Componentes Abióticos de Ecosistemas Acuáticos

Transcripción

1 Componentes abióticos de un ecosistema acuático Prof. María Mercedes Castillo ** Introducción En los ecosistemas acuáticos, al igual que en los terrestres, los componentes abióticos ejercen una gran influencia sobre los componentes bióticos y sobre el funcionamiento de los ecosistemas. En los ecosistemas acuáticos, las características físicas (luz, temperatura, turbulencia) y químicas (salinidad, ph, oxígeno, nutrientes) del medio acuático pueden afectar los ciclos vitales de los organismos, así como su distribución espacial y temporal en los ecosistemas. A diferencia de los ambientes terrestres, la presencia del medio acuático influye marcadamente sobre la disponibilidad de luz y de gases como el oxígeno, y sobre la distribución del calor en el cuerpo de agua. El agua absorbe diferencialmente las distintas longitudes de onda de la radiación solar y por lo tanto afecta la distribución vertical de la luz y del calor en la columna de agua. En los ambientes acuáticos, la disponibilidad de oxígeno está determinada por la lenta difusión del gas desde la atmósfera y por los procesos de fotosíntesis y respiración. Por estar los organismos inmersos en el medio acuático, variaciones en el ph o en la salinidad del agua pueden afectar directamente la fisiología de los organismos acuáticos, y tener repercusiones sobre los procesos de fotosíntesis y respiración. Por lo tanto, el conocimiento de las variables físicas y químicas del medio acuático, así como de su variación espacial y temporal, son necesarios para comprender el funcionamiento de los ecosistemas. A continuación se describen algunas variables fisicoquímicas relevantes para ecosistemas acuáticos lénticos (lagos y embalses): Luz La energía solar es un factor clave en el funcionamiento de los ecosistemas acuáticos ya que influye sobre la tasa de fotosíntesis de los organismos acuáticos y la estructura vertical de las masas de agua. Además, la luz influye sobre las actividades de los organismos (depredación, orientación) y algunos tipos de radiación pueden tener ** Modificado en Sep 2007 para adaptarlo a la práctica en Monteclaro Lagunas Septiembre-diciembre 2007 Pag. 1 de 14

2 efectos dañinos sobre los organismos como la radiación ultravioleta. Incluso, algunas reacciones químicas (fotooxidación de compuestos orgánicos) están influenciadas por la luz solar. Por estas razones es importante conocer la distribución de la luz en el agua y los factores que la afectan. La luz solar que logra penetrar en el agua (una buena proporción es reflejada) es absorbida y dispersada a medida que aumenta la profundidad lo cual afecta la distribución vertical de los organismos autótrofos y su producción. La absorción de energía solar por el agua y su disipación en forma de calor influye sobre la distribución vertical de la temperatura en un cuerpo de agua. El viento juega un papel importante en la distribución del calor y por lo tanto en los procesos que conllevan a la estratificación térmica de un lago. Cómo es la distribución vertical de luz en una columna de agua? A medida que la luz va penetrando en un lago, una fracción es absorbida y otra es dispersada de manera que la cantidad de luz va disminuyendo a medida que aumenta la profundidad y su composición se va modificando. La presencia de material disuelto (sales, materia orgánica) y de material suspendido (sedimentos, organismos) puede afectar los procesos de absorción y dispersión de la luz. En aguas con poco material suspendido, las ondas largas (rojo, infrarrojo) se absorben en los primeros estratos mientras que las ondas cortas (azul, verde) alcanzan mayores profundidades. En aguas con alta turbidez, la penetración de radiación de longitudes de onda cortas pueden verse reducida considerablemente. La disminución de la intensidad de luz con al profundidad por efecto de la dispersión y la absorción se denomina atenuación de la luz. La cantidad de luz que penetra en un cuerpo de agua afecta la distribución de los organismos autótrofos y su producción. En lagos donde la penetración de luz es mayor, los autótrofos se pueden distribuir en mayor profundidad que en sistemas con una turbidez elevada. En los estratos superficiales de los lagos donde la cantidad de luz es apropiada para llevar a cabo la fotosíntesis, la producción (P) es mayor que la Septiembre-diciembre 2007 Pag. 2 de 14

