Análisis de Comunidades Ecológicas en Parches

Comparación de la Diversidad

Al comparar tres parches ecológicos, se observa que los parches 1 y 2 presentan la misma riqueza de especies, la cual es superior a la del parche 3. Por lo tanto, desde la perspectiva de la riqueza, los dos primeros parches son más diversos. Para este estudio se utilizaron métricas de diversidad alfa (riqueza dentro de cada parche) y diversidad beta (diferencia entre parches).

La comunidad del parche 3 muestra una mayor similitud con la del parche 1 que con la del 2. De hecho, su composición es un subconjunto de las especies que colonizaron el parche 1, lo que resulta en el índice de similitud más alto entre ambos. En contraste, la comunidad del parche 2 es la más disímil en su composición. La mayor diferencia en comunidades de polinizadores se encuentra entre los parches 1 y 2.

El Modelo de Filtros Ecológicos

Según el modelo de filtros, las especies que conforman las comunidades locales de cada parche deben superar tres barreras principales:

• Filtro de dispersión: La capacidad de las especies para llegar al parche.
• Filtro abiótico: Las condiciones ambientales (clima, suelo, etc.) que permiten su establecimiento.
• Filtro biótico: Las interacciones con otras especies (competencia, mutualismo, depredación).

En este caso, las siete especies de polinizadores presentes en el bosque fuente lograron colonizar los parches. Los parches 1 y 2 se encuentran a la misma distancia del bosque, por lo que el filtro de dispersión es idéntico para ambos. En consecuencia, las diferencias en su composición deben atribuirse a los filtros abióticos o bióticos.

Dado que los parches 1 y 2 contienen diferentes especies de árboles frutales, el factor determinante es un filtro biótico. Este filtro actúa como un recurso selectivo: las especies A, D y E no pueden alimentarse del frutal sp. 2, y viceversa (las especies C, F y G no se alimentan del frutal sp. 1). Las interacciones resultantes pueden ser de mutualismo (polinización) o competencia. La especie B, al ser generalista y buena dispersora, se encuentra presente en los tres parches. El parche 3 comparte el mismo filtro biótico que el 1 (mismo frutal), pero su comunidad es menos rica debido a un filtro de dispersión más intenso, ya que se encuentra a mayor distancia del bosque.

Sucesión Ecológica

La sucesión ecológica es el proceso de cambio en la composición de las comunidades, el flujo de energía y la circulación de nutrientes a lo largo del tiempo, de forma continua y no estacional.

Tipos de Sucesiones

• Sucesión Primaria: Se inicia en un sustrato nuevo, sin influencia biótica previa. Generalmente ocurre tras un disturbio de alta intensidad y a gran escala (ej. una colada de lava).
• Sucesión Secundaria: Ocurre cuando una comunidad existente es destruida o perturbada, pero la composición biótica previa (ej. banco de semillas en el suelo) influye en el proceso sucesional.

Atributos Vitales para la Sucesión

Los atributos clave de las especies que determinan su rol en la sucesión son:

1. El mecanismo de recuperación tras un disturbio.
2. La capacidad de reproducción en un entorno competitivo.

Mecanismos de Reemplazo de Especies (Connell y Slatyer)

1. Facilitación: La llegada de nuevas especies depende de las condiciones creadas por las especies pioneras. Las especies presentes modifican el ambiente y facilitan el establecimiento de otras especies que son mejores competidoras.
2. Tolerancia: Las especies tardías son capaces de tolerar niveles más bajos de recursos. Invaden y alcanzan la madurez en presencia de las especies tempranas y, con el tiempo, las desplazan por competencia.
3. Inhibición: Todas las especies establecidas resisten la invasión de competidoras. El reemplazo solo ocurre cuando las especies residentes son eliminadas por disturbios.

