Ecologia do ecossistema - Ecosystem ecology
Ecologia de ecossistemas é o estudo integrado de componentes vivos ( bióticos ) e não vivos ( abióticos ) dos ecossistemas e suas interações dentro de uma estrutura de ecossistema. Esta ciência examina como os ecossistemas funcionam e relaciona isso a seus componentes, como produtos químicos , rocha , solo , plantas e animais .
A ecologia do ecossistema examina as estruturas físicas e biológicas e examina como essas características do ecossistema interagem umas com as outras. Em última análise, isso nos ajuda a entender como manter água de alta qualidade e uma produção de commodities economicamente viável. O foco principal da ecologia de ecossistemas está nos processos funcionais, mecanismos ecológicos que mantêm a estrutura e os serviços produzidos pelos ecossistemas. Isso inclui produtividade primária (produção de biomassa ), decomposição e interações tróficas .
Os estudos da função do ecossistema melhoraram muito a compreensão humana da produção sustentável de forragem , fibra , combustível e fornecimento de água . Os processos funcionais são mediados pelo clima , distúrbios e gerenciamento de nível regional a local . Assim, a ecologia do ecossistema fornece uma estrutura poderosa para identificar os mecanismos ecológicos que interagem com os problemas ambientais globais, especialmente o aquecimento global e a degradação das águas superficiais.
Este exemplo demonstra vários aspectos importantes dos ecossistemas:
- Os limites do ecossistema são frequentemente nebulosos e podem flutuar no tempo
- Os organismos dentro dos ecossistemas são dependentes dos processos biológicos e físicos do nível do ecossistema
- Os ecossistemas adjacentes interagem intimamente e muitas vezes são interdependentes para a manutenção da estrutura da comunidade e dos processos funcionais que mantêm a produtividade e a biodiversidade
Essas características também introduzem problemas práticos na gestão de recursos naturais. Quem vai gerenciar qual ecossistema? O corte de madeira na floresta degradará a pesca recreativa no riacho? Essas questões são difíceis para os gestores de terras abordarem enquanto a fronteira entre os ecossistemas permanece obscura; mesmo que as decisões em um ecossistema afetem o outro. Precisamos entender melhor as interações e interdependências desses ecossistemas e os processos que os mantêm antes de começarmos a abordar essas questões.
A ecologia de ecossistemas é um campo de estudo inerentemente interdisciplinar. Um ecossistema individual é composto de populações de organismos , interagindo dentro das comunidades e contribuindo para o ciclo de nutrientes e o fluxo de energia . O ecossistema é a principal unidade de estudo em ecologia de ecossistemas.
População, comunidade e ecologia fisiológica fornecem muitos dos mecanismos biológicos subjacentes que influenciam os ecossistemas e os processos que eles mantêm. O fluxo de energia e o ciclo da matéria no nível do ecossistema são freqüentemente examinados na ecologia do ecossistema, mas, como um todo, essa ciência é definida mais pelo assunto do que pela escala. A ecologia de ecossistemas aborda organismos e reservatórios abióticos de energia e nutrientes como um sistema integrado que o distingue das ciências associadas, como a biogeoquímica .
A biogeoquímica e a hidrologia se concentram em vários processos ecossistêmicos fundamentais, como a ciclagem química de nutrientes mediada biologicamente e a ciclagem físico-biológica da água. A ecologia de ecossistemas forma a base mecanicista para processos regionais ou globais abrangidos pela hidrologia de paisagem para regional, biogeoquímica global e ciência do sistema terrestre.
História
A ecologia de ecossistemas está filosófica e historicamente enraizada na ecologia terrestre. O conceito de ecossistema evoluiu rapidamente durante os últimos 100 anos com ideias importantes desenvolvidas por Frederic Clements , um botânico que defendeu definições específicas de ecossistemas e que os processos fisiológicos eram responsáveis por seu desenvolvimento e persistência. Embora a maioria das definições de ecossistema de Clements tenham sido amplamente revisadas, inicialmente por Henry Gleason e Arthur Tansley , e mais tarde por ecologistas contemporâneos, a ideia de que os processos fisiológicos são fundamentais para a estrutura e função do ecossistema permanece central para a ecologia.