3 respiración (R). Dicha zona se denomina trofogénica (hay una producción neta de alimento). En los estratos inferiores, donde la luz es escasa (< 1 %), la respiración es mayor que la producción. Esta zona se denomina trofolítica ya que el consumo de profundidad Luz incidente % Zona trofogénica (P>R) Zona trofolítica (R>P) alimento es mayor que la producción. La transparencia del agua se puede medir con el disco de Secchi, el cual es un disco blanco y negro que se sumerge en el agua hasta que desaparece. La profundidad a la cual esto sucede se denomina profundidad del disco de Secchi. Esta medición permite comparar de una forma rápida y sencilla la transparencia de los cuerpos de agua. Por ejemplo, el Lago de Valencia, cuya profundidad máxima es de 40 m puede presentar una profundidad de disco de Secchi de 1.25 m, mientras que el embalse de Agua Fría (cerca del Jarillo) presenta una profundidad de disco de Secchi de 10 m y su profundidad es de 11m. Esto significa que: (1) Agua Fría es más transparente que el Lago de Valencia; (2) la luz en el embalse de Agua Fría penetra a mayores profundidades que en el lago de Valencia, y (3) la zona trofogénica es más amplia en Agua Fría que en el Lago de Valencia. Temperatura La distribución vertical de temperatura La principal fuente de calor en los lagos es la radiación solar. En los estratos superficiales (<2 m) de un lago o embalse se absorbe más de la mitad de la radiación que incide sobre la superficie del agua, ya que cerca del 50% de la radiación se encuentra en los rangos del rojo e infrarrojo. La distribución del calor absorbido en la columna de agua de un lago o embalse depende de la acción del viento, de los movimientos de masas de agua, y de la morfometría de la cubeta del lago (Wetzel, 2001). Septiembre-diciembre 2007 Pag. 3 de 14

4 Dado que una buena cantidad de radiación solar en las porciones del rojo e infrarrojo es absorbida en los estratos superficiales, estas masas de agua pueden presentar una mayor temperatura que las masas de agua de los estratos inferiores. El agua caliente presenta una densidad menor que el agua fría de manera que tiende a flotar sobre ésta. Así, tenemos agua caliente, menos densa, flotando sobre agua fría más densa, lo cual ocurre en los lagos. La diferencia en densidad no permite que la masa de agua caliente superficial se mezcla con la masa de agua fría del fondo. Este fenómeno se denomina estratificación térmica. profundidad Temperatura Epilimnio Metalimnio Hipolimnio Distribución vertical de la temperatura en un lago estratificado En los lagos estratificados, la masa de agua superior se denomina epilimnio y la inferior hipolimnio. La masa de agua donde ocurre la transición y que exhibe una marcada discontinuidad térmica se denomina metalimnio y el gradiente térmico entre el epilimnio y el hipolimnio se conoce como termoclina. La termoclina es el plano donde ocurre el máximo gradiente vertical de temperatura, asumiéndose que la discontinuidad térmica debe ser de más de 1ºC.. Bajo ciertas condiciones meteorológicas particulares como fuertes vientos o disminución de la temperatura, los lagos pueden mezclarse: la masa de agua superior se mezcla con la inferior. Cuando esto ocurre se dice que el lago está circulando o que se encuentra en período de mezcla. Durante el período de circulación toda la columna de agua presenta una temperatura similar. Profundidad temperatura Los períodos de estratificación y mezcla pueden influir sobre procesos como la Distribución vertical de la temperatura en un lago en circulación producción primaria y secundaria de un lago, ya que afectan la distribución de los Septiembre-diciembre 2007 Pag. 4 de 14

5 nutrientes (nitrógeno, fósforo, sílice, entre otros), del oxígeno y la transparencia del agua. Durante el periodo de estratificación generalmente se observan diferencias en el ph, la conductancia específica y las concentraciones de oxígeno y nutrientes entre las masas de agua superficiales y de fondo, mientras que durante el periodo de mezcla estas variables presentan valores similares. Oxígeno La concentración de oxígeno disuelto en el agua es afectada por factores físicos como la temperatura, presión, turbulencia y por factores biológicos como la fotosíntesis y la respiración. La solubilidad del oxígeno varía inversamente con la temperatura. A mayor temperatura, menor solubilidad de oxígeno. Existe una relación directa entre la solubilidad de los gases y presión atmosférica, por lo tanto la altitud a la cual se ubica un cuerpo de agua puede afectar la cantidad de oxígeno disuelto. La presión hidrostática ejercida por la masas de agua también puede afectar la solubilidad del oxígeno. La turbulencia favorece el intercambio de gases entre el agua y la atmósfera de manera que a mayor turbulencia, se incrementa la exposición del agua al aire, y se incrementa la concentración de oxígeno en el agua. En relación a los procesos biológicos, la fotosíntesis genera oxígeno mientras que la respiración consume oxígeno, por la tanto las tasas de fotosíntesis y producción así como la distribución de los organismos en la columna de agua pueden afectar la distribución vertical del oxígeno. La interacción de procesos físicos y biológicos determinan la concentración de oxígeno en lagos y ríos. En los lagos, la concentración de oxígeno varía dependiendo de su estado trófico (niveles de nutrientes y de productividad primaria), si está estratificado o circulando, su ubicación geográfica, su morfometría y las condiciones meteorológicas. En sistemas con baja producción biológica (sistemas oligotróficos) la distribución P r o f u n d i d a d Temperatura Oxígeno disuelto Curva Ortógrada LAGO OLIGOTROFICO Septiembre-diciembre 2007 Pag. 5 de 14

6 vertical de la temperatura está determinada principalmente por factores físicos (temperatura y turbulencia). En lagos estratificados, que presentan condiciones de oligotrofia, la concentración de oxígeno disuelto en el epilimnio es ligeramente menor que en el hipolimnio, ya que la temperatura en los estratos superiores es mayor que en los estratos inferiores. Esta distribución vertical de oxígeno característica de un lago oligotrófico se representa a través de una curva que se denomina ortógrada. En lagos y embalses que reciben muchos nutrientes, y por lo tanto la productividad biológica es elevada, la concentración de oxígeno está determinada principalmente por procesos biológicos. En un lago eutrófico durante el período de estratificación, la concentración de oxígeno tiende a ser elevada en los estratos superiores, donde se desarrolla la fotosíntesis con mayor intensidad. Sin embargo, esta productividad tan alta, generan gran cantidad de detrito (materia orgánica particulada muerta) que se va sedimentando y descomponiendo. Este proceso de descomposición consume oxígeno, y por ello el hipolimnio de un lago con una producción alta puede tener baja concentración de oxígeno o incluso ser anóxico (sin oxígeno). Este tipo de curva se denomina clinógrada de oxígeno. P r o f u n d i d a d Temperatura Oxígeno disuelto Curva Clinógrada LAGO EUTROFICO En ambos tipos de lagos, el periodo de circulación está acompañado por una distribución homogénea de oxígeno en toda la columna de agua. La distribución vertical de oxígeno proporciona información sobre la condición trófica del lago (oligotrofía vs. eutrofía) y sobre la distribución de los organismos planctónicos, bentónicos y de los peces. Igualmente ejerce gran influencia sobre los Septiembre-diciembre 2007 Pag. 6 de 14

7 procesos de descomposición de materia orgánica y la presencia de reacciones químicas (reacciones redox). Objetivos de la práctica El objetivo general de esta práctica es familiarizar al estudiante con la determinación e interpretación de algunas características físicas y químicas en sistemas acuáticos. Dado que los embalses presentan un componente vertical asociado a la profundidad y uno horizontal en el eje río-dique es importante conocer las variaciones de los parámetros físicos y químicos en ambos componentes. Para ellos se visitarán dos lagunas interconectadas y se realizarán mediciones de temperatura, trasparencia y oxígeno en varias profundidades y en varios puntos, y además se colectarán muestras de agua para medir ph y conductividad. La finalidad de estas determinaciones es que el estudiante determine si el embalse se encuentra en estado de estratificación o de mezcla y como varían las condiciones abióticas entre los dos cuerpos de agua seleccionados. Actividades Esta práctica se va a realizar en las lagunas de la urbanización Monteclaro Lagunas. Estas lagunas está alimentado por una escorrentía estacional proveniente de la microcuenca aledaña y de agua que se bombea de pozos ubicadas en los alrededores. Se van a establecer tres estaciones de muestreo en cada una de ellas, dependiendo de la condicón al momento de la visita: una en el centro de la laguna, y dos en cada una de los extremos. Los estudiantes pueden decidir otra configuración de las estaciones de acuerdo con observaciones en campo. En cada estación se realizarán las siguientes actividades: (1) Medición de profundidad (2) Medición de transparencia (3) Perfil de Temperatura y oxígeno disuelto (4) Toma de muestras de agua para medir ph, conductividad (dependiendo del equipo de medición se podrán determinar en campo) y nutrientes Septiembre-diciembre 2007 Pag. 7 de 14

8 En las estaciones de bombeo se colectará agua suficiente (1 litro) para las determinaciones químicas. Copia la planilla anexa en su cuaderno de campo, donde deberás realizar las anotaciones. (0) Ubicación del Embalse y la estación Realice un diagrama esquemático del embalse en su cuaderno de campo, indicando en él los elementos del paisaje mas relevantes. Utilizando el GPS ubique estos puntos con sus coordenadas (los extremos del dique, la línea de costa, etc.). Una vez en la estación de muestreo, determine sus coordenadas geográficas y regístrelas en su cuaderno de campo. (1) Medición de profundidad Una vez que el bote esté anclado, mida la profundidad en la estación de muestreo y anote este valor en su cuaderno de campo (2) Medición de transparencia Las mediciones de transparencia se realizarán empleando un Disco de Secchi. El disco de Secchi es un disco blanco y negro de 20 cm de diámetro el cual está suspendido en una cuerda marcada cada 10 cm. La transparencia estimada a través del Disco de Secchi es el promedio entre las profundidades donde el disco desaparece al descenderlo en la columna de agua y donde el disco reaparece al subirlo lentamente. Esta medición es función de la luz reflejada por el disco y la luz que es absorbida y dispersada por las partículas y material disuelto en el agua. Para medir la transparencia con el Disco de Secchi: (1) Colóquese en el lado sombreado del bote (2) Baje el Disco de Secchi hasta la profundidad donde el disco desaparece. Tome nota de esa profundidad. Baje un poco más el disco y luego súbalo lentamente y hasta donde el disco vuelve a ser visible. Anote esta profundidad. La transparencia Septiembre-diciembre 2007 Pag. 8 de 14

9 medida con el Disco de Secchi es el promedio de las profundidades donde el disco de Secchi desaparece y vuelve a hacerse visible. (3) Registre estos valores en la planilla de campo (3) Mediciones de temperatura y oxígeno El perfil de temperatura y oxígeno disuelto se realizarán simultáneamente empleando un oxigenómetro. Procedimiento: 1) Calibre el oxigenómetro contra el oxígeno del aire empelando la altitud donde se encuentra el embalse. Una vez calibrado, proceda a medir la temperatura en la superficie del agua (~10 cm) y luego mida la concentración de oxígeno disuelto (OD) en mg L -1 y el porcentaje de saturación de oxigeno (OD,%). El porcentaje de saturación es la concentración del gas expresada como porcentaje de la concentración indicada para las condiciones de equilibrio a una temperatura y presión dadas (Ley de Henry). 2) Mida la temperatura y el oxígeno disuelto (concentración y % saturación) en intervalos de 1 metro hasta una profundidad de 1 m sobre el fondo. Registre los valores en su cuaderno de campo. (4) Conductancia específica y ph. Como se mencionó anteriormente el ph y la conductancia pueden variar con la profundidad por ello vamos a medir estos parámetros en la superficie y en el fondo del embalse. Toma de muestras de agua Tome 1 L de agua de la superficie y 1 L del fondo en cada estación de muestreo. Para colectar las muestras del fondo se empleará la botella de Van Dorn. Conductancia especifica La conductancia es una medida de la capacidad del agua para transmitir electricidad y es proporcional a la concentración de iones que se encuentran disueltos en el agua. Para medir conductividad emplearemos un conductímetro. La unidad de Septiembre-diciembre 2007 Pag. 9 de 14

10 conductividad es el mho (inverso de ohm: unidad de resistencia) o el Siemen (S) equivalente al mho. Ambas unidades son expresadas por centímetro( mhos/cm o S/cm) Medición de Conductancia (1) Coloque 100 ml de cada muestra de agua en un beaker. (2) Antes de introducir el electrodo en la muestra lávelo varias veces con agua destilada. (3) Coloque el electrodo en la muestra de agua, asegúrese que esté sumergido adecuadamente. (4) Espere hasta que la medición se estabilice. (5) Tome nota del valor en el cuaderno de campo Medición de Conductancia Específica en Campo Dependiendo si se cuenta con un sensor de campo, este parámetro puede ser estimado directamente. Para ello siga las instrucciones del equipo correspondiente y anote sus observaciones en el cuaderno de campo. ph El ph es afectado por procesos que generen o consuman los iones H +, ya que ph= -log[h + ]. La disolución de CO 2 en el agua, forma ácido carbónico y tiende a disminuir el ph del agua: H 2 O + CO 2 H 2 CO 2 H + + HCO 3 mientras que aquellos procesos que remueven CO 2 o liberen HCO 3 (disolución de carbonatos) tienden a elevar el ph. Medición de ph Para determinar ph se empleará un phmetro. Algunas recomendaciones para la determinación de ph: Septiembre-diciembre 2007 Pag. 10 de 14

11 (1) Las muestras y los buffers deben estar a temperatura ambiente cuando se vayan a realizar las mediciones. (2) Trate cuidadosamente a los electrodos ya que son bastante frágiles. (3) Para medir ph, coloque 100 ml de cada muestra de agua en un beaker. (4) Antes de introducir el electrodo en la muestra lávelo varias veces con agua destilada. (5) Coloque el electrodo en la muestra de agua, asegúrese que esté sumergido adecuadamente. (6) Espere hasta que la medición se estabilice. (7) Tome nota del valor en el cuaderno de campo Medición del ph en campo Dependiendo si se cuenta con un sensor de campo, este parámetro puede ser estimado directamente. Para ello siga las instrucciones del equipo correspondiente y anote sus observaciones en el cuaderno de campo. Septiembre-diciembre 2007 Pag. 11 de 14

12 PLANILLA DE CAMPO ESTACION: FECHA: HORA: COORDENADAS: TEMP AIRE (oc): PROFUNDIDAD (m): TRANSPARENCIA (m): REGISTRADO POR: PROF TEMPERATURA CONDUCTANCIA ph O.D. O.D. (oc) (us/cm) (mg/l) (%) OBSERVACIONES DE LA ESTACIÓN: Septiembre-diciembre 2007 Pag. 12 de 14

13 REPORTE Introducción: El reporte debe incluir una introducción muy breve (máximo 300 palabras) donde se indica la importancia de realizar estudios de los factores abióticos de un cuerpo de agua. Materiales y métodos: Brevemente describa las actividades realizadas en la práctica, sin mencionar los detalles que se encuentran en la guía (cuantas estaciones se muestrearon, donde se ubicaron, qué se determinó y cómo) Resultados y discusión de resultados: En el reporte debe incluir los resultados de sus mediciones (en tablas o gráficos) y las respuestas a las preguntas que se plantean a continuación, y cualquier otro aspecto que considere relevante. Transparencia Compare los valores de Secchi con otros cuerpos de agua (consulte la literatura) Son similares o diferentes? Sugiera a una explicación. Temperatura y oxígeno Grafique las mediciones de temperatura y oxígeno en un mismo gráfico o en dos gráficos del siguiente tipo: Temp /OD Profundidad Se encuentra el embalse mezclado o estratificado? Generalmente se asume que la termoclina se ubica donde existe un cambio en la temperatura >1ºC por metro de Septiembre-diciembre 2007 Pag. 13 de 14

14 profundidad. También considere las diferencias en oxígeno, ph y conductividad entre superficie y fondo. De estar el embalse estratificado: A qué profundidad se ubica la termoclina? Cuál es el espesor del epiliminio y del hipolimnio (en metros)? Cómo es la curva de oxígeno? Coinciden los perfiles de oxígeno disuelto y de temperatura? Por qué? Basándose en la distribución de oxígeno disuelto: Qué puede inferir sobre la distribución del plancton y los peces? Encontrará organismos bentónicos en el fondo? Por qué? (asuma que los peces necesitan más de 2 mg/l de oxígeno disuelto y los macroinvertebrados más de 1 mg/l) Compare los con cuerpos de agua similares (consulte la bibliografía) Establezca semejanzas y diferencias Conductancia específica y ph Compare los valores de conductancia específica y ph entre las muestras de superficie y fondo. Son los valores parecidos o diferentes? En caso de ser diferentes, dónde son más elevados los valores? Sugiera brevemente una explicación. Referencias Cole, G.A Textbook of Limnology. 3ra ed. Waveland, Prospect Heights Hutchinson, G.E A treatise on Limnology. Vol. 1: Geography, Physics and Chemistry. Wiley. New York. Lampert, W. y U. Sommer Limnoecology, Oxford University Press, New York. Margalef, R Limnología. Omega. Barcelona, España. Wetzel, R.G Limnology. 3da ed. Academic Press. Wetzel, R.G. and G.E. Likens Limnological Analyses. Segunda Edición. Springer- Verlag. Septiembre-diciembre 2007 Pag. 14 de 14