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11:11 Ecologia Numérica Aula 5: Produção primária e perdas Carlos Ruberto Fragoso Júnior.

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1 11:11 Ecologia Numérica Aula 5: Produção primária e perdas Carlos Ruberto Fragoso Júnior

2 11:11 Sumário Revisão da aula anterior Importância da produção primária Os fatores limitantes A taxa de crescimento A produção primária Exercício prático Trabalho

3 11:11 Cadeia alimentar aquática

4 11:11 Quem são os produtores primários? Conjunto de organismos e microrganismos aquáticos que têm capacidade fotossintética. Composto pelo fitoplâncton e macrófitas aquáticas em ecossistemas aquáticos Algumas espécies vivem à deriva flutuando na coluna dágua

5 11:11 Importância do conhecimento da produção primária Aproximadamente 50% do oxigênio da atmosfera provêm da produção primária aquática. A eutrofização promove uma produção excessiva da vegetação aquática Algumas espécies são indesejáveis para o abastecimento (cianobactérias) O conhecimento da produção primária é importante para gestão de recursos hídricos

6 11:11 Fitoplâncton (algas)

7 11:11 Fitoplâncton (algas) Eutrofização: produção excessiva de matéria orgânica dentro de um reservatório, devido a uma grande abundância de nutrientes. Muitas espécies, quando em condições favoráveis, crescem em alta densidade, fenômeno denominado Floração, que ocorre principalmente em lagos eutróficos ou eutrofizados artificialmente. Lake Horowhenua – Nova Zelândia

8 11:11 Padrões de distribuição do fitoplâncton Populações fitoplanctônicas flutuações físicas e químicas da água Controle Ascendente luz e nutrientes Controle Descendente zooplâncton - herbivoria

9 11:11 Macrófitas aquáticas

10 11:11 Formulação da produção primária Um simples balanço de massa pode representar a dinâmica de crescimento de algas: onde a é a concentração de algas (mg cl-a/m 3 ) e k g é a taxa de crescimento de primeira ordem (d -1 )

11 11:11 A solução da equação é: A taxa de crescimento de fitoplâncton é da ordem de 2 d -1. Se a condição inicial for 1 mg cl-a/m 3, determina-se o crescimento de algas ao longo do tempo. Formulação da produção primária

12 11:11 Formulação da produção primária Na natureza tais níveis de crescimento nunca são alcançados devido ao processos de perda, relacionados ao: Transporte de massa (sedimentação, advecção, difusão e dispersão) Processos cinéticos (respiração, excreção, mortalidade por predação) Além disso, a taxa de crescimento não é uma simples constante mas varia em função dos fatores ambientais (temperatura, luz e nutrientes)

13 11:11 Formulação da produção primária Ao incorporar esses fatores, a dinâmica de crescimento pode ser escrita como: onde k g (T, N, I) é a taxa de crescimento em função da temperatura da água (T), nutrientes (N) e luz (I); e k d é a taxa de perdas

14 11:11 Formulação da produção primária A taxa de crescimento pode ser representada por: onde k g,T é a taxa máxima de crescimento em função da temperatura, ϕ N e ϕ L são os fatores de atenuação devido aos nutrientes e luz, respectivamente (varia entre 0 e 1).

15 11:11 Formulação da produção primária A forma de cada termo pode ser explorada por experimentos. kgkg T Luz ótima Saturado por nutrientes Temperatura variada

16 11:11 Formulação da produção primária A forma de cada termo pode ser explorada por experimentos. kgkg N Luz ótima Temperatura ótima Variação da conc. de nutrientes

17 11:11 Formulação da produção primária A forma de cada termo pode ser explorada por experimentos. kgkg I Saturado por nutrientes Temperatura ótima Variação da luz

18 11:11 Fatores limitates ao crescimento Temperatura Nutrientes Luz

19 11:11 Efeito da temperatura da água

20 11:11 Efeito da temperatura da água Várias formulações podem ser utilizadas para representar o efeito da temperatura no crescimento. A mais simples formulação é a linear: onde k g,ref é a taxa de crescimento na temperatura de referência (geralmente 20ºC) e T min é a temperatura onde o crescimento cessa.

21 11:11 Efeito da temperatura da água Outra formulação comum é o modelo THETA: onde θ = 1,066 baseado em vários experimentos envolvendo várias espécies de fitoplâncton

22 11:11 Efeito da temperatura da água Para representar o efeito da inibição do crescimento para altas temperaturas, utiliza-se a seguinte expressão:

23 11:11 Efeito dos nutrientes A equação de Michaelis-Menten (ou Monod) oferece uma boa aproximação do efeito da limitação de nutrientes no crescimento: onde N é a concentração do nutriente limitante e k sN é a constanete de meia saturação

24 11:11 Efeito dos nutrientes N 1 0,5 k sN

25 11:11 Efeito dos nutrientes Nutrientesk sN Fósforo1 – 5 μgP/L Nitrogênio5 – 20 μgN/L Sílica20 – 80 μgSi/L

26 11:11 Efeito dos nutrientes Efeito de múltiplos nutrientes na taxa de crescimento: onde p e n é a concentração de fósforo e nitrogênio, respectivamente.

