ECOSISTEMAS Y AGROECOSISTEMAS: estructura, funciones y propiedades.

1. ECOSISTEMAS Y AGROECOSISTEMAS: estructura, funciones y propiedades. Agronomía: Carrera de Interés Público Incumbencias Profesionales Generales del Ingeniero Agrónomo (Resolución N°685/91, Ministerio de Cultura y Educación de la Nación

2. AGRONOMÍA Ingeniería, manejo y evaluación de agroecosistemas para la producción sustentable de poblaciones (domésticas o silvestres) vegetales (producción primaria) o animales (producción secundaria) con valor económico.

3. ¿Por qué el reemplazo de la vegetación nativa por cultivos es acompañado por invasión de poblaciones de malezas? ¿Qué es una población? ¿Qué es una invasión? ¿Qué características tiene una población con capacidad invasora? ¿Cuándo una población invasora es considerada maleza? ¿Por qué la mayoría de las malezas son especies exóticas?

4. ¿Por qué la presencia de malezas puede reducir la producción agrícola o ganadera? ¿Qué es competencia? ¿Por cuáles factores compiten las plantas? ¿Qué características de las plantas están asociadas con su habilidad competitiva? ¿Es posible predecir cuali y cuantitativamente el resultado de la competencia?

5. ¿Cuál es la intensidad de uso máxima sustentable por un rodeo vacuno sobre comunidades de pastizal natural ? ¿Qué es cosecha máxima sustentable? ¿Qué es una comunidad vegetal? ¿Qué es y cómo funciona un ecosistema de pastizal? ¿Qué es y cómo funciona una población de herbívoros? ¿Cómo interactúan la herbivoría y la competencia en un sistema de pastizal?

6. ¿Qué factores limitan la productividad (eficiencias de uso), estabilidad y sustentabilidad de los agroecosistemas?¿Podemos controlarlos? ¿Cómo? ¿Cómo se conectan entre sí los diferentes componentes de un ecosistema? ¿Qué son factores limitantes? ¿Qué es eficiencia de uso de un recurso? ¿Qué son y cómo se miden la productividad y la estabilidad? ¿Qué es y cómo se evalúa la sustentabilidad?

7. ¿Es conveniente y posible ordenar (en tiempo y espacio) el uso de recursos del agroecosistema? ¿Por qué? ¿Cómo? ¿Cómo se interrelacionan espacialmente diferentes subsistemas o sistemas? ¿Cuáles pueden ser los efectos de cambios en la configuración espacial sobre su funcionamiento? ¿Cuáles son los alcances (espaciales y temporales) de esos efectos ? ¿Cuáles pueden ser las consecuencias sobre los servicios naturales de los ecosistemas?

8. SISTEMAS ECOSISTEMAS AGROECOSISTEMAS

9. AGROECOSISTEMAS Ecosistemas gestionados (organización, manipulación, evaluación, subsidios) para la producción agropecuaria. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS • Simplicidad y uniformidad • Apertura y dependencia externa crecientes • Alta productividad por unidad de biomasa. • Baja biomasa • Baja estabilidad intrínseca

10. La transformación de Ecosistemas en Agro-ecosistemas implica: Simplificación biológica (reducción extrema de biodiversidad y complejidad trófica) Homogeinización biológica y física (uniformidad espacial y temporal de la estructura y el funcionamiento) Domesticación (modificación genética de estrategias adaptativas) Apertura y aceleración(ciclos bio-geo-químicos más lineales y cortos)

11. Ambiente socio-cultural Ambiente bio-físico Ambiente económico Decisiones de manejo SUBSIDIOS Comunidad de productores Comunidad de consumidores Comunidad de descomponedores Sustancias orgánicas Atmósfera Sustancias inorgánicas COSTOS PROD. RENTABILIDAD

12. El Agroecosistema y las teorías de auto-organización 1. Modelo de equilibrio basado en:. Teoría de la Sucesión Ecológica Clements (1916) Teoría de la Máxima Potencia Energética Odum (1989)

13. ¿Cómo se organizan los ecosistemas ? Los ecosistemas se auto-organizan a partir de la entrada y los flujos de energía, materiales e información a través de redes tróficas, y de la disipación permanente de entropía.

14. Auto-organización es el proceso por el cual los componentes se relacionan y funcionan en forma inter-dependientes, tal que el (los) producto(s) de la organización es (son) propiedad emergente (no reducible) de la misma. Principio holístico: EL TODO ES MÁS QUE LA SUMA DE LAS PARTES

15. Productos de la organización son las siguientes funciones de los ecosistemas: • Captación y transformación de energía radiante en energía química (reducción de C por autótrofos) • Transferencia de materia y energía en redes tróficas (oxidación de C por heterótrofos y saprótrofos) • Conservación y reciclado de minerales. • Control climático y dinámica hidrológica • Generación y conservación de diversidad biológica

16. TEORÍAS DE AUTO-ORGANIZACIÓN (Y REORGANIZACIÓN) DE LOS ECOSISTEMAS • En tanto que captan y transforman energìa, son sistemas termodinámicamente disipativos (entrópicos). • La organización y mantenimiento de su estructura demanda un “bombeo” contínuo de calor hacia el medio (neg-entropía).

