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ECOSISTEMA Y SISTEMA AM BI ENTAL
Es impol1ante definir que es un ecosistema y lin sIstema ambiental cuales son sus
diferencias y su apJicabilidad Un ecosistema segLl11 la deftnici6n de la Real Academia
~ Espanola es una comunidad de seres vivos cuyos procesos vitaJes se relacionan entre si y se
desalTollan en funci6n de bs fac tores fisicos de un mismo ambiente ( Espasa 1992) Los
ecosis temas pueden ir desde la microescala como el anal isis de comunidades de
Illicroorganismos hasta esca las de caracter planetario cuando se analiza el ecosistema
acuatico 0 terrestre a nivel panetario Para los ingenieros con su capacidud de modelacion
es mas propio el termino sistema ClmbientaL denominado este como un cOI~unto de
ftmciones intelTelacionados que deftnen un fen6meno y que esta somctido a lin estimulo 0
perturbaci6n y que por 10 tanto tiene una respuesta Las entradas son de caracter ambiental
es decir permiten detenninar el estado de caJidad del sistema considcrando variables como
Demanda Bioquirnica de Oxigeno (DBO) Demanda Quimica de Oxigcno (JQO) Oxigeno
Disuelto (OD) Conductividad Electrica (ef) especies productivas tasas de rrociuccillIl de
Dloxido de Carbono (CCh) es decir toclas las variables que impliquc explotaci6n 0
degradac i6n del sis tema Es tas variables son cuantificables y monitorcadas a intervalos
constantes de tiempo Ademas estos sistemas pueden ser estaticos 0 dinill11icos
) Los ecos istemas son mas complejos que los sistemas ambientales Un sistema mnbiental
p~~ esta dirigido a es tudiar las condiciones ambientales y de productividad r ara el hombre y el
desarroUo sostenible de una sociedad EI ecosistema no solamente incluye 10 anterior smo
talllbien el equilibrio propio de las fuerzas que la naturakza otorga a los componentes del
ecosistema Los sistemas ambientales responden a 1lt1 nccesidad del hombre por dar
reSpllesta nipida a la asignaci6n y l1laneJo de los recursos naturales y los ecosistemas son
la conceptualizaci6n de la vida en el planeia y como es Sll evoluci6n con 0 sin la presenc ia
del hombre
1 1 Ecosistema
Antes de presentCJr que es un Ecosistel1la es il1lpol1ante defmlr la ecosfera Esta encielTa los
diferentes ecosistemas presentes en la ti erra y se puede definir como el conjunto de
organismos vivos de la tierra (exlstentes en la biosfera) que interactUan entre Sl y con SLI
ambiente no vivo (energia y materia) en todo el mundo (Miller Jr 1994 )
Para LIn ecosistel1la es importante considerar la biosfera (Slo lz ) 989) estc es un i tema a
gran escala que comprende desde el fondo del oceano hasta el limite superior de la
troposfera La bios Cera es el sistema que Ie da soporte a la vida Esta puede ser divida en
cuatro partes
)gt Hidrosfera
)gt Li tosfera
r Atmosfera
)gt Biota
Las porcioncs de la hidrosfera litosfera y atmosfera en contacto con 1lt1 biosfera Connan el
ambiente Como drJillicirjn de 111 1 ccol islemu se liene qlle 101 1111 COlljUlllo de pobla iones
ugrLlIJUdos etl cOlllLinidades Ijut inlelaclLun entre si I COil Ill (lIIhiellte loca l Las
cOI11 L1nidudes 1017 p oh laciolles de illdil iduos que se r elaciollul7 y que pertenecen a
dlercnres especie1 Las p()haci()nes estan conurJ((( de lIIicroorgan ismos de las
mismas elpecies en el misll10 li el1lpo) sitio EI ecosislelllU Col fa ullidad mas pequena de la
biosfera 10 c llal liene todas las caraClersticas p ara sos lell( pound1 FidLI Es importante anotar
que la esca la cspac ial de un ecosistel1la va de LIn tltlmal10 dc centimetros a ki lometros y su
fron teras estilll sujetas a la variabilidad del clima Esta fionteras son fundamentales para el
intercambio de la informacion y energia entre los ecosistemas Ademas depende de las
caracteristicas de los seres vivos que dominan en cstc y de 10 que se quiera esrudiar en el
(Rambler et ( 1981)) Un ecosistema est3 lntiman1ente Iigado a los organismos que viven
en este y Lma de las caracteristicas fundamentales de las especies que habitan los
2
ecos istemas es que deben re un ir los tres grupos metabolicos 0 funcionales productores
pnmanos consumidores y delTadadorcs En genera l estos organismos se clasifican en 5
remos
Las bacterias Ja carac teris ti ca principal es que muchas de ellas son degradadoras
Son organis l11 os unlceJ ulares de tipo procariotico
~ Los protistas son organisl11os eucarioticos Son organis mos mu JticeJulares
~ Los hongos son organismos eucari6ticos y multicelulares
y Los vegetales son organis mos eucarioticos multicelulares
gtshy Los animales son organismos eucarioticos multicelulares
En un ecosistel1la unas especies son mas imporlanLes que otra ya que son las que
mantienen el fl u)o de energia y maleria para que otras formas de vida existan Por 10 tanIo
la diversldad de especies en un ecosis lcma asegura su supervivenc ia ya que fOJ1alccl los
grupos funcional es La vida en la tierra depende en gran paJ1e de dos procesos
fllndamenlaies (lviiIeI Jr 1994)
~ El f1uJo de energia proveniente del So l
r El cicIo de la materia
La vida es un fenOllleno en cadena Es te encadenamienlo exisle a escalas de diverso
tamallo con una densi cl ad e intensidad variable A nivel de micro-escala los gradientes
Juegan un pape J1luy impoltante Por ejemplo las comunidades microbianas eSITatificadas
establecen gradientes de oxigelo pH potencial red l dt he ell escala milmetrica Las
interfaces tambien son I1lUY imp011ltll1leS as] en Ia transicion entre una zona aerobica y
anaerobica son fundamentales los ciclos biogcoquimicos que se presentan Tambien es
muy impol1ante tener en cuenta que los ecosislemas 5011 din~lmicos en espacio y tielllpo Y
que evolucionan biologica y al11bientalmente
3
En cuanto a la clasificaci6n de los ecosistemas una de elias es la fision6mica que depende
de la forma interna y cxterna De acuerdo a esto se puede defmir 10 que es bioma como
una clase fision6mi ca de un conj unto de ecosistemas Un bioma es un conjunlo de
ecosistemas en uno region geogrc7jica determinada con las l1Iismas condiciones climatica y
con eltpecies damnantes que ien en lin cicio de vida adaptaci6n cLimbica y estruClura
similar En la biosfera se distinguen dos lipos de bioma el terrestre y el acultico A escala
terrestre los biomas estan definidas por el tipo de vegetaci6n que domina la comunidad En
la tabla 11 se presenta ulla Ji sta de los productores primarios de la biomil telTestre y
acuarica
Tabla 0 I Productores primarios de la bioma telTestre y acucltica
Terrestn cu3tico
Bosque tm ri eal lIu vioso Bosque Iropi ca l templlclo l3 0squ c ve rde lemrlado l3 0squ e bo rca l Zona de nbu Slos Y Illadem Saballltl
Zo na de pa sto s Call1 ri iia ti po alpill lt Y lundra Zo na de arbus tos dcsc rti ca I oca ti erra y arena T ierra cul tivada
rna no
Oceanos Zo nas de surgcncia Placa eontincntal Lcc ho s de algas AITceifes Fumarolas 0 venti las tennaks b tuari os Pal1t alloS y lagunas L ago~ y rillS
Litoral marino Pedi l ntc billtica Bcnti co abi sal
TOIIu do de S tu et ul ( J8 l)) JUg 3 7
Tambien los ecosistemas acuaticos tienen dos categorias manno y de agua du lce Los
lagos rios y pantanos hacen parte de la bioma continental La bioma marina incluye el
oceano la platafollna continental las zonS de surgencia y las corrientes marinas
profundas Los estuarios son los unicos ccosistell1ltls en la interfaz entre las biomas marinas
y terrestres Es importante anotar que la biosiera como tal tiene propiedades que la
identi fican middot
y Provee la energia necesaria para poner a fUllcionar el sistema
gt- Provee eJ soporte a los elementos esenciaics de 13 vida
4
Imiddot middot _~ I ~ I ~ 1 I j I ~
)gt Tiene la capac idad de adaptarse a los c31llbios geologicos cosmologicos y
biologicos
La energ[a es necesaria para mantener Ia estrllctura y la biolllasa en la biosfera La biof1lasa
es la sumu to tal de lu materia de los Sfres que viven en WI lugar determinado expresada en
peso estimado par unidad de l11aS(l 0 voillmen La biomasa es un ind ice de 1a actividad 0 de
la producci6n de energia de los organislllos EI fl uJo de la energia se establece a traves de
los productores prim3J-ios consumidores y degradadores La mayor fuen te de energia es la
luz del Sol y en L1na pequena proporci6n esta proviene de los procesos inorgil11icos Un
aspecto muy illlportante es la productividad pril1laria que esta Iimitnda al reino vegetal y
ciertos grllpos de bactetias y protistas Los arboles las plantas y las algas toman la luz
solar el di6xido de carbono y el agLia y producen carbohidratos y oxigeno Adel11~ls
tambien existe la fotosintesis anox ica Hay cierto tipo de bacterias que pLledell obtener la
energ ia qllimica por oxidaci6n de compuestos inorganicos en ausel1cia de luz y dioxido de
carbono (Chernoulltrophy ) Por 10 tanto los productores primarios de LIn ecosistema
dependen del alllbiente
Uno de los elementos fundamentales en 1a natura leza es el carbono Las plantas tienen tres
fcmnas para asimi lar el di6xido de carbono y producir este elemenlo ESlo depende del
compllesto de carbono que prodllcen las plantas y que se pucdcn c1asificar en C3 C4 Y
CAlvi (creslu lac(UI acid metabolism) Estas tres categorias correspond en a adaptaciones
de las pl antas al ambien te Los compuestos C3 (Ph05pi7 ogilc(J[r) tienen una aJta tasa de
fotosintesis Pueden perder del 20 al SQUCJ de carb6n fijado durante este proceso y son
caracteristicos de grandes al turas Las plantas en la catcgoria C (Oxaloacetate) pierden el
di6x ido de carbo no porIa bto-respiraci6n y son encontradas en ambientes humedos cJimas
secos y alturas intemledias EI CA M se encuentra en las lonas deserticas alturas bajas y
con un cicio diurno de fijaci6n de dioxido de carbono Para estc caso los estomas se abren
en la noche y esto hace que 121 perdida de aiua sea minima durante la fijaci6n de CO] y
tambien que las plantas adquieran la resistencia nccesaria para sobrevivir en ambientes
secos
5
En los ambientes acuilticos las algas son las productoras primarias principales Las algas
han sido c1asificadas en 12 di ferenles tipos Y en general se clasifican en tres grupos
bilsicos las algas rojas (rodofitas) las algas verdes (clorofitas) y las algas cafes
(freatofitas) Los miembros mas grandes de las protistas fototrofas son las algas marinas
mientras los mas pequeilos son el fitoplancton y el nanoplancton
Las bacterias fototroficas deben ser separadas en dos grupos las que proclllccn oxigeno y
aquellas que no Estas se encuentran como liopelicula y espuma en el fondo de los lagos y
estanques OtlOS elementos importantes para 1lt1 vida en el largo plazo son carbono
hidr6geno nitrogeno oxigeno sulfuro y fosfo ro La disponibilidad de estos elementos y
otros mas depencle de los ciclos biogeoquil11icos Estos ciclos son muy impoltantcs no
solamente pOI-que la vida depende de ellos sino tambien porque In vida afecla grandcmente
la biosfera a Il-aves del tl ujo y transfonnacion de los componentes quimicos ver numeral
1 2
Desde un punto de vista tennodinimlico el cic io de un eiemento cOl11ienza en Sll cstado de
energia mas al to seguido por una serie de oxidaciones y tell11inando con un estado de alta
oxidacion y por ultimo con un incremento en la entropia Los cidos del carbono sulfuro
fosforo nitrogeno hidrogeno y oxigeno son el sis tema metab6lico del planeta EI estudio
de los ciclos biogeoquimicos tiene dos objetivos
shy La earacterizacion de los ciclos elementales naturales y su relaci6n con los
elementos basicos de la biota terrestre como son el fosforo nitrogeno sulfuro y
carbo no
r La identificacion y cua nti ficJci6n de los cambios en estos ciclos debido a 1a
acti vidad antropogenica
Adems de comprender cJ cicio biogeoquimjco de los nutrientes uno de los aspectos
fundamentales es la eval uacion del impacto de la acti vidad humana en los ciclos de la vida
6
Uno de ellos es la acumulaci6n del carbono y su efecto en los demas ciclos Tambien se
tienen el d ec to de los feltili zilntes en los sistemas (lcwlticos y terrestres y la paridad entre la
deforestaci6n y la refores taci6n Por LIitimo estl 121 absorci6n por palte del oceano del CO
Los modelos a tra ves dc los ciclos de nutrientes pueden establecer vincllios entre los cuatro
si stemas principales de modelaci6n terrestre tlcuarico y costero oceanico y atmosferico
En la literatura pam estlldiar el vinculo entre los sistemas anteriores se reClIITC ados
aproximaciones una es la cuenca a pequena escala y la es un volllrnen de control tielTashy
ag1l3 Este volumen de control esta dejillido como 0 unidad basica que perllite illlegrar
0 1 jhljOS terrestres v aCLIoticos J eswblecer 10 transerencia 0 el cielo a 1I1l( escaa
upre)nuda Si se lltiliza la cuenca como unidad de acople entre los nutnentes terrestres y
los nutrientes de la I-ibera de los rios y sislemas acuMicos se debe dar una buena definicion
de las unidades del paistlJe y como interactLlan con la componente atmoslerica para
eslablecer fuentes puntuales de tlujos y posibles vincLllos con modelos de circulaci6n
general Por eJemplo los nutrienles terreslTes tienen su zona de transformaci6n y transporte
en los ecosistemas de ribera y costeros y se convielten en puntos de informacion de
entrada para LIn sistema de oceano tipo abierto Por 10 tanto se puede tener un modelo
general que considera la turbulencia y la adveccion del aglla asi como el intercambio con
la atmosfera la producci611 biolica de carbOIlO org~l1ico y carbona to de calcio tasa de
oxidacion y diluci6n En la figura 1 1 se puede ver el esquema para el estudio de los ciclos
biogeoqui11licos baJ o estc esquema
12 Ciclos de nutricntes
EI cielo de los Ilutrientes desde el ltlmbienle no vi vo ( depositos en la atmosfera hidrosfera
y la corteza de la tierra ) hastll los orgll1i sll1os vivos y de rebTJeso al ambiente no vivo tiene
lugar en los ciclos biogeoCjuimicos Estos ciclos activados directa 0 indirectamente por la
energia del Sol incluyen los ciclos del carbonc) oxigeno nitrogello fos foro azufre y del
agua
7
Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
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JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
1 1 Ecosistema
Antes de presentCJr que es un Ecosistel1la es il1lpol1ante defmlr la ecosfera Esta encielTa los
diferentes ecosistemas presentes en la ti erra y se puede definir como el conjunto de
organismos vivos de la tierra (exlstentes en la biosfera) que interactUan entre Sl y con SLI
ambiente no vivo (energia y materia) en todo el mundo (Miller Jr 1994 )
Para LIn ecosistel1la es importante considerar la biosfera (Slo lz ) 989) estc es un i tema a
gran escala que comprende desde el fondo del oceano hasta el limite superior de la
troposfera La bios Cera es el sistema que Ie da soporte a la vida Esta puede ser divida en
cuatro partes
)gt Hidrosfera
)gt Li tosfera
r Atmosfera
)gt Biota
Las porcioncs de la hidrosfera litosfera y atmosfera en contacto con 1lt1 biosfera Connan el
ambiente Como drJillicirjn de 111 1 ccol islemu se liene qlle 101 1111 COlljUlllo de pobla iones
ugrLlIJUdos etl cOlllLinidades Ijut inlelaclLun entre si I COil Ill (lIIhiellte loca l Las
cOI11 L1nidudes 1017 p oh laciolles de illdil iduos que se r elaciollul7 y que pertenecen a
dlercnres especie1 Las p()haci()nes estan conurJ((( de lIIicroorgan ismos de las
mismas elpecies en el misll10 li el1lpo) sitio EI ecosislelllU Col fa ullidad mas pequena de la
biosfera 10 c llal liene todas las caraClersticas p ara sos lell( pound1 FidLI Es importante anotar
que la esca la cspac ial de un ecosistel1la va de LIn tltlmal10 dc centimetros a ki lometros y su
fron teras estilll sujetas a la variabilidad del clima Esta fionteras son fundamentales para el
intercambio de la informacion y energia entre los ecosistemas Ademas depende de las
caracteristicas de los seres vivos que dominan en cstc y de 10 que se quiera esrudiar en el
(Rambler et ( 1981)) Un ecosistema est3 lntiman1ente Iigado a los organismos que viven
en este y Lma de las caracteristicas fundamentales de las especies que habitan los
2
ecos istemas es que deben re un ir los tres grupos metabolicos 0 funcionales productores
pnmanos consumidores y delTadadorcs En genera l estos organismos se clasifican en 5
remos
Las bacterias Ja carac teris ti ca principal es que muchas de ellas son degradadoras
Son organis l11 os unlceJ ulares de tipo procariotico
~ Los protistas son organisl11os eucarioticos Son organis mos mu JticeJulares
~ Los hongos son organismos eucari6ticos y multicelulares
y Los vegetales son organis mos eucarioticos multicelulares
gtshy Los animales son organismos eucarioticos multicelulares
En un ecosistel1la unas especies son mas imporlanLes que otra ya que son las que
mantienen el fl u)o de energia y maleria para que otras formas de vida existan Por 10 tanIo
la diversldad de especies en un ecosis lcma asegura su supervivenc ia ya que fOJ1alccl los
grupos funcional es La vida en la tierra depende en gran paJ1e de dos procesos
fllndamenlaies (lviiIeI Jr 1994)
~ El f1uJo de energia proveniente del So l
r El cicIo de la materia
La vida es un fenOllleno en cadena Es te encadenamienlo exisle a escalas de diverso
tamallo con una densi cl ad e intensidad variable A nivel de micro-escala los gradientes
Juegan un pape J1luy impoltante Por ejemplo las comunidades microbianas eSITatificadas
establecen gradientes de oxigelo pH potencial red l dt he ell escala milmetrica Las
interfaces tambien son I1lUY imp011ltll1leS as] en Ia transicion entre una zona aerobica y
anaerobica son fundamentales los ciclos biogcoquimicos que se presentan Tambien es
muy impol1ante tener en cuenta que los ecosislemas 5011 din~lmicos en espacio y tielllpo Y
que evolucionan biologica y al11bientalmente
3
En cuanto a la clasificaci6n de los ecosistemas una de elias es la fision6mica que depende
de la forma interna y cxterna De acuerdo a esto se puede defmir 10 que es bioma como
una clase fision6mi ca de un conj unto de ecosistemas Un bioma es un conjunlo de
ecosistemas en uno region geogrc7jica determinada con las l1Iismas condiciones climatica y
con eltpecies damnantes que ien en lin cicio de vida adaptaci6n cLimbica y estruClura
similar En la biosfera se distinguen dos lipos de bioma el terrestre y el acultico A escala
terrestre los biomas estan definidas por el tipo de vegetaci6n que domina la comunidad En
la tabla 11 se presenta ulla Ji sta de los productores primarios de la biomil telTestre y
acuarica
Tabla 0 I Productores primarios de la bioma telTestre y acucltica
Terrestn cu3tico
Bosque tm ri eal lIu vioso Bosque Iropi ca l templlclo l3 0squ c ve rde lemrlado l3 0squ e bo rca l Zona de nbu Slos Y Illadem Saballltl
Zo na de pa sto s Call1 ri iia ti po alpill lt Y lundra Zo na de arbus tos dcsc rti ca I oca ti erra y arena T ierra cul tivada
rna no
Oceanos Zo nas de surgcncia Placa eontincntal Lcc ho s de algas AITceifes Fumarolas 0 venti las tennaks b tuari os Pal1t alloS y lagunas L ago~ y rillS
Litoral marino Pedi l ntc billtica Bcnti co abi sal
TOIIu do de S tu et ul ( J8 l)) JUg 3 7
Tambien los ecosistemas acuaticos tienen dos categorias manno y de agua du lce Los
lagos rios y pantanos hacen parte de la bioma continental La bioma marina incluye el
oceano la platafollna continental las zonS de surgencia y las corrientes marinas
profundas Los estuarios son los unicos ccosistell1ltls en la interfaz entre las biomas marinas
y terrestres Es importante anotar que la biosiera como tal tiene propiedades que la
identi fican middot
y Provee la energia necesaria para poner a fUllcionar el sistema
gt- Provee eJ soporte a los elementos esenciaics de 13 vida
4
Imiddot middot _~ I ~ I ~ 1 I j I ~
)gt Tiene la capac idad de adaptarse a los c31llbios geologicos cosmologicos y
biologicos
La energ[a es necesaria para mantener Ia estrllctura y la biolllasa en la biosfera La biof1lasa
es la sumu to tal de lu materia de los Sfres que viven en WI lugar determinado expresada en
peso estimado par unidad de l11aS(l 0 voillmen La biomasa es un ind ice de 1a actividad 0 de
la producci6n de energia de los organislllos EI fl uJo de la energia se establece a traves de
los productores prim3J-ios consumidores y degradadores La mayor fuen te de energia es la
luz del Sol y en L1na pequena proporci6n esta proviene de los procesos inorgil11icos Un
aspecto muy illlportante es la productividad pril1laria que esta Iimitnda al reino vegetal y
ciertos grllpos de bactetias y protistas Los arboles las plantas y las algas toman la luz
solar el di6xido de carbono y el agLia y producen carbohidratos y oxigeno Adel11~ls
tambien existe la fotosintesis anox ica Hay cierto tipo de bacterias que pLledell obtener la
energ ia qllimica por oxidaci6n de compuestos inorganicos en ausel1cia de luz y dioxido de
carbono (Chernoulltrophy ) Por 10 tanto los productores primarios de LIn ecosistema
dependen del alllbiente
Uno de los elementos fundamentales en 1a natura leza es el carbono Las plantas tienen tres
fcmnas para asimi lar el di6xido de carbono y producir este elemenlo ESlo depende del
compllesto de carbono que prodllcen las plantas y que se pucdcn c1asificar en C3 C4 Y
CAlvi (creslu lac(UI acid metabolism) Estas tres categorias correspond en a adaptaciones
de las pl antas al ambien te Los compuestos C3 (Ph05pi7 ogilc(J[r) tienen una aJta tasa de
fotosintesis Pueden perder del 20 al SQUCJ de carb6n fijado durante este proceso y son
caracteristicos de grandes al turas Las plantas en la catcgoria C (Oxaloacetate) pierden el
di6x ido de carbo no porIa bto-respiraci6n y son encontradas en ambientes humedos cJimas
secos y alturas intemledias EI CA M se encuentra en las lonas deserticas alturas bajas y
con un cicio diurno de fijaci6n de dioxido de carbono Para estc caso los estomas se abren
en la noche y esto hace que 121 perdida de aiua sea minima durante la fijaci6n de CO] y
tambien que las plantas adquieran la resistencia nccesaria para sobrevivir en ambientes
secos
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En los ambientes acuilticos las algas son las productoras primarias principales Las algas
han sido c1asificadas en 12 di ferenles tipos Y en general se clasifican en tres grupos
bilsicos las algas rojas (rodofitas) las algas verdes (clorofitas) y las algas cafes
(freatofitas) Los miembros mas grandes de las protistas fototrofas son las algas marinas
mientras los mas pequeilos son el fitoplancton y el nanoplancton
Las bacterias fototroficas deben ser separadas en dos grupos las que proclllccn oxigeno y
aquellas que no Estas se encuentran como liopelicula y espuma en el fondo de los lagos y
estanques OtlOS elementos importantes para 1lt1 vida en el largo plazo son carbono
hidr6geno nitrogeno oxigeno sulfuro y fosfo ro La disponibilidad de estos elementos y
otros mas depencle de los ciclos biogeoquil11icos Estos ciclos son muy impoltantcs no
solamente pOI-que la vida depende de ellos sino tambien porque In vida afecla grandcmente
la biosfera a Il-aves del tl ujo y transfonnacion de los componentes quimicos ver numeral
1 2
Desde un punto de vista tennodinimlico el cic io de un eiemento cOl11ienza en Sll cstado de
energia mas al to seguido por una serie de oxidaciones y tell11inando con un estado de alta
oxidacion y por ultimo con un incremento en la entropia Los cidos del carbono sulfuro
fosforo nitrogeno hidrogeno y oxigeno son el sis tema metab6lico del planeta EI estudio
de los ciclos biogeoquimicos tiene dos objetivos
shy La earacterizacion de los ciclos elementales naturales y su relaci6n con los
elementos basicos de la biota terrestre como son el fosforo nitrogeno sulfuro y
carbo no
r La identificacion y cua nti ficJci6n de los cambios en estos ciclos debido a 1a
acti vidad antropogenica
Adems de comprender cJ cicio biogeoquimjco de los nutrientes uno de los aspectos
fundamentales es la eval uacion del impacto de la acti vidad humana en los ciclos de la vida
6
Uno de ellos es la acumulaci6n del carbono y su efecto en los demas ciclos Tambien se
tienen el d ec to de los feltili zilntes en los sistemas (lcwlticos y terrestres y la paridad entre la
deforestaci6n y la refores taci6n Por LIitimo estl 121 absorci6n por palte del oceano del CO
Los modelos a tra ves dc los ciclos de nutrientes pueden establecer vincllios entre los cuatro
si stemas principales de modelaci6n terrestre tlcuarico y costero oceanico y atmosferico
En la literatura pam estlldiar el vinculo entre los sistemas anteriores se reClIITC ados
aproximaciones una es la cuenca a pequena escala y la es un volllrnen de control tielTashy
ag1l3 Este volumen de control esta dejillido como 0 unidad basica que perllite illlegrar
0 1 jhljOS terrestres v aCLIoticos J eswblecer 10 transerencia 0 el cielo a 1I1l( escaa
upre)nuda Si se lltiliza la cuenca como unidad de acople entre los nutnentes terrestres y
los nutrientes de la I-ibera de los rios y sislemas acuMicos se debe dar una buena definicion
de las unidades del paistlJe y como interactLlan con la componente atmoslerica para
eslablecer fuentes puntuales de tlujos y posibles vincLllos con modelos de circulaci6n
general Por eJemplo los nutrienles terreslTes tienen su zona de transformaci6n y transporte
en los ecosistemas de ribera y costeros y se convielten en puntos de informacion de
entrada para LIn sistema de oceano tipo abierto Por 10 tanto se puede tener un modelo
general que considera la turbulencia y la adveccion del aglla asi como el intercambio con
la atmosfera la producci611 biolica de carbOIlO org~l1ico y carbona to de calcio tasa de
oxidacion y diluci6n En la figura 1 1 se puede ver el esquema para el estudio de los ciclos
biogeoqui11licos baJ o estc esquema
12 Ciclos de nutricntes
EI cielo de los Ilutrientes desde el ltlmbienle no vi vo ( depositos en la atmosfera hidrosfera
y la corteza de la tierra ) hastll los orgll1i sll1os vivos y de rebTJeso al ambiente no vivo tiene
lugar en los ciclos biogeoCjuimicos Estos ciclos activados directa 0 indirectamente por la
energia del Sol incluyen los ciclos del carbonc) oxigeno nitrogello fos foro azufre y del
agua
7
Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
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ecos istemas es que deben re un ir los tres grupos metabolicos 0 funcionales productores
pnmanos consumidores y delTadadorcs En genera l estos organismos se clasifican en 5
remos
Las bacterias Ja carac teris ti ca principal es que muchas de ellas son degradadoras
Son organis l11 os unlceJ ulares de tipo procariotico
~ Los protistas son organisl11os eucarioticos Son organis mos mu JticeJulares
~ Los hongos son organismos eucari6ticos y multicelulares
y Los vegetales son organis mos eucarioticos multicelulares
gtshy Los animales son organismos eucarioticos multicelulares
En un ecosistel1la unas especies son mas imporlanLes que otra ya que son las que
mantienen el fl u)o de energia y maleria para que otras formas de vida existan Por 10 tanIo
la diversldad de especies en un ecosis lcma asegura su supervivenc ia ya que fOJ1alccl los
grupos funcional es La vida en la tierra depende en gran paJ1e de dos procesos
fllndamenlaies (lviiIeI Jr 1994)
~ El f1uJo de energia proveniente del So l
r El cicIo de la materia
La vida es un fenOllleno en cadena Es te encadenamienlo exisle a escalas de diverso
tamallo con una densi cl ad e intensidad variable A nivel de micro-escala los gradientes
Juegan un pape J1luy impoltante Por ejemplo las comunidades microbianas eSITatificadas
establecen gradientes de oxigelo pH potencial red l dt he ell escala milmetrica Las
interfaces tambien son I1lUY imp011ltll1leS as] en Ia transicion entre una zona aerobica y
anaerobica son fundamentales los ciclos biogcoquimicos que se presentan Tambien es
muy impol1ante tener en cuenta que los ecosislemas 5011 din~lmicos en espacio y tielllpo Y
que evolucionan biologica y al11bientalmente
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En cuanto a la clasificaci6n de los ecosistemas una de elias es la fision6mica que depende
de la forma interna y cxterna De acuerdo a esto se puede defmir 10 que es bioma como
una clase fision6mi ca de un conj unto de ecosistemas Un bioma es un conjunlo de
ecosistemas en uno region geogrc7jica determinada con las l1Iismas condiciones climatica y
con eltpecies damnantes que ien en lin cicio de vida adaptaci6n cLimbica y estruClura
similar En la biosfera se distinguen dos lipos de bioma el terrestre y el acultico A escala
terrestre los biomas estan definidas por el tipo de vegetaci6n que domina la comunidad En
la tabla 11 se presenta ulla Ji sta de los productores primarios de la biomil telTestre y
acuarica
Tabla 0 I Productores primarios de la bioma telTestre y acucltica
Terrestn cu3tico
Bosque tm ri eal lIu vioso Bosque Iropi ca l templlclo l3 0squ c ve rde lemrlado l3 0squ e bo rca l Zona de nbu Slos Y Illadem Saballltl
Zo na de pa sto s Call1 ri iia ti po alpill lt Y lundra Zo na de arbus tos dcsc rti ca I oca ti erra y arena T ierra cul tivada
rna no
Oceanos Zo nas de surgcncia Placa eontincntal Lcc ho s de algas AITceifes Fumarolas 0 venti las tennaks b tuari os Pal1t alloS y lagunas L ago~ y rillS
Litoral marino Pedi l ntc billtica Bcnti co abi sal
TOIIu do de S tu et ul ( J8 l)) JUg 3 7
Tambien los ecosistemas acuaticos tienen dos categorias manno y de agua du lce Los
lagos rios y pantanos hacen parte de la bioma continental La bioma marina incluye el
oceano la platafollna continental las zonS de surgencia y las corrientes marinas
profundas Los estuarios son los unicos ccosistell1ltls en la interfaz entre las biomas marinas
y terrestres Es importante anotar que la biosiera como tal tiene propiedades que la
identi fican middot
y Provee la energia necesaria para poner a fUllcionar el sistema
gt- Provee eJ soporte a los elementos esenciaics de 13 vida
4
Imiddot middot _~ I ~ I ~ 1 I j I ~
)gt Tiene la capac idad de adaptarse a los c31llbios geologicos cosmologicos y
biologicos
La energ[a es necesaria para mantener Ia estrllctura y la biolllasa en la biosfera La biof1lasa
es la sumu to tal de lu materia de los Sfres que viven en WI lugar determinado expresada en
peso estimado par unidad de l11aS(l 0 voillmen La biomasa es un ind ice de 1a actividad 0 de
la producci6n de energia de los organislllos EI fl uJo de la energia se establece a traves de
los productores prim3J-ios consumidores y degradadores La mayor fuen te de energia es la
luz del Sol y en L1na pequena proporci6n esta proviene de los procesos inorgil11icos Un
aspecto muy illlportante es la productividad pril1laria que esta Iimitnda al reino vegetal y
ciertos grllpos de bactetias y protistas Los arboles las plantas y las algas toman la luz
solar el di6xido de carbono y el agLia y producen carbohidratos y oxigeno Adel11~ls
tambien existe la fotosintesis anox ica Hay cierto tipo de bacterias que pLledell obtener la
energ ia qllimica por oxidaci6n de compuestos inorganicos en ausel1cia de luz y dioxido de
carbono (Chernoulltrophy ) Por 10 tanto los productores primarios de LIn ecosistema
dependen del alllbiente
Uno de los elementos fundamentales en 1a natura leza es el carbono Las plantas tienen tres
fcmnas para asimi lar el di6xido de carbono y producir este elemenlo ESlo depende del
compllesto de carbono que prodllcen las plantas y que se pucdcn c1asificar en C3 C4 Y
CAlvi (creslu lac(UI acid metabolism) Estas tres categorias correspond en a adaptaciones
de las pl antas al ambien te Los compuestos C3 (Ph05pi7 ogilc(J[r) tienen una aJta tasa de
fotosintesis Pueden perder del 20 al SQUCJ de carb6n fijado durante este proceso y son
caracteristicos de grandes al turas Las plantas en la catcgoria C (Oxaloacetate) pierden el
di6x ido de carbo no porIa bto-respiraci6n y son encontradas en ambientes humedos cJimas
secos y alturas intemledias EI CA M se encuentra en las lonas deserticas alturas bajas y
con un cicio diurno de fijaci6n de dioxido de carbono Para estc caso los estomas se abren
en la noche y esto hace que 121 perdida de aiua sea minima durante la fijaci6n de CO] y
tambien que las plantas adquieran la resistencia nccesaria para sobrevivir en ambientes
secos
5
En los ambientes acuilticos las algas son las productoras primarias principales Las algas
han sido c1asificadas en 12 di ferenles tipos Y en general se clasifican en tres grupos
bilsicos las algas rojas (rodofitas) las algas verdes (clorofitas) y las algas cafes
(freatofitas) Los miembros mas grandes de las protistas fototrofas son las algas marinas
mientras los mas pequeilos son el fitoplancton y el nanoplancton
Las bacterias fototroficas deben ser separadas en dos grupos las que proclllccn oxigeno y
aquellas que no Estas se encuentran como liopelicula y espuma en el fondo de los lagos y
estanques OtlOS elementos importantes para 1lt1 vida en el largo plazo son carbono
hidr6geno nitrogeno oxigeno sulfuro y fosfo ro La disponibilidad de estos elementos y
otros mas depencle de los ciclos biogeoquil11icos Estos ciclos son muy impoltantcs no
solamente pOI-que la vida depende de ellos sino tambien porque In vida afecla grandcmente
la biosfera a Il-aves del tl ujo y transfonnacion de los componentes quimicos ver numeral
1 2
Desde un punto de vista tennodinimlico el cic io de un eiemento cOl11ienza en Sll cstado de
energia mas al to seguido por una serie de oxidaciones y tell11inando con un estado de alta
oxidacion y por ultimo con un incremento en la entropia Los cidos del carbono sulfuro
fosforo nitrogeno hidrogeno y oxigeno son el sis tema metab6lico del planeta EI estudio
de los ciclos biogeoquimicos tiene dos objetivos
shy La earacterizacion de los ciclos elementales naturales y su relaci6n con los
elementos basicos de la biota terrestre como son el fosforo nitrogeno sulfuro y
carbo no
r La identificacion y cua nti ficJci6n de los cambios en estos ciclos debido a 1a
acti vidad antropogenica
Adems de comprender cJ cicio biogeoquimjco de los nutrientes uno de los aspectos
fundamentales es la eval uacion del impacto de la acti vidad humana en los ciclos de la vida
6
Uno de ellos es la acumulaci6n del carbono y su efecto en los demas ciclos Tambien se
tienen el d ec to de los feltili zilntes en los sistemas (lcwlticos y terrestres y la paridad entre la
deforestaci6n y la refores taci6n Por LIitimo estl 121 absorci6n por palte del oceano del CO
Los modelos a tra ves dc los ciclos de nutrientes pueden establecer vincllios entre los cuatro
si stemas principales de modelaci6n terrestre tlcuarico y costero oceanico y atmosferico
En la literatura pam estlldiar el vinculo entre los sistemas anteriores se reClIITC ados
aproximaciones una es la cuenca a pequena escala y la es un volllrnen de control tielTashy
ag1l3 Este volumen de control esta dejillido como 0 unidad basica que perllite illlegrar
0 1 jhljOS terrestres v aCLIoticos J eswblecer 10 transerencia 0 el cielo a 1I1l( escaa
upre)nuda Si se lltiliza la cuenca como unidad de acople entre los nutnentes terrestres y
los nutrientes de la I-ibera de los rios y sislemas acuMicos se debe dar una buena definicion
de las unidades del paistlJe y como interactLlan con la componente atmoslerica para
eslablecer fuentes puntuales de tlujos y posibles vincLllos con modelos de circulaci6n
general Por eJemplo los nutrienles terreslTes tienen su zona de transformaci6n y transporte
en los ecosistemas de ribera y costeros y se convielten en puntos de informacion de
entrada para LIn sistema de oceano tipo abierto Por 10 tanto se puede tener un modelo
general que considera la turbulencia y la adveccion del aglla asi como el intercambio con
la atmosfera la producci611 biolica de carbOIlO org~l1ico y carbona to de calcio tasa de
oxidacion y diluci6n En la figura 1 1 se puede ver el esquema para el estudio de los ciclos
biogeoqui11licos baJ o estc esquema
12 Ciclos de nutricntes
