y a gran escala, no sólo permitirán separar los efectos de una perturbación de aquellos producto de la variación natural en la dinámica del ecosistema, sino además permitirá detectar relaciones causa efecto de manera más precisa.
Métodos y variables
Con respecto al C.- contenido de materia orgánica en el suelo, respiración del suelo, fotosíntesis, biomasa aérea y subterránea, herbivoría, mantillo en pié.
Con respecto al agua.- precipitación, intercepción del dosel y del mantillo, infiltración, evapotranspiración, humedad en el suelo, escorrentía, infiltración profunda.
Con respecto a nutrientes (N, P, K, Ca, Mg, S).- depositación húmeda y seca, lavado del dosel, absorción de minerales por las plantas, adsorción de minerales en el suelo, mineralización de la materia orgánica, transformaciones microbianas, erosión, lixiviación, contenido de minerales en la vegetación.
Variables meteorológicas.- radiación neta, albedo, RFA, velocidad y dirección del viento, humedad y temperatura del aire.
Infraestructura
Herramientas específicas serán necesarias para analizar la biogeoquímica del ecosistema a diferentes escalas. Al nivel de parcelas experimentales, se requiere equipo manual como lisímetros, cámaras de incubación, nucleadores de suelo, infiltrómetros y porómetros. A escalas mayores, como el de cuencas hidrográficas, es necesario contar con sistemas de aforo y muestreo del agua de escorrentía, así como una red de pluviógrafos, y colectores de lluvia indirecta (Throuhgfall). Torres micrometeorológicas ataviadas de sensores de radiación, de velocidad y dirección del viento, así como gradientes de humedad y de bióxio de carbono están siendo utilizados para estimar evapotranspiración e intercambio de carbono a escalas de Km2. Los sistemas de información geográfica, aunados a sistemas de percepción remota, tanto aérea como satelital, son indispensables para analizar los fenómenos a escalas regionales. La utilización de modelos matemáticos son claves para combinar información generada a diferentes escalas espaciales. Equipos como autonalizadores y espectrofotómetros permiten hacer el trabajo de determinación química de manera más eficiente (en tiempo y costo) así como con una mayor sensibilidad. La utilización de isótopos radioactivos, y más recientemente la isotopía estable son herramientas ampliamente usadas en estudios biogeoquímicos.