17. Principio de potencia máxima (H.T.Odum et al., 1998) Los ecosistemas tienden a organizarse a favor de máximas eficiencias de captación, transformación y uso de la energía. Predicción: los procesos organizadores promueven una convergencia hacia un tipo de estructura funcional donde prevalecen mecanismos de sinergia (refuerzos positivos), interacciones mutualistas y relaciones de facilitación y complementariedad. Crolario: dicha organización maximiza no sólo la eficiencia energética de cada componente, sino su contribución a la de toda la organización.

18. Teoría de Sucesión Ecológica • El desarrollo de los ecosistemas es un proceso ordenado y predecible de cambios en el tiempo de la estructura biótica (composición de las comunidades de productores, consumidores y descomponedores); 2. Esos cambios son consecuencia de: a) las interacciones entre poblaciones que integran esas comunidades, y b) de los cambios en el medio abiótico que las mismas comunidades van generando (control interno o ascendente).

19. 3. El clima y el sustrato edáfico condicionan los ritmos de cambios (control externo o descendente), impone límites al desarrollo y determina las características diferenciales de los biomas. 4. El desarrollo culmina en un ecosistema estable (CLIMAX) capaz de mantener la máxima biomasa e información por unidad de flujo energético (Principio de potencia máxima)

20. Sucesión según el modelo determinístico (climax) de Clements Fuente: wikipedia.org 2013

21. X II I II II Factores antrópicos (incendios, pastoreo, cultivo, etc.) Retrogresiones Factores naturales (fuego, sequías, inundaciones, tifones, invasiones, etc.) Cambios en el sentido de la sucesión ecológica debido a factores naturales y factores antrópicos

22. Principales cuestionamientos a las predicciones del modelo sucesional: 1. La secuencia “ordenada” de especies en el curso del desarrollo hacia el estado climax puede verse alterada por eventos aleatorios. (ej. la invasión de diferentes especies). 2. En cualquier estadio sucesional pueden convivir especies con diferentes historias de vida (estrategias adaptativas). 3. Los disturbios de diferentes naturaleza e intensidad son también componentes de la historia evolutiva del ecosistema y sus consecuencias pueden generar diferentes trayectorias en su desarrollo 4. Disturbios de gran magnitud y de naturaleza extraordinaria pueden cambiar el curso de la sucesión en forma irreversible.

23. Fase de explotación (r)  Fase de conservación (K) B PB R PN tiempo EL AGROECOSISTEMA EN EL MODELO SUCESIONAL

24. … y en el Modelo cíclico de Holling (1986)

26. Fase de explotación (r)  Fase de conservación (K) • Biomasa Baja Alta Alta Baja • P / B Baja Alta • Diversidad • Tamaño de organismos Pequeños Grandes • Historias de vida Breves y simples Longevas y complejas • Ciclos de materiales Simples y mas abiertos Complejos y mas cerrados Alta Baja • Entropía • Productividad Alta Baja • Estabilidad Baja Alta Desarrollo sucesional del ecosistema

27. Estados, procesos y propiedades Ecosistema Agroecosistema Biomasa Alta Baja Productividad Baja Alta Estabilidad (resistencia y/o resiliencia frente a perturbaciones) Alta Baja Diversidad biológica Alta Baja Reciclado, almacenamiento y reutilización de materiales Alto Bajo Importación / exportación de materiales Bajo Alto Flujos de energía Complejos Simples Subsidios energéticos No Si Externalidades negativas No Si ECOSISTEMAS vs AGROECOSISTEMAS

28. PRODUCTIVIDAD: medida de la eficiencia de captación y transformación de energía radiante en biomasa ESTABILIDAD: capacidad homeostática para mantener el curso y ritmo de los procesos básicos (funcionamiento) frente a perturbaciones que afecten a componentes o sus interrelaciones. Amplitud del rango de fluctuaciones normales SUSTENTABILIDAD: capacidad para reorganizar los procesos básicos (conservación de la estructura funcional) y revertir efectos de perturbaciones de magnitud, intensidad y naturaleza atípicas, que pueden eliminar componentes esenciales. Conservación de la capacidad adaptativa.

29. COMPONENTES DE LA ESTABILIDAD RESISTENCIA: oposición al cambio de estado en algún componente o proceso del ecosistema. