miniatura|Carballeira do bosque de Wistman no río Dart, en Devon, Inglaterra. A ecoloxía dos ecosistemas é o estudo integrado dos compoñentes vivos (bióticos) e non vivos (abióticos) dos ecosistemas e as súas interaccións dentro dun marco de ecosistemas. Esta ciencia examina o funcionamento dos ecosistemas e relaciona isto cos seus compoñentes, como produtos químicos, rochas, solo, plantas e animais.
A ecoloxía dos ecosistemas estuda como todas as partes dun ecosistema (as criaturas vivas e o ambiente físico) interactúan entre si. Este coñecemento pode axudarnos a manter a auga limpa e a producir bens de forma sustentable. As principais cuestións que estuda son os procesos funcionais, mecanismos ecolóxicos que manteñen a estrutura e os servizos producidos polos ecosistemas, como a produtividade primaria (produción de biomasa), a descomposición e as interaccións tróficas.
Os estudos sobre a función dos ecosistemas melloraron moito a comprensión da produción de forraxe, fibra, combustible e subministración de auga. Os procesos funcionais están mediados polo clima, os disturbios e a xestión a nivel rexional a local. Así, a ecoloxía dos ecosistemas proporciona un marco poderoso para identificar mecanismos ecolóxicos que interactúan cos problemas ambientais globais, especialmente o quecemento global e a degradación das augas superficiais.
Este exemplo demostra varios aspectos importantes dos ecosistemas:
Os límites dos ecosistemas adoitan ser nebulosos e poden flutuar no tempo Os organismos dentro dos ecosistemas dependen dos procesos físicos e biolóxicos do ecosistema Os ecosistemas adxacentes interactúan estreitamente e a miúdo son interdependentes para o mantemento da estrutura comunitaria e os procesos funcionais que manteñen a produtividade e a biodiversidade.
Estas características tamén introducen problemas prácticos na xestión dos recursos naturais. Quen xestionará que ecosistema? A corta de madeira no bosque degradará a pesca recreativa no regato? Estas cuestións son difíciles de abordar para os xestores da terra mentres a fronteira entre ecosistemas segue sen estar clara; aínda que as decisións nun ecosistema afectarán ao outro. Necesitamos unha mellor comprensión das interaccións e interdependencias destes ecosistemas e dos procesos que os manteñen antes de poder comezar a abordar estas cuestións.
A ecoloxía dos ecosistemas é un campo de estudo inherentemente interdisciplinar. Un ecosistema individual está composto por poboacións de organismos que interactúan dentro das comunidades e contribúen ao ciclo dos nutrientes e ao fluxo de enerxía. O ecosistema é a principal unidade de estudo da ecoloxía dos ecosistemas.
A poboación, a comunidade e a ecoloxía fisiolóxica proporcionan moitos dos mecanismos biolóxicos subxacentes que inflúen nos ecosistemas e nos procesos que manteñen. O fluxo de enerxía e o ciclo da materia a nivel do ecosistema adoitan examinarse na ecoloxía dos ecosistemas, pero, no seu conxunto, esta ciencia defínese máis pola materia que pola escala. A ecoloxía dos ecosistemas aborda os organismos e as reservas abióticas de enerxía e nutrientes como un sistema integrado que o distingue de ciencias asociadas como a bioxeoquímica.Chapman, S.K., Hart, S.C., Cobb, N.S., Whitham, T.G., and Koch, G.W. (2003). "Insect herbivory increases litter quality and decomposition: an extension of the acceleration hypothesis". in: Ecology 84:2867-2876.
A bioxeoquímica e a hidroloxía céntranse en varios procesos fundamentais dos ecosistemas, como o ciclo químico de nutrientes mediado bioloxicamente e o ciclo físico-biolóxico da auga. A ecoloxía dos ecosistemas constitúe a base mecanicista dos procesos rexionais ou globais abarcados pola hidroloxía da paisaxe a rexional, a bioxeoquímica global e a ciencia do sistema terrestre.Chapman, S.K., Hart, S.C., Cobb, N.S., Whitham, T.G., and Koch, G.W. (2003). "Insect herbivory increases litter quality and decomposition: an extension of the acceleration hypothesis". in: Ecology 84:2867-2876.
Historia A ecoloxía dos ecosistemas orixínase das raíces filosóficas e históricas da ecoloxía terrestre. Durante o último século, o concepto de 'ecosistema' evolucionou considerabelmente, impulsado por figuras clave como o botánico Frederic Clements e o xeocientífico Vladimir Vernadskii. Clements defendeu definicións específicas de ecosistemas e sostivo que os procesos fisiolóxicos eran fundamentais para o seu desenvolvemento e persistencia.Hagen, J.B. (1992). An Entangled Bank: The origins of ecosystem ecology. Rutgers University Press, Novo Brunswick, N.J. Vernadsky, por outra banda, é amplamente recoñecido pola súa conceptualización da biosfera como un sistema global integrado, anticipando as modernas ideas de interconexión ecolóxica. Aínda que as definicións propostas por Clements foron revisadas e matizadas por científicos posteriores como Henry Gleason e Arthur Tansley, a idea de que os procesos fisiolóxicos e a interconexión global son esenciais para a estrutura e función dos ecosistemas mantense como un principio fundamental na ecoloxía contemporánea. miniatura|240x240px| Figura 3. A enerxía e a materia flúen a través dun ecosistema, adaptado do modelo de Silver Springs.Odum, H.T. (1971). Environment, Power, and Society. Wiley-Interscience Nova York, N.Y. H son herbívoros, C son carnívoros, TC son carnívoros superiores e D son descompoñedores. Os cadrados representan piscinas bióticas e os óvalos son fluxos ou enerxía ou nutrientes do sistema. Traballos posteriores de Eugene e Howard T. Odum cuantificaron os fluxos de enerxía e materia a nivel de ecosistemas, documentando así as ideas xerais propostas por Clements e o seu contemporáneo Charles Elton.
Neste modelo, os fluxos de enerxía a través de todo o sistema dependían das interaccións bióticas e abióticas de cada compoñente individual (especies, piscinas inorgánicas de nutrientes, etc.). Traballos posteriores demostraron que estas interaccións e fluxos aplicados aos ciclos de nutrientes, cambiaron ao longo da sucesión e mantiveron controis poderosos sobre a produtividade dos ecosistemas.Odum, E.P 1969. "The strategy of ecosystem development". in: Science 164:262-270. As transferencias de enerxía e nutrientes son innatas aos sistemas ecolóxicos, independentemente de que sexan acuáticos ou terrestres. Así, a ecoloxía dos ecosistemas xurdiu de importantes estudos biolóxicos de plantas, animais, ecosistemas terrestres, acuáticos e mariños.
Servizos dos ecosistemas Os servizos dos ecosistemas son procesos funcionais mediados ecoloxicamente esenciais para manter as sociedades humanas saudábeis.Chapin, F.S. III, B.H., Walker, R.J., Hobbs, D.U., Hooper, J.H., Lawton, O.E., Sala, and D., Tilman. (1997). "Biotic control over the functioning of ecosystems". in: Science 277:500-504. A subministración e filtración de auga, a produción de biomasa na silvicultura, a agricultura e a pesca e a eliminación de gases de efecto invernadoiro como o dióxido de carbono (CO2) da atmosfera son exemplos de servizos ecosistémicos esenciais para a saúde pública e as oportunidades económicas. O ciclo dos nutrientes é un proceso fundamental para a produción agrícola e forestal.
Non obstante, como a maioría dos procesos do ecosistema, o ciclo dos nutrientes non é unha característica do ecosistema que se poida "marcar" ao nivel máis desexable. Maximizar a produción en sistemas degradados é unha solución demasiado simplista aos complexos problemas da fame e da seguridade económica. Por exemplo, o uso intensivo de fertilizantes no medio oeste dos Estados Unidos provocou unha degradación da pesca no golfo de México.Defries, R.S., J.A. Foley, e G.P. Asner. (2004). "Land-use choices: balancing human needs and ecosystem function". in: Frontiers in ecology and environmental science. 2:249-257. Lamentabelmente, recomendouse unha "revolución verde" de fertilización química intensiva para a agricultura dos países desenvolvidos e en desenvolvemento.Chrispeels, M.J. and Sadava, D. (1977). Plants, food, and people. W. H. Freeman and Company, San Francisco. Quinones, M.A., N.E. Borlaug, C.R. Dowswell. (1997). "A fertilizer-based green revolution for Africa". In: Replenishing soil fertility in Africa. Soil Science Society of America special publication number 51. Soil Science Society of America, Madison, WI. Estas estratexias corren o risco de alterar os procesos dos ecosistemas que poden ser difíciles de restaurar, especialmente cando se aplican a escalas amplas sen unha adecuada avaliación dos impactos. Os procesos dos ecosistemas poden tardar moitos anos en recuperarse dunha perturbación significativa.Likens, G. E., F. H. Bormann, N. M. Johnson, D. W. Fisher and R. S. Pierce. (1970). "Effects of forest cutting and herbicide treatment on nutrient budgets in the Hubbard Brook watershed-ecosystem". in: Ecological Monographs 40:23-47.
Por exemplo, a limpeza de bosques a grande escala no nordeste dos Estados Unidos durante os séculos XVIII e XIX alterou a textura do solo, a vexetación dominante e o ciclo de nutrientes de maneira que afecta a produtividade forestal na actualidade.Foster, D. R. (1992). "Land-use history (1730-1990) and vegetation dynamics in central New England, USA". In: Journal of Ecology 80: 753-772. Motzkin, G., D. R. Foster, A. Allen, J. Harrod, and R. D. Boone. (1996). "Controlling site to evaluate history: vegetation patterns of a New England sand plain". In: Ecological Monographs 66: 345-365. É necesaria unha valoración da importancia da función dos ecosistemas no mantemento da produtividade, xa sexa na agricultura ou na silvicultura, xunto cos plans de restauración de procesos esenciais. Un mellor coñecemento da función dos ecosistemas axudará a lograr a sostibilidade e a estabilidade a longo prazo nas partes máis pobres do mundo.
Operación A produtividade da biomasa é unha das funcións dos ecosistemas máis aparentes e economicamente importantes. A acumulación de biomasa comeza a nivel celular mediante a fotosíntese. A fotosíntese require auga e, en consecuencia, os patróns globais de produción anual de biomasa están correlacionados coas precipitacións anuais. Huxman TE, ea.(2004). "Convergence across biomes to a common rain-use efficiency". Nature. 429: 651-654 As cantidades de produtividade tamén dependen da capacidade global das plantas para captar a luz solar, que está directamente correlacionada coa superficie foliar da planta e o contido de N.
A produtividade primaria neta (NPP polas siglas en inglés, Net primary productivity) é a medida principal da acumulación de biomasa dentro dun ecosistema. A produtividade primaria neta pódese calcular mediante unha fórmula sinxela onde a cantidade total de produtividade se axusta ás perdas totais de produtividade mediante o mantemento dos procesos biolóxicos:
NPP = GPP – R produtor Onde GPP é a produtividade primaria bruta e o Rprodutor é o fotosinteto (carbono) perdido a través da respiración celular. A NPP é difícil de medir, pero unha nova técnica coñecida como Eddy Covariance botou luz sobre como inflúen os ecosistemas naturais na atmosfera. Foron medidos cambios estacionais e anuais na concentración de CO2 medidos en Mauna Loa, Hawai desde 1987 até 1990. A concentración de CO2 aumentou constantemente, pero a variación dentro do ano foi maior que o aumento anual desde que comezaron as medicións en 1957. Os datos mostran claras tendencias estacionais asociadas a períodos de alta e baixa NPP e un aumento global anual do CO2 atmosférico. Datos aproximados dos informados por Keeling e Whorf Keeling, C.D. and T.P. Whorf. (2005). "Atmospheric CO2 records from sites in the SIO air sampling network". In: Trends: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., U.S.A. e Barford.Barford, C. C., ea. (2001). "Factors controlling long and short term sequestration of atmospheric CO2 in a mid-latitude forest". In: Science 294: 1688-1691