Trabalhos posteriores de Eugene Odum e Howard T. Odum quantificaram os fluxos de energia e matéria no nível do ecossistema, documentando assim as idéias gerais propostas por Clements e seu contemporâneo Charles Elton .
Nesse modelo, os fluxos de energia por todo o sistema eram dependentes das interações bióticas e abióticas de cada componente individual ( espécies , reservatórios inorgânicos de nutrientes, etc.). Trabalhos posteriores demonstraram que essas interações e fluxos aplicados aos ciclos de nutrientes, mudam ao longo da sucessão e mantêm controles poderosos sobre a produtividade do ecossistema. As transferências de energia e nutrientes são inatas aos sistemas ecológicos, independentemente de serem aquáticos ou terrestres. Assim, a ecologia de ecossistemas emergiu de importantes estudos biológicos de plantas, animais, ecossistemas terrestres , aquáticos e marinhos .
Serviços de ecossistemas
Os serviços ecossistêmicos são processos funcionais mediados ecologicamente, essenciais para sustentar sociedades humanas saudáveis . O abastecimento e filtração de água, a produção de biomassa na silvicultura , agricultura e pesca , e a remoção de gases de efeito estufa , como dióxido de carbono (CO 2 ) da atmosfera, são exemplos de serviços ecossistêmicos essenciais para a saúde pública e oportunidades econômicas. A ciclagem de nutrientes é um processo fundamental para a produção agrícola e florestal.
No entanto, como a maioria dos processos do ecossistema, a ciclagem de nutrientes não é uma característica do ecossistema que pode ser “regulada” para o nível mais desejável. Maximizar a produção em sistemas degradados é uma solução excessivamente simplista para os complexos problemas de fome e segurança econômica. Por exemplo, o uso intensivo de fertilizantes no meio-oeste dos Estados Unidos resultou na degradação da pesca no Golfo do México . Lamentavelmente, uma “ Revolução Verde ” de fertilização química intensiva foi recomendada para a agricultura em países desenvolvidos e em desenvolvimento . Essas estratégias apresentam o risco de alteração dos processos do ecossistema que podem ser difíceis de restaurar, especialmente quando aplicadas em escalas amplas sem uma avaliação adequada dos impactos. Os processos do ecossistema podem levar muitos anos para se recuperarem de perturbações significativas.
Por exemplo, o desmatamento em grande escala no nordeste dos Estados Unidos durante os séculos 18 e 19 alterou a textura do solo, a vegetação dominante e o ciclo de nutrientes de maneiras que afetam a produtividade da floresta nos dias atuais. Uma apreciação da importância da função do ecossistema na manutenção da produtividade, seja na agricultura ou na silvicultura, é necessária em conjunto com os planos de restauração de processos essenciais. O conhecimento aprimorado da função do ecossistema ajudará a alcançar a sustentabilidade e estabilidade de longo prazo nas partes mais pobres do mundo.
Operação
A produtividade da biomassa é uma das funções do ecossistema mais aparentes e economicamente importantes. O acúmulo de biomassa começa no nível celular por meio da fotossíntese. A fotossíntese requer água e, conseqüentemente, os padrões globais de produção anual de biomassa estão correlacionados com a precipitação anual. As quantidades de produtividade também dependem da capacidade geral das plantas de captar a luz solar, que está diretamente correlacionada com a área foliar da planta e o teor de N.
A produtividade primária líquida (NPP) é a principal medida de acumulação de biomassa em um ecossistema. A produtividade primária líquida pode ser calculada por uma fórmula simples onde a quantidade total de produtividade é ajustada para perdas de produtividade total através da manutenção de processos biológicos:
- NPP = GPP - produtor R
Onde GPP é a produtividade primária bruta e o produtor R é o fotossintato ( carbono ) perdido através da respiração celular .
NPP é difícil de medir, mas uma nova técnica conhecida como co-variância parasita lançou luz sobre como os ecossistemas naturais influenciam a atmosfera. A Figura 4 mostra as mudanças sazonais e anuais na concentração de CO 2 medida em Mauna Loa , Havaí , de 1987 a 1990. A concentração de CO 2 aumentou de forma constante, mas a variação dentro do ano tem sido maior do que o aumento anual desde o início das medições em 1957.
Essas variações foram pensadas para ser devido à absorção sazonal de CO 2 durante os meses de verão. Uma técnica recentemente desenvolvida para avaliar o NPP do ecossistema confirmou que a variação sazonal é impulsionada por mudanças sazonais na absorção de CO 2 pela vegetação. Isso levou muitos cientistas e formuladores de políticas a especular que os ecossistemas podem ser gerenciados para amenizar os problemas com o aquecimento global . Esse tipo de manejo pode incluir reflorestamento ou alteração dos cronogramas de colheita florestal em muitas partes do mundo.
Decomposição e ciclagem de nutrientes
A decomposição e a ciclagem de nutrientes são fundamentais para a produção de biomassa do ecossistema. A maioria dos ecossistemas naturais são limitados por nitrogênio (N) e a produção de biomassa está intimamente relacionada com o turnover de N. Normalmente, a entrada externa de nutrientes é muito baixa e a reciclagem eficiente de nutrientes mantém a produtividade. A decomposição da serapilheira é responsável pela maioria dos nutrientes reciclados pelos ecossistemas (Figura 3). As taxas de decomposição da serapilheira são altamente dependentes da qualidade da serapilheira; alta concentração de compostos fenólicos, especialmente lignina , na serapilheira tem um efeito retardador na decomposição da serapilheira. Compostos C mais complexos são decompostos mais lentamente e podem levar muitos anos para se decomporem completamente. A decomposição é tipicamente descrita com decadência exponencial e tem sido relacionada às concentrações de minerais, especialmente manganês, na serapilheira.
Globalmente, as taxas de decomposição são mediadas pela qualidade da serapilheira e pelo clima. Ecossistemas dominados por plantas com baixa concentração de lignina geralmente apresentam taxas rápidas de decomposição e ciclagem de nutrientes (Chapin et al. 1982). Compostos contendo carbono simples (C) são preferencialmente metabolizados por microorganismos decompositores, o que resulta em taxas iniciais rápidas de decomposição, consulte a Figura 5A, modelos que dependem de taxas constantes de decomposição; os chamados valores “k”, consulte a Figura 5B. Além da qualidade da serapilheira e do clima, a atividade da fauna do solo é muito importante
No entanto, esses modelos não refletem processos de decaimento linear e não linear simultâneos que provavelmente ocorrem durante a decomposição. Por exemplo, proteínas , açúcares e lipídios se decompõem exponencialmente, mas a lignina decai a uma taxa mais linear. Assim, a decomposição da ninhada é prevista de forma imprecisa por modelos simplistas.
Um modelo alternativo simples apresentado na Figura 5C mostra uma decomposição significativamente mais rápida do que o modelo padrão da Figura 4B. Uma melhor compreensão dos modelos de decomposição é uma importante área de pesquisa da ecologia de ecossistemas porque esse processo está intimamente ligado ao fornecimento de nutrientes e à capacidade geral dos ecossistemas de sequestrar CO 2 da atmosfera.