EI cielo de los Ilutrientes desde el ltlmbienle no vi vo ( depositos en la atmosfera hidrosfera
y la corteza de la tierra ) hastll los orgll1i sll1os vivos y de rebTJeso al ambiente no vivo tiene
lugar en los ciclos biogeoCjuimicos Estos ciclos activados directa 0 indirectamente por la
energia del Sol incluyen los ciclos del carbonc) oxigeno nitrogello fos foro azufre y del
agua
7
Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
En cuanto a la clasificaci6n de los ecosistemas una de elias es la fision6mica que depende
de la forma interna y cxterna De acuerdo a esto se puede defmir 10 que es bioma como
una clase fision6mi ca de un conj unto de ecosistemas Un bioma es un conjunlo de
ecosistemas en uno region geogrc7jica determinada con las l1Iismas condiciones climatica y
con eltpecies damnantes que ien en lin cicio de vida adaptaci6n cLimbica y estruClura
similar En la biosfera se distinguen dos lipos de bioma el terrestre y el acultico A escala
terrestre los biomas estan definidas por el tipo de vegetaci6n que domina la comunidad En
la tabla 11 se presenta ulla Ji sta de los productores primarios de la biomil telTestre y
acuarica
Tabla 0 I Productores primarios de la bioma telTestre y acucltica
Terrestn cu3tico
Bosque tm ri eal lIu vioso Bosque Iropi ca l templlclo l3 0squ c ve rde lemrlado l3 0squ e bo rca l Zona de nbu Slos Y Illadem Saballltl
Zo na de pa sto s Call1 ri iia ti po alpill lt Y lundra Zo na de arbus tos dcsc rti ca I oca ti erra y arena T ierra cul tivada
rna no
Oceanos Zo nas de surgcncia Placa eontincntal Lcc ho s de algas AITceifes Fumarolas 0 venti las tennaks b tuari os Pal1t alloS y lagunas L ago~ y rillS
Litoral marino Pedi l ntc billtica Bcnti co abi sal
TOIIu do de S tu et ul ( J8 l)) JUg 3 7
Tambien los ecosistemas acuaticos tienen dos categorias manno y de agua du lce Los
lagos rios y pantanos hacen parte de la bioma continental La bioma marina incluye el
oceano la platafollna continental las zonS de surgencia y las corrientes marinas
profundas Los estuarios son los unicos ccosistell1ltls en la interfaz entre las biomas marinas
y terrestres Es importante anotar que la biosiera como tal tiene propiedades que la
identi fican middot
y Provee la energia necesaria para poner a fUllcionar el sistema
gt- Provee eJ soporte a los elementos esenciaics de 13 vida
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Imiddot middot _~ I ~ I ~ 1 I j I ~
)gt Tiene la capac idad de adaptarse a los c31llbios geologicos cosmologicos y
biologicos
La energ[a es necesaria para mantener Ia estrllctura y la biolllasa en la biosfera La biof1lasa
es la sumu to tal de lu materia de los Sfres que viven en WI lugar determinado expresada en
peso estimado par unidad de l11aS(l 0 voillmen La biomasa es un ind ice de 1a actividad 0 de
la producci6n de energia de los organislllos EI fl uJo de la energia se establece a traves de
los productores prim3J-ios consumidores y degradadores La mayor fuen te de energia es la
luz del Sol y en L1na pequena proporci6n esta proviene de los procesos inorgil11icos Un
aspecto muy illlportante es la productividad pril1laria que esta Iimitnda al reino vegetal y
ciertos grllpos de bactetias y protistas Los arboles las plantas y las algas toman la luz
solar el di6xido de carbono y el agLia y producen carbohidratos y oxigeno Adel11~ls
tambien existe la fotosintesis anox ica Hay cierto tipo de bacterias que pLledell obtener la
energ ia qllimica por oxidaci6n de compuestos inorganicos en ausel1cia de luz y dioxido de
carbono (Chernoulltrophy ) Por 10 tanto los productores primarios de LIn ecosistema
dependen del alllbiente
Uno de los elementos fundamentales en 1a natura leza es el carbono Las plantas tienen tres
fcmnas para asimi lar el di6xido de carbono y producir este elemenlo ESlo depende del
compllesto de carbono que prodllcen las plantas y que se pucdcn c1asificar en C3 C4 Y
CAlvi (creslu lac(UI acid metabolism) Estas tres categorias correspond en a adaptaciones
de las pl antas al ambien te Los compuestos C3 (Ph05pi7 ogilc(J[r) tienen una aJta tasa de
fotosintesis Pueden perder del 20 al SQUCJ de carb6n fijado durante este proceso y son
caracteristicos de grandes al turas Las plantas en la catcgoria C (Oxaloacetate) pierden el
di6x ido de carbo no porIa bto-respiraci6n y son encontradas en ambientes humedos cJimas
secos y alturas intemledias EI CA M se encuentra en las lonas deserticas alturas bajas y
con un cicio diurno de fijaci6n de dioxido de carbono Para estc caso los estomas se abren
en la noche y esto hace que 121 perdida de aiua sea minima durante la fijaci6n de CO] y
tambien que las plantas adquieran la resistencia nccesaria para sobrevivir en ambientes
secos
5
En los ambientes acuilticos las algas son las productoras primarias principales Las algas
han sido c1asificadas en 12 di ferenles tipos Y en general se clasifican en tres grupos
bilsicos las algas rojas (rodofitas) las algas verdes (clorofitas) y las algas cafes
(freatofitas) Los miembros mas grandes de las protistas fototrofas son las algas marinas
mientras los mas pequeilos son el fitoplancton y el nanoplancton
Las bacterias fototroficas deben ser separadas en dos grupos las que proclllccn oxigeno y
aquellas que no Estas se encuentran como liopelicula y espuma en el fondo de los lagos y
estanques OtlOS elementos importantes para 1lt1 vida en el largo plazo son carbono
hidr6geno nitrogeno oxigeno sulfuro y fosfo ro La disponibilidad de estos elementos y
otros mas depencle de los ciclos biogeoquil11icos Estos ciclos son muy impoltantcs no
solamente pOI-que la vida depende de ellos sino tambien porque In vida afecla grandcmente
la biosfera a Il-aves del tl ujo y transfonnacion de los componentes quimicos ver numeral
1 2
Desde un punto de vista tennodinimlico el cic io de un eiemento cOl11ienza en Sll cstado de
energia mas al to seguido por una serie de oxidaciones y tell11inando con un estado de alta
oxidacion y por ultimo con un incremento en la entropia Los cidos del carbono sulfuro
fosforo nitrogeno hidrogeno y oxigeno son el sis tema metab6lico del planeta EI estudio
de los ciclos biogeoquimicos tiene dos objetivos
shy La earacterizacion de los ciclos elementales naturales y su relaci6n con los
elementos basicos de la biota terrestre como son el fosforo nitrogeno sulfuro y
carbo no
r La identificacion y cua nti ficJci6n de los cambios en estos ciclos debido a 1a
acti vidad antropogenica
Adems de comprender cJ cicio biogeoquimjco de los nutrientes uno de los aspectos
fundamentales es la eval uacion del impacto de la acti vidad humana en los ciclos de la vida
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Uno de ellos es la acumulaci6n del carbono y su efecto en los demas ciclos Tambien se
tienen el d ec to de los feltili zilntes en los sistemas (lcwlticos y terrestres y la paridad entre la
deforestaci6n y la refores taci6n Por LIitimo estl 121 absorci6n por palte del oceano del CO
Los modelos a tra ves dc los ciclos de nutrientes pueden establecer vincllios entre los cuatro
si stemas principales de modelaci6n terrestre tlcuarico y costero oceanico y atmosferico
En la literatura pam estlldiar el vinculo entre los sistemas anteriores se reClIITC ados
aproximaciones una es la cuenca a pequena escala y la es un volllrnen de control tielTashy
ag1l3 Este volumen de control esta dejillido como 0 unidad basica que perllite illlegrar
0 1 jhljOS terrestres v aCLIoticos J eswblecer 10 transerencia 0 el cielo a 1I1l( escaa
upre)nuda Si se lltiliza la cuenca como unidad de acople entre los nutnentes terrestres y
los nutrientes de la I-ibera de los rios y sislemas acuMicos se debe dar una buena definicion
de las unidades del paistlJe y como interactLlan con la componente atmoslerica para
eslablecer fuentes puntuales de tlujos y posibles vincLllos con modelos de circulaci6n
general Por eJemplo los nutrienles terreslTes tienen su zona de transformaci6n y transporte
en los ecosistemas de ribera y costeros y se convielten en puntos de informacion de
entrada para LIn sistema de oceano tipo abierto Por 10 tanto se puede tener un modelo
general que considera la turbulencia y la adveccion del aglla asi como el intercambio con
la atmosfera la producci611 biolica de carbOIlO org~l1ico y carbona to de calcio tasa de
oxidacion y diluci6n En la figura 1 1 se puede ver el esquema para el estudio de los ciclos
biogeoqui11licos baJ o estc esquema
12 Ciclos de nutricntes
EI cielo de los Ilutrientes desde el ltlmbienle no vi vo ( depositos en la atmosfera hidrosfera
y la corteza de la tierra ) hastll los orgll1i sll1os vivos y de rebTJeso al ambiente no vivo tiene
lugar en los ciclos biogeoCjuimicos Estos ciclos activados directa 0 indirectamente por la
energia del Sol incluyen los ciclos del carbonc) oxigeno nitrogello fos foro azufre y del
agua
7
Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
Imiddot middot _~ I ~ I ~ 1 I j I ~
)gt Tiene la capac idad de adaptarse a los c31llbios geologicos cosmologicos y
biologicos
La energ[a es necesaria para mantener Ia estrllctura y la biolllasa en la biosfera La biof1lasa
es la sumu to tal de lu materia de los Sfres que viven en WI lugar determinado expresada en
peso estimado par unidad de l11aS(l 0 voillmen La biomasa es un ind ice de 1a actividad 0 de
la producci6n de energia de los organislllos EI fl uJo de la energia se establece a traves de
los productores prim3J-ios consumidores y degradadores La mayor fuen te de energia es la
luz del Sol y en L1na pequena proporci6n esta proviene de los procesos inorgil11icos Un
aspecto muy illlportante es la productividad pril1laria que esta Iimitnda al reino vegetal y
ciertos grllpos de bactetias y protistas Los arboles las plantas y las algas toman la luz
solar el di6xido de carbono y el agLia y producen carbohidratos y oxigeno Adel11~ls
tambien existe la fotosintesis anox ica Hay cierto tipo de bacterias que pLledell obtener la
energ ia qllimica por oxidaci6n de compuestos inorganicos en ausel1cia de luz y dioxido de
carbono (Chernoulltrophy ) Por 10 tanto los productores primarios de LIn ecosistema
dependen del alllbiente
Uno de los elementos fundamentales en 1a natura leza es el carbono Las plantas tienen tres
fcmnas para asimi lar el di6xido de carbono y producir este elemenlo ESlo depende del
compllesto de carbono que prodllcen las plantas y que se pucdcn c1asificar en C3 C4 Y
CAlvi (creslu lac(UI acid metabolism) Estas tres categorias correspond en a adaptaciones
de las pl antas al ambien te Los compuestos C3 (Ph05pi7 ogilc(J[r) tienen una aJta tasa de
fotosintesis Pueden perder del 20 al SQUCJ de carb6n fijado durante este proceso y son
caracteristicos de grandes al turas Las plantas en la catcgoria C (Oxaloacetate) pierden el
di6x ido de carbo no porIa bto-respiraci6n y son encontradas en ambientes humedos cJimas
secos y alturas intemledias EI CA M se encuentra en las lonas deserticas alturas bajas y
con un cicio diurno de fijaci6n de dioxido de carbono Para estc caso los estomas se abren
en la noche y esto hace que 121 perdida de aiua sea minima durante la fijaci6n de CO] y
tambien que las plantas adquieran la resistencia nccesaria para sobrevivir en ambientes
secos
5
En los ambientes acuilticos las algas son las productoras primarias principales Las algas
han sido c1asificadas en 12 di ferenles tipos Y en general se clasifican en tres grupos
bilsicos las algas rojas (rodofitas) las algas verdes (clorofitas) y las algas cafes
(freatofitas) Los miembros mas grandes de las protistas fototrofas son las algas marinas
mientras los mas pequeilos son el fitoplancton y el nanoplancton
Las bacterias fototroficas deben ser separadas en dos grupos las que proclllccn oxigeno y
aquellas que no Estas se encuentran como liopelicula y espuma en el fondo de los lagos y
estanques OtlOS elementos importantes para 1lt1 vida en el largo plazo son carbono
hidr6geno nitrogeno oxigeno sulfuro y fosfo ro La disponibilidad de estos elementos y
otros mas depencle de los ciclos biogeoquil11icos Estos ciclos son muy impoltantcs no
solamente pOI-que la vida depende de ellos sino tambien porque In vida afecla grandcmente
la biosfera a Il-aves del tl ujo y transfonnacion de los componentes quimicos ver numeral
1 2
Desde un punto de vista tennodinimlico el cic io de un eiemento cOl11ienza en Sll cstado de
energia mas al to seguido por una serie de oxidaciones y tell11inando con un estado de alta
oxidacion y por ultimo con un incremento en la entropia Los cidos del carbono sulfuro
fosforo nitrogeno hidrogeno y oxigeno son el sis tema metab6lico del planeta EI estudio
de los ciclos biogeoquimicos tiene dos objetivos
shy La earacterizacion de los ciclos elementales naturales y su relaci6n con los
elementos basicos de la biota terrestre como son el fosforo nitrogeno sulfuro y
carbo no
r La identificacion y cua nti ficJci6n de los cambios en estos ciclos debido a 1a
acti vidad antropogenica
Adems de comprender cJ cicio biogeoquimjco de los nutrientes uno de los aspectos
fundamentales es la eval uacion del impacto de la acti vidad humana en los ciclos de la vida
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Uno de ellos es la acumulaci6n del carbono y su efecto en los demas ciclos Tambien se
tienen el d ec to de los feltili zilntes en los sistemas (lcwlticos y terrestres y la paridad entre la
deforestaci6n y la refores taci6n Por LIitimo estl 121 absorci6n por palte del oceano del CO
Los modelos a tra ves dc los ciclos de nutrientes pueden establecer vincllios entre los cuatro
si stemas principales de modelaci6n terrestre tlcuarico y costero oceanico y atmosferico
En la literatura pam estlldiar el vinculo entre los sistemas anteriores se reClIITC ados
aproximaciones una es la cuenca a pequena escala y la es un volllrnen de control tielTashy
ag1l3 Este volumen de control esta dejillido como 0 unidad basica que perllite illlegrar
0 1 jhljOS terrestres v aCLIoticos J eswblecer 10 transerencia 0 el cielo a 1I1l( escaa
upre)nuda Si se lltiliza la cuenca como unidad de acople entre los nutnentes terrestres y
los nutrientes de la I-ibera de los rios y sislemas acuMicos se debe dar una buena definicion
de las unidades del paistlJe y como interactLlan con la componente atmoslerica para
eslablecer fuentes puntuales de tlujos y posibles vincLllos con modelos de circulaci6n
general Por eJemplo los nutrienles terreslTes tienen su zona de transformaci6n y transporte
en los ecosistemas de ribera y costeros y se convielten en puntos de informacion de
entrada para LIn sistema de oceano tipo abierto Por 10 tanto se puede tener un modelo
general que considera la turbulencia y la adveccion del aglla asi como el intercambio con
la atmosfera la producci611 biolica de carbOIlO org~l1ico y carbona to de calcio tasa de
oxidacion y diluci6n En la figura 1 1 se puede ver el esquema para el estudio de los ciclos
biogeoqui11licos baJ o estc esquema
12 Ciclos de nutricntes
EI cielo de los Ilutrientes desde el ltlmbienle no vi vo ( depositos en la atmosfera hidrosfera
y la corteza de la tierra ) hastll los orgll1i sll1os vivos y de rebTJeso al ambiente no vivo tiene
lugar en los ciclos biogeoCjuimicos Estos ciclos activados directa 0 indirectamente por la
energia del Sol incluyen los ciclos del carbonc) oxigeno nitrogello fos foro azufre y del
agua
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Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
En los ambientes acuilticos las algas son las productoras primarias principales Las algas
han sido c1asificadas en 12 di ferenles tipos Y en general se clasifican en tres grupos
bilsicos las algas rojas (rodofitas) las algas verdes (clorofitas) y las algas cafes
(freatofitas) Los miembros mas grandes de las protistas fototrofas son las algas marinas
mientras los mas pequeilos son el fitoplancton y el nanoplancton
Las bacterias fototroficas deben ser separadas en dos grupos las que proclllccn oxigeno y
aquellas que no Estas se encuentran como liopelicula y espuma en el fondo de los lagos y
estanques OtlOS elementos importantes para 1lt1 vida en el largo plazo son carbono
hidr6geno nitrogeno oxigeno sulfuro y fosfo ro La disponibilidad de estos elementos y
otros mas depencle de los ciclos biogeoquil11icos Estos ciclos son muy impoltantcs no
solamente pOI-que la vida depende de ellos sino tambien porque In vida afecla grandcmente
la biosfera a Il-aves del tl ujo y transfonnacion de los componentes quimicos ver numeral
1 2
Desde un punto de vista tennodinimlico el cic io de un eiemento cOl11ienza en Sll cstado de
energia mas al to seguido por una serie de oxidaciones y tell11inando con un estado de alta
oxidacion y por ultimo con un incremento en la entropia Los cidos del carbono sulfuro
fosforo nitrogeno hidrogeno y oxigeno son el sis tema metab6lico del planeta EI estudio
de los ciclos biogeoquimicos tiene dos objetivos
shy La earacterizacion de los ciclos elementales naturales y su relaci6n con los
elementos basicos de la biota terrestre como son el fosforo nitrogeno sulfuro y
carbo no
r La identificacion y cua nti ficJci6n de los cambios en estos ciclos debido a 1a
acti vidad antropogenica
Adems de comprender cJ cicio biogeoquimjco de los nutrientes uno de los aspectos
fundamentales es la eval uacion del impacto de la acti vidad humana en los ciclos de la vida
6
Uno de ellos es la acumulaci6n del carbono y su efecto en los demas ciclos Tambien se
tienen el d ec to de los feltili zilntes en los sistemas (lcwlticos y terrestres y la paridad entre la
deforestaci6n y la refores taci6n Por LIitimo estl 121 absorci6n por palte del oceano del CO
Los modelos a tra ves dc los ciclos de nutrientes pueden establecer vincllios entre los cuatro
si stemas principales de modelaci6n terrestre tlcuarico y costero oceanico y atmosferico
En la literatura pam estlldiar el vinculo entre los sistemas anteriores se reClIITC ados
aproximaciones una es la cuenca a pequena escala y la es un volllrnen de control tielTashy