Diseño de Experimentos para Probar los Mecanismos

Para diferenciar entre estos mecanismos, se pueden realizar experimentos de campo, que son preferibles por considerar la historia del sitio:

• Para probar la facilitación: Se eliminan las especies pioneras. Si las especies tardías no se desarrollan o lo hacen más lentamente sin las pioneras, se confirma la facilitación.
• Para probar la tolerancia: Se monitorea el desarrollo de especies tempranas y tardías bajo diferentes niveles de recursos. Las especies tardías deberían prosperar incluso con bajos recursos.
• Para probar la inhibición: Se eliminan las especies pioneras. Si las especies tardías colonizan y se desarrollan mejor en esas áreas despejadas, se evidencia la inhibición.

Malezas como Especies Pioneras

Las malezas exhiben características típicas de especies pioneras: ciclos de vida cortos, alta capacidad de dispersión, reproducción rápida y alta competitividad. Son persistentes en los sistemas agrícolas porque estos son ecosistemas simples, constantemente alterados y con alta disponibilidad de recursos. La recurrencia de los disturbios (como el arado) favorece que las malezas no solo no desaparezcan, sino que se adapten y mantengan sus poblaciones.

Ciclos Biogeoquímicos

Diferencias entre Ciclos Atmosféricos y Sedimentarios

• Ciclos Atmosféricos (ej. H₂O, C, N):
  • Su principal reservorio abiótico activo es la atmósfera.
  • Tienen una dimensión global debido a la alta movilidad de los gases.
  • Los elementos circulan rápidamente entre los componentes abióticos y bióticos.
• Ciclos Sedimentarios (ej. S, P, K):
  • Su principal reservorio abiótico activo es el suelo y las rocas.
  • Son más localizados y de menor movilidad, dependiendo de procesos como la meteorización y la erosión.
  • El reciclaje es más lento y depende de procesos geológicos a largo plazo.

Tiempo Medio de Residencia

Es el tiempo promedio que una sustancia permanece en un reservorio específico en condiciones de equilibrio. Esta métrica ayuda a evaluar la estabilidad y la capacidad de regeneración de los reservorios ante perturbaciones. Se calcula con la siguiente fórmula:

Tiempo medio de residencia = (Cantidad almacenada del nutriente en el reservorio) / (Flujo de entrada o de salida)

Principales Reservorios de C, N y P

• Carbono (C): La litósfera (rocas sedimentarias y combustibles fósiles).
• Nitrógeno (N): La atmósfera (aproximadamente 78% como N₂).
• Fósforo (P): Los sedimentos y rocas fosfáticas.

Impacto Humano en los Ciclos del Carbono y Nitrógeno

Impacto en el Ciclo del Carbono

• El uso de combustibles fósiles, la quema de biomasa y la deforestación aumentan el CO₂ atmosférico, contribuyendo al calentamiento global.
• Las emisiones de metano (CH₄), un gas de efecto invernadero (GEI) 20 veces más potente que el CO₂, han aumentado debido al uso de combustibles fósiles, la quema de biomasa, los cultivos de arroz y la ganadería.

Impacto en el Ciclo del Nitrógeno

• Las emisiones de óxido nitroso (N₂O), un GEI 200 veces más efectivo que el CO₂, han aumentado por la fijación industrial (proceso Haber-Bosch), la fertilización agrícola y el cultivo de especies fijadoras (soja, alfalfa).
• Las emisiones de amonio (NH₄⁺) han aumentado debido a la ganadería intensiva, la fertilización y la quema de biomasa.

El Ciclo del Agua (Ciclo Hidrológico)

El ciclo del agua es clave para el transporte de sustancias en todos los ciclos biogeoquímicos. El sistema Suelo-Planta-Atmósfera (S-P-A) es central en este ciclo y utiliza aproximadamente un tercio de la energía solar que llega a la Tierra.

• A escala local: El agua disponible se encuentra principalmente en el suelo (50–300 mm) y, en menor medida, en la biomasa vegetal. Su movimiento depende de la precipitación, la evapotranspiración, la cobertura vegetal, la infiltración y la escorrentía.
• A escala global: La mayor parte del agua se encuentra en los océanos (98,6%) y en los glaciares. Solo una fracción mínima está en la atmósfera, pero cicla muy rápidamente (tiempo de residencia de ~9,5 días).

Las actividades humanas han alterado este ciclo principalmente mediante:

• El cambio climático.
• La modificación de la cobertura vegetal (deforestación, urbanización).
• El uso creciente del agua para riego.

Estos cambios afectan la distribución de las precipitaciones, la disponibilidad hídrica y la estructura de los ecosistemas.

Servicios Ecosistémicos

Clasificación de los Servicios Ecosistémicos

Servicios de Suministro (o Provisión)

Corresponden a los productos que los ecosistemas proporcionan directamente a las sociedades, como alimentos, madera, agua potable y fibras.

Servicios de Regulación

Incluyen procesos naturales que mantienen el funcionamiento y la estabilidad de los ecosistemas, como la regulación hídrica y climática, la polinización y el control de plagas.

Servicios Culturales

Son beneficios no materiales relacionados con la recreación, la educación, la investigación científica y los valores estéticos, espirituales o religiosos asociados a los ecosistemas.

Servicios de Soporte

Consisten en procesos fundamentales que permiten la existencia del resto de los servicios, como la formación de suelos, la productividad primaria y el ciclado de nutrientes. Por ejemplo, la rotación de cultivos mejora la formación del suelo (aumenta la cantidad de microorganismos, reduce la erosión), optimiza el ciclado de nutrientes (las leguminosas fijan nitrógeno) y aumenta la productividad primaria neta (PPN) al minimizar enfermedades y el agotamiento del suelo.

Ejemplo: Servicios del Sistema Ganadero Pastoril Extensivo

Un sistema ganadero pastoril extensivo provee múltiples servicios ecosistémicos:

• Servicios de provisión: Producción de carne y leche, forraje para alimentación animal, y materiales como cuero y lana.
• Servicios de regulación: Regulación del ciclo hidrológico (mejora la infiltración de agua), control de la erosión del suelo, y captura y almacenamiento de carbono en la biomasa y el suelo.
• Servicios culturales: Mantenimiento de un paisaje natural asociado a actividades recreativas (turismo rural) y un valor cultural e identidad local vinculados a las prácticas ganaderas.
• Servicios de soporte: Formación de suelo a través de la materia orgánica, ciclado de nutrientes y polinización en los pastizales naturales adyacentes.

Flujo de Energía en Agroecosistemas

Optimización del Flujo de Energía hacia los Herbívoros

Para maximizar la energía almacenada en el compartimento de los herbívoros (ganado), un productor puede implementar las siguientes estrategias de manejo, enfocadas en maximizar la energía consumida (Ch) y minimizar las pérdidas (energía no asimilada NAh, no utilizada NUh, y respiración):

1. Aumentar la eficiencia de asimilación (reducir NAh): Mejorar la calidad del forraje para que sea de alta digestibilidad o suplementar la dieta con proteínas (N).
2. Reducir las pérdidas de energía por respiración: Proveer sombra y abrigo para reducir el estrés térmico, limitar la movilidad de los animales y controlar parásitos y enfermedades que aumentan la tasa metabólica.

Impactos del Manejo en Otros Servicios Ecosistémicos

La estrategia de reducir la energía no asimilada (NAh), si bien aumenta la producción de carne, puede tener impactos negativos en otros servicios ecosistémicos, ya que disminuye el aporte de materia orgánica (heces) al suelo.

Impactos en Servicios de Soporte

• Formación y estructura del suelo: Una menor cantidad de materia orgánica proveniente de las heces se incorpora a la necromasa y, eventualmente, a la materia orgánica del suelo (MOS), lo que puede deteriorar la estructura del suelo.
• Ciclado de nutrientes: La necromasa es fundamental para los descomponedores, que liberan nutrientes inorgánicos al suelo. Una disminución en el flujo de NAh puede reducir la actividad de los descomponedores, afectando la fertilidad y el reciclaje interno de nutrientes.

Impactos en Servicios de Regulación

• Regulación del clima: Al reducirse el aporte de materia orgánica, se compromete la capacidad del suelo para acumular carbono orgánico, afectando negativamente el servicio de secuestro de carbono.
• Regulación hídrica y control de la erosión: Un suelo con peor estructura tiene menor capacidad de infiltración de agua y es más susceptible a la erosión, un servicio de regulación clave.

Análisis Detallado de los Ciclos del Carbono y Nitrógeno

Ciclo del Carbono (C)

El carbono es esencial para la vida, ya que forma la base de las moléculas orgánicas y permite la transferencia de energía entre niveles tróficos. Su dinámica implica intercambios constantes entre componentes bióticos y abióticos mediante la fotosíntesis (que incorpora CO₂ a la biomasa) y la respiración (que lo devuelve a la atmósfera).

Análisis por Escala

• Escala local: El carbono se almacena principalmente en la vegetación y los suelos. Existen flujos laterales como la erosión o el movimiento de CO₂ entre ecosistemas.
• Escala regional: Se considera el transporte lateral de carbono disuelto o particulado entre ecosistemas.
• Escala global: Se evalúan todos los reservorios planetarios. El mayor reservorio activo son los océanos (aprox. 95%), mientras que la reserva total más grande de C se encuentra en las rocas. El CO₂ atmosférico representa una proporción pequeña pero tiene un ciclado muy rápido.

Flujos y Alteraciones Humanas

Los organismos autótrofos fijan anualmente grandes cantidades de carbono (aprox. 120 Pg en ecosistemas terrestres y 82,8 Pg en oceánicos). La respiración, especialmente la de los descomponedores, devuelve la mayor parte de este carbono a la atmósfera.

Las actividades humanas han alterado drásticamente este ciclo. La quema de combustibles fósiles libera cerca de 9,8 Pg de C/año, lo que ha provocado un aumento del CO₂ atmosférico desde 280 ppm (era preindustrial) a más de 400 ppm en la actualidad. La deforestación y los incendios también son fuentes importantes de emisiones. Aunque existen contraflujos como la reforestación y prácticas agrícolas que aumentan el carbono en el suelo, no son suficientes para compensar las emisiones.

Ciclo del Nitrógeno (N)

El nitrógeno es el nutriente mineral que más limita la productividad primaria en ecosistemas terrestres y acuáticos. A escala local, la mayor parte del nitrógeno se encuentra en la materia orgánica del suelo, y su reciclado interno es el flujo más importante.

El nitrógeno disponible para las plantas es el nitrógeno reactivo (formas orgánicas o inorgánicas asimilables). En contraste, la atmósfera contiene nitrógeno en forma de N₂ no reactivo, un gas inerte que solo puede ser aprovechado tras ser fijado por microorganismos especializados o por procesos abióticos de alta energía (como los rayos).

Procesos Globales y Alteraciones Humanas

Los principales procesos naturales del ciclo global del nitrógeno son:

• Fijación Biológica de Nitrógeno (FBN): Realizada por bacterias.
• Fijación atmosférica: Producida por los rayos.
• Desnitrificación: Proceso microbiano que devuelve N₂ a la atmósfera.

La revolución industrial modificó profundamente el ciclo. El proceso Haber-Bosch (para producir fertilizantes sintéticos) y el cultivo extensivo de plantas fijadoras (leguminosas) han incrementado enormemente la disponibilidad de nitrógeno reactivo en la biosfera, provocando graves consecuencias ambientales:

• Contaminación de cuerpos de agua (eutrofización).
• Aumento de gases de efecto invernadero como el N₂O (270 veces más potente que el CO₂).
• Lluvia ácida por deposición de óxidos de nitrógeno (NOx).
• Redistribución global del nitrógeno a través del comercio internacional de granos, fertilizantes y carne.