Dinâmica trófica
A dinâmica trófica se refere ao processo de transferência de energia e nutrientes entre os organismos. A dinâmica trófica é uma parte importante da estrutura e função dos ecossistemas. A Figura 3 mostra a energia transferida para um ecossistema em Silver Springs, Flórida. A energia adquirida pelos produtores primários (plantas, P) é consumida pelos herbívoros (H), que são consumidos pelos carnívoros (C), que por sua vez são consumidos pelos “top carnívoros” (TC).
Um dos padrões mais óbvios na Figura 3 é que à medida que se sobe para níveis tróficos mais elevados (ou seja, das plantas para os carnívoros de topo), a quantidade total de energia diminui. As plantas exercem um controle “de baixo para cima” sobre a estrutura de energia dos ecossistemas, determinando a quantidade total de energia que entra no sistema.
No entanto, os predadores também podem influenciar a estrutura dos níveis tróficos inferiores de cima para baixo. Essas influências podem mudar dramaticamente as espécies dominantes nos sistemas terrestres e marinhos. A interação e a força relativa dos controles de cima para baixo versus de baixo para cima na estrutura e função do ecossistema é uma área importante de pesquisa no campo mais amplo da ecologia.
A dinâmica trófica pode influenciar fortemente as taxas de decomposição e ciclagem de nutrientes no tempo e no espaço. Por exemplo, a herbivoria pode aumentar a decomposição da serapilheira e a ciclagem de nutrientes por meio de mudanças diretas na qualidade da serapilheira e alteração da vegetação dominante. Demonstrou-se que a herbivoria de insetos aumenta as taxas de decomposição e troca de nutrientes devido às mudanças na qualidade da cama e ao aumento da entrada de excrementos .
No entanto, o surto de insetos nem sempre aumenta o ciclo de nutrientes. Stadler mostrou que a melada rica em C produzida durante o surto de pulgões pode resultar no aumento da imobilização de N por micróbios do solo, desacelerando o ciclo de nutrientes e potencialmente limitando a produção de biomassa. Os ecossistemas marinhos do Atlântico Norte foram muito alterados pela pesca excessiva de bacalhau. Os estoques de bacalhau caíram na década de 1990, o que resultou em aumentos em suas presas, como camarão e caranguejo das neves. A intervenção humana nos ecossistemas resultou em mudanças dramáticas na estrutura e função do ecossistema. Essas mudanças estão ocorrendo rapidamente e têm consequências desconhecidas para a segurança econômica e o bem-estar humano.
Aplicações e importância
Lições de duas cidades da América Central
A biosfera foi muito alterada pelas demandas das sociedades humanas. A ecologia de ecossistemas desempenha um papel importante na compreensão e adaptação aos problemas ambientais atuais mais urgentes. A ecologia da restauração e o manejo do ecossistema estão intimamente associados à ecologia do ecossistema. A restauração de recursos altamente degradados depende da integração de mecanismos funcionais dos ecossistemas.
Sem essas funções intactas, o valor econômico dos ecossistemas é muito reduzido e condições potencialmente perigosas podem se desenvolver no campo. Por exemplo, as áreas nas montanhas montanhosas do oeste da Guatemala são mais suscetíveis a deslizamentos de terra catastróficos e paralisações sazonais de escassez de água devido à perda de recursos florestais. Em contraste, cidades como Totonicapán, que preservaram florestas por meio de fortes instituições sociais, têm maior estabilidade econômica local e maior bem-estar humano em geral.
Esta situação é marcante considerando que essas áreas são próximas umas das outras, a maioria dos habitantes é de descendência maia e a topografia e os recursos gerais são semelhantes. Este é um caso de dois grupos de pessoas gerenciando recursos de maneiras fundamentalmente diferentes. A ecologia do ecossistema fornece a ciência básica necessária para evitar a degradação e restaurar os processos do ecossistema que atendem às necessidades humanas básicas.
Veja também
- Biogeoquímica
- Ecologia da comunidade
- Ciência do sistema terrestre
- Holon (filosofia)
- Ecologia da paisagem
- Ecologia de sistemas
- MuSIASEM