ag1l3 Este volumen de control esta dejillido como 0 unidad basica que perllite illlegrar
0 1 jhljOS terrestres v aCLIoticos J eswblecer 10 transerencia 0 el cielo a 1I1l( escaa
upre)nuda Si se lltiliza la cuenca como unidad de acople entre los nutnentes terrestres y
los nutrientes de la I-ibera de los rios y sislemas acuMicos se debe dar una buena definicion
de las unidades del paistlJe y como interactLlan con la componente atmoslerica para
eslablecer fuentes puntuales de tlujos y posibles vincLllos con modelos de circulaci6n
general Por eJemplo los nutrienles terreslTes tienen su zona de transformaci6n y transporte
en los ecosistemas de ribera y costeros y se convielten en puntos de informacion de
entrada para LIn sistema de oceano tipo abierto Por 10 tanto se puede tener un modelo
general que considera la turbulencia y la adveccion del aglla asi como el intercambio con
la atmosfera la producci611 biolica de carbOIlO org~l1ico y carbona to de calcio tasa de
oxidacion y diluci6n En la figura 1 1 se puede ver el esquema para el estudio de los ciclos
biogeoqui11licos baJ o estc esquema
12 Ciclos de nutricntes
EI cielo de los Ilutrientes desde el ltlmbienle no vi vo ( depositos en la atmosfera hidrosfera
y la corteza de la tierra ) hastll los orgll1i sll1os vivos y de rebTJeso al ambiente no vivo tiene
lugar en los ciclos biogeoCjuimicos Estos ciclos activados directa 0 indirectamente por la
energia del Sol incluyen los ciclos del carbonc) oxigeno nitrogello fos foro azufre y del
agua
7
Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
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por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
Uno de ellos es la acumulaci6n del carbono y su efecto en los demas ciclos Tambien se
tienen el d ec to de los feltili zilntes en los sistemas (lcwlticos y terrestres y la paridad entre la
deforestaci6n y la refores taci6n Por LIitimo estl 121 absorci6n por palte del oceano del CO
Los modelos a tra ves dc los ciclos de nutrientes pueden establecer vincllios entre los cuatro
si stemas principales de modelaci6n terrestre tlcuarico y costero oceanico y atmosferico
En la literatura pam estlldiar el vinculo entre los sistemas anteriores se reClIITC ados
aproximaciones una es la cuenca a pequena escala y la es un volllrnen de control tielTashy
ag1l3 Este volumen de control esta dejillido como 0 unidad basica que perllite illlegrar
0 1 jhljOS terrestres v aCLIoticos J eswblecer 10 transerencia 0 el cielo a 1I1l( escaa
upre)nuda Si se lltiliza la cuenca como unidad de acople entre los nutnentes terrestres y
los nutrientes de la I-ibera de los rios y sislemas acuMicos se debe dar una buena definicion
de las unidades del paistlJe y como interactLlan con la componente atmoslerica para
eslablecer fuentes puntuales de tlujos y posibles vincLllos con modelos de circulaci6n
general Por eJemplo los nutrienles terreslTes tienen su zona de transformaci6n y transporte
en los ecosistemas de ribera y costeros y se convielten en puntos de informacion de
entrada para LIn sistema de oceano tipo abierto Por 10 tanto se puede tener un modelo
general que considera la turbulencia y la adveccion del aglla asi como el intercambio con
la atmosfera la producci611 biolica de carbOIlO org~l1ico y carbona to de calcio tasa de
oxidacion y diluci6n En la figura 1 1 se puede ver el esquema para el estudio de los ciclos
biogeoqui11licos baJ o estc esquema
12 Ciclos de nutricntes
EI cielo de los Ilutrientes desde el ltlmbienle no vi vo ( depositos en la atmosfera hidrosfera
y la corteza de la tierra ) hastll los orgll1i sll1os vivos y de rebTJeso al ambiente no vivo tiene
lugar en los ciclos biogeoCjuimicos Estos ciclos activados directa 0 indirectamente por la
energia del Sol incluyen los ciclos del carbonc) oxigeno nitrogello fos foro azufre y del
agua
7
Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
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Base global de datos I I ~
Region de estudio con sus ca racleri sticas bio fi sicas
~ Datos
l lso de la tierra Historia uso del
+ suelo
A Compol1 ente
~
JI Para met t terrestre
TelTestres m
~0 s
Componentef JI
acuari ca Paramet
e Acuat icos
r
a + ~
Red de drenaje -cuenca
+ Oceano
Figura J Estrllctura macro del 1110delo para el estud io de los ciclos globales
biogeoquimicos
Los l1 utrientes di ferentes del CO para un ecosistemLl proceden del suelo y en menor
medida de la 1I 1Ivia el aire la nieve y el pol vo La provision de Ilutrientes es liJnitada y a
traves de los ciclos se puede establecer la recirculac ion de estos (Henry (nd Heinke 1999)
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
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por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
12 1 Cicio del carbono
EI carbono es un elemen to baS ICO para la construccion de la materia or~ nica La li Icnll d
ca rbono es el CO] el cLlal se transfonna en materia orglI1ica por la l()t inlt51 La
circuiaclon del ca rbono es de l CU de 1lt1 atmosfe ra a las plantas verdes lucgo a los
consumidores y continua a los organi srnos microbianos que descomponcn la matclia
organrca Las algas y las bac terias autotwfas Lambien fij an el carbono de la alm6s1cra para
producir carbohidraLos y otras sustancias orgc1nicas Los combusti bles fosiles las roca de
carbono y el CO] dlsueito en los oceanos son tam bien importantes reservas de carbono EI
reLorno deJ CO] a Ja atmosfera se hace por varios medIos la respiracion humana y de Ius
animaJes y en mayor l1led ida por la acti vidad de bactelias y hongos sobre la materia
organica mue11a
Orr-a componenLe del cicio de l ca rbono es la geo logIca que comprende
La aculllulacion descomposiclon lenta y com pactacion del materi al vegetal para
formar turba carbon y pe tr6Jeo
)shy La acumul acion y compactaci 611 de conc has de anima les y esqueletos n1JCroSCOPI COS
de di ato meas para form ar rocas de ca rbo natos
EI carbonato de caleio tambien se precipIta en aguas dulees cuando las algas extraen el CO]
del agua con 10 cual mIll1enta su Iff Tambien la descarga de aguas res iduales y desechos
Illdll striales orglnIcos aporta grandes cantidades de carbono a las agllas receptoras
En resumen los puntos mas Importantes del cicio del carbono son
r Todas las plan tas terres tres obliene n el carbono de l CO] gaseoso
r Las plantas ac uaticas 10 adqUleren de bicarbonatos
gt Los complejos de cmbono que se forman por los dos mecanismos anteriores
retornan a sus formas originales poria descomposic lon 1111crobiana
9
EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
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EI co] se ha ac ulllulado durante los LtitilllOS 20 ail0s a un a tasa de 1 ppmvano (214 x 10 15
gCl jJjJJI1v) y hacer un balance entTe las Fu entes y sUll1ideros a nivel global es muy optirnista
Por 10 tan to para hac er es t1Jdios de acumlliacion de CO~ es irnportantes tener en CLlenta los
sigllientes aspectos
Efeclos de los Iert ili za ntes en los ccosistelllltts aCll~l ti cos y tenestres y la importancia
de la defores tac ion- recreciJ11icnto
Estudiar y cuantifica r las tasas de deforestaci on y rec rec imiento
Mejorar la estima cion del CO_ en los oceallos ya que esta es subestimada
La fi gura 12 pIesen ta el esquema con las carac teristicas fundam ental es del cicio del
carbon o (Ramher (gt1 al 1989)
1 i _-~ J
( lt
l S I bull Iel
r
JJJ) Ill t d I e I~ Ir p Wa l ~~ IC()I I I
Figura 12 Caracteri sticas principa les del cic io global del ca rbono Tomado de Rambler
1989 pagina 11 7 Los va lores esran en unidades de 1015 gc
10
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
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por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
122 Cicio del llltTogeno
EI nitTogeno es lin elemento de importanCia critica para todas las fOimas de vida El
nitr6geno esta presente en la proteinas los acidos nucl eicos y los aminoazucares El 79 de
la atmosfera es nilTl)gcno elemental (IV~) y no esta disponible para ser asimilado por la
mayoria de plantas ya nilllaies
Se sa be de Ji versas bacterias hongos y algas n ul es capaces de fijar nitTogeno Los
fijadores de nitrogeno se pueden dividir en
)- Fijadores de nitr6geno sil1lbioticos bacterias asociadas a las raices de las
Iq1llllinosas y otras plantas fanerogamas Los fiJadores de nitrogeno simbioticos
estan presentes en forma exclusiva en los ecosistemas terrestres Hasta ahora no se ha
encontrado nmgLII1 fijador en los ecosistemas ac uaticos con excepcion de un gusano
marino que ataca la madera sUlllcrgida
~ Fijadores de nitrogeno de vida libre como eJ genero Rhizobium que habita los
nodulos de las raices de los l1liembros de la fami lia del frUol y el guisante En es te
caso los [ijadorcs de nitrogeno son bacterias anaerobias aerobias y cianobacterias
presentes en los sue los y en aguas de carac ter marino y dulce Una Fuente de poca
magnlt1Jd para la atmosfera y los sue los son las tOlmentas electricas en las cuales se
presentan conversiones elec troquimlcas del nitrogcno
EI nitrogeno sc introduce en la cadena alimenticia por dos procesos desni trificacion a
traves de las bacterias y los hongos desnJtri ficantes de los sue los anegados pueden
convertir el ni trito fjlOll en ailloniaco (Ii HJ ) EI otro proceso es el de la nitrificacion en
el cLial las bacterias nitrificantes utilizan el nitTogeno amoniacal (NH3) COl1l0 Fuente de
energia para sinteti zar su proloplasma Este segundo proceso se leva a traves de bacterias
de gene ro I1Itrosomas y nitrobacter Muchas bacterias y hongos heterotrofos de sueJo y del
II
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
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por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
agua utilizan los prod uctos residuales de la asimilacion del nitrato por palte de las plantas
para producir amoniaco inorganico en un proceso ilml1Cldo amoni ficacion
La descarga exces iv(I de compuestos nttrogenados en cuerpos de agua puede dar lugar a un
crecillliento eXCCSlVO y daiiino de algas y plan tas macrofitas Como complemento se
presenta en Ja Figura 13 el esq uema deJ balance del nitrogeno a nivel terrestre
r- --- --- - ----- -- - --------- - -- --------- --- ~ Atmosfera Icosechas
Or~~lI1 i co lnorgcn ico Plantas +
Feltilizanle Precipitacion Volatizaeion
Fijaeion N
Movimiento neto de nutrientes
Escorrentia Escorrentia
Materia organiea nutrientes disueltos
~ dmiddot Mateltll partieulado
Figura I J Modelo de balance del nitrogeno terrestre
Nutnentes IISll e tos
123 Cido del fosfo ro
EI fosforo es de vital importancia para el crec imi ento y se encuentra fundamentalmente
los ecosistemas ac uati cos y en menor proporcion que el ca rbono y nitrogeno EI fosforo
en
se
vuelve en un factor limitante cuando su control previene eJ creeimiento excesivo de algas y
plantas aculticas EI fosforo estj prcsente en Slle los y rocas en forma de fosfato de caleio
[C( _(P04)~] e hidroxiapa tita [Cu5(PO~)(OH)l Pueslo que la roca fosforica es poco so luble
12
--
por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
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por lix iviaci6n se ui suelven cantidaues muy pequet1aS 10 cual origina concentraciones muy
bajas como de 000 I ppm Debiuo a los call1bios eslac iona les en la prodLtcci6n animal y
vegetal y debido a la mayor enlrada cle los foro en ~lguas naturales por el desague de las
Fuentes la conce nlyaci6n de f6sforo en el agua varia nOlable11lente
EI aumento en 1a concentraci6n del fos loro se da por la descarga de aguas negras
domesticas (detergentes) y de aguas agricolas (fert iJizantes) Las proporci6n de f6sforo
respecto a otros elementos en los organis11l0s es 11lucho mayor que en Fuentes como el suelo
o el ab1Ja 10 cUed hace que la provis i6n de f6sforo sea de importancia critica para el
crecimiento biologico cn los lagos Gran parte del f6sforo es extraido de los lagos por el
sedimento y eliminauo del cicio estaciona l ver fi gura 14
OrganisI11os biologicos (fosforo
org~lI1ico pa rti culatio)
As irnilil Clcln Dcsco illr os ic i611 Ir
Fosforo inorga nico disLtclto I
~ ~
Deposi tos de fosfatos (Superficie)
F6sforo inorganico
FosFato disuelto en aIYuLts profundas
Depositos de fosfatos (oceanos proFundos)
Figura 14 Cicio del Josforo tomado de He171T ulld Heinke p~l g ln a 3 19 Las flechas
uiscontinuas indican mCl vim(cntos de llluci1a mero impo11ancia
Rigler (l9(j4) encontro que el cic io uel 105foro tie ne dos cot11ponen tes
shy EI fo sforo ll1 orgal1lco es baJo durant e gran parte del ano cle diClembre
baJa activ idad biologica esto para latitud es alte1s
a abril por la
13
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
)gt EI fasforo orgnlco particLilado no tiene pallones estacionales consi tcntes con un
pequeno aumenlo en inviemo
La r6plda y continua ro taclan del fasforo en los lagos permite que las poblaciones de
fitoplancton se expandm con rapidez
I J Sistemas Ambientales
Un sistema ambienta l se puede presenlm como Lin modelo que relaciona un entrada y Llna
sa lida a traves de Lin operador cuya es tructU ril esta gobernada pm Jeyes flsica s conocidas y
en forma parcial por el nivei de agregacion (Dierich e at 995) Las propiedades
especificas del sistema detenmnan el valor de los parametros del modelo y su
cOl11portamiento espac131 y temporal ver tigura 15
Salida Entrada
Sistema Operador (parill11etros)
Figura 15 Represenlaci on Si 111pli fica d(l de un sistema C11l1bienta l
EI esquema de 1lt1 fig ura 15 se puede expresar con la eeuaci6n 11
y = I(8X) (1)
Donde
datos de entrada
f ope rador
X datos de sa Iida
8 par11l11etros del 1l1odelo
14
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
15
problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
16
La sol uci6n correspondiente a la modelaci6n de un sistema ambiental esta enmarcada en
una mils de las siguientes tres categorias
)shy Simulaci6n del sistema la sal ida es modelada por una sol uci6n numerica a traves de
la calibraci6n del modelo La estructura del operador es modelado por conocimientos
a priori y expenmenlos Adel11as los parametros del operador pueden ser medidos
directamcn te
)shy La identiflcaci6n del sistema en cl cual se seJecc iona la estructura del modelo y la
estimClci6n de los pa rltlmetTOs con medicioncs de la entrada y la sa lida En esta
categoria hIY dos sltuClcioncs los pari1l11etros del SIstema son lIlferidos de un
conJ lInto de datos de entrada y salida y no se puede explorar la respuesta del sistema
a otros datos de entrada La segu nd a opcion son los sistemas que penniten analizar la
respuesta an te di ferentes datos de entrada
r Identiflcacion de los datos de entrada se conoce la sa lida de datos y el operador para
II1fenr los datos de entrada
Una caracteristica genera l de los dos pril11eros sistemas es que son estables y que los enores
numericos no persisten en el tiempo EI tercer sistema si es vulnerable a la propagaci6n ce errores y se vue lve inestable
EI problema in verso en sistemas ambientales
La simulacion de Y dado I I X es una simuiacion hacia adelante segLI1l la eCLlaci6n 11
Esta simulaci6n lIslialmente es poco sensible a los enores Cuando se quiere identificar bs
datos de entrada [a sillllliac ion es hac ia atrIS y se Il al11a problema mverso y es un problema
sensib le a los enares
La identificacion de lin sistema es Ilamado problema inverso y en este caso los datos de
entrada se obtienen de forma indlrecla mils que operaI sobre el modelo Este tipo de
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problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
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problemas eaen en la eategoria de identifieaei6n de los datos de entrada Uno de los
ejemplos para este tipo de si tuaeiones son los problemas de medieiones indireetas por 10
tanto en la eeuaei6n 11 l(l sal ida Y sc considern una mecliei6n indireeta de los datos X
Este punto de vista es l1lU Y uti para el anal isis del al11bien te donde la respuesta del sistema
es fc1c il de nledir pero los da tos y los pnrcimetros no Un ejemplo es la estimaei6n de la
conducti vidad hid I1lL1l iea 0 transmisividad ademls del almacenal11iento en un ae uifero
eonfinado Los resultados 0 datos de sal ida son las cnbezas piezometri cas La reearga es
l11uy difi ci l de medir excepto pain Cuentes pUl1tuales 0 sumideros Tambien el modelo debe
considerar el declO de la preeipi taci6n y la irri gltlC i6n
14 Un enlace enlTe la EcoJogia y la Hidro logia
14 I Que es 1(1 Ico-hidrologia)
Si se quiere estableeer UD vinculo entre la ecologia y la hidrologia con nuras al sig--shylo XX se
tiene que empezar a presentar el conccpto de 10 que se llama Eco -hidrologia (Rodriguezshy
Iuhe 20(0) [ste tennino presentl una nueva tendencia de trabaJ o para las pr6xlmas
decadas Gr3J1 parte de la in vesLigacie)ll en H idrologi3 esta desconectada de las
caracteristieas hidrol6gieas p3rt icll lares las cuaJcs hacen que las Iegiones sean di fe lentes
Especia lmente estu la din21miea en tre c1lma-suelo- vege taci6n que no puede ser una de las
caracteristicas genera les L() din21mica de esta interacci6n esta prineipalmen te dommada por
la eseala espacial y tempora l a la eua l el fen6meno es representativo para la cuenca y
tambien por las earacteristicas fi siol6gicas de la vegetaci6n la pedologia del suelo y el tipo
cle clIma Pero algunos de estos aspectos rara vez son bien presentados y estlldiado en la
Hidrologia Esta dimim ica es fundamental para los bosques planieies zonas de montana y
los ecosistemas
Uno de los retos del futuro sera establecer una relacion espaeio -tempora l que expJ ique la
dinamica entre la hidrologia y la ecologia Es to sen) il1lportante para contes tar preguntas
que pellTlitan entender el al1lbiente en eI cua l vivimos y el que recibiran las futuras
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