27 11:11 Efeito dos nutrientes Efeito multiplicativo: Efeito mínimo (mais aceita):

28 11:11 Efeito da luz O efeito da luz no crescimento do fitoplâncton é complicado porque diversos fatores precisam ser integrados para compor o efeito total. Os fatores são: Variação diurna da luz na superfície Atenuação da luz com a profundidade Dependência da taxa de crescimento com a luz

29 11:11 Efeito da luz

30 11:11 Efeito da luz A formulação de Michaelis-Menten algumas vezes é utilizada para representar esse efeito: Porém, a formulação mais usada considera o efeito da inibição da luz no crescimento onde: I = intensidade da luz (W/m 2 ) ksi = const. de meia-saturação onde: Is = intensidade ótima da luz para crescimento (W/m 2 ) Varia entre 48,2 e 192,8 W/m 2

31 11:11 Efeito da luz A média de luz diária pode ser calculada por: onde Im é a intensidade máxima no dia. A variação espacial de luz através da coluna dágua pode ser calculada pela Lei de Beer-Lambert: onde I 0 é a radiação solar na superfície e k e é o coeficiente de atenuação da luz

32 11:11 Efeito da luz O coeficiente de atenuação da luz é dado por: onde k e é a atenuação da luz devido a outros fatores, dado por: onde k ew é a extinção da luz devido a cor da água (aproximadamente 0,2 m -1 ), N é a concentração de sólidos suspensos e D é a concentração de detritos.

33 11:11 Efeito da luz Formula simples para o coeficiente de atenuação da luz: onde SD é a profundidade do Disco de Secchi (m)

34 11:11 Efeito da luz Fazendo as devidas substituições e integrando a função de intensidade da luz sobre a profundidade e ao longo do dia, obtemos a taxa de crescimento devido a luz: onde f é o fotoperíodo (número de horas de luz no dia/24h)

35 11:11 Efeito da luz H H 1 = 0 H 2 = H

36 11:11 Formulação da produção primária A formulação completa da taxa de crescimento é dada por:

37 11:11 Formulação da produção primária A produção primária em g m -2 d -1 é dada por:

38 11:11 Exercício Estime a taxa de crescimento do fitoplâncton e a produção primária (g m -2 d -1 ) de um estuário com as seguintes características: T = 20ºC I s = 144,6 W/m 2 I a = 241 W/m 2 Concentração de P disponível = 3 mg/m 3 Concentração de N disponível = 20 mg/m 3 Concentração de Clorofila-a = 4 mg/m 3 K g,20 = 2 d -1 k e = 0,3 m -1 f = 0,5 H = 5 m Constante de meia-saturação de P = 2 mg/m 3 Constante de meia-saturação de N = 10 mg/m 3 Razão Clorofila-a/C é 20 μgCl-a/mgC

39 11:11 Processos de perdas Respiração – refere-se ao processo oposto à fotossíntese, onde a planta usa oxigênio e libera CO 2 Excreção – refere-se a liberação de nutrientes orgânicos como produto extracelular Perdas predatórias – Mortalidade devido ao consumo pelo zooplâncton e outros organismos herbívoros

40 11:11 Processos de perdas A taxa de perdas (k d ) pode ser expressa por: onde k ra são as perdas combinadas de respiração e excreção (d -1 ) e k gz são as perdas predatórias (d -1 )

41 11:11 Processos de perdas Respiração e excreção: Valores entre 0,01 e 0,5 d -1 (valores mais típicos estão entre 0,1 e 0,2 d -1 ) Pode-se usar o modelo THETA para corrigir a taxa de perda por respiração e excreção pela temperatura:

42 11:11 Processos de perdas Predação Varia muito dependendo da população de predadores Valores podem variar de 0 a 0,5 d -1 Valores típicos que podem ser usados em uma avaliação preliminar é 0,1 - 0,15 d -1

43 11:11 Modelagem do crescimento algal Algas A Fósforo P Considere a dinâmica de algas e de fósfor no reator aberto abaixo: P in respiração assimilação

44 11:11 Modelagem do crescimento algal

45 11:11 Modelagem do crescimento algal Estime o crescimento algal, incluindo o efeito da limitação por luz, em um lago com as seguintes características: A 0 = 0,5 mgCla/m 3 P 0 = 9,5 mgP/m 3 P in = 10 mgP/m 3 a pa = 1,5 mgP/mgCla k g,T = 2 d -1 k sp = 2 mgP/m 3 k ra = 0,1 d -1 TR = 30 d f = 0,5 I a = 192,8 W/m 2 I s = 120,5 W/m 2 H = 10 m k e = 0,1 m -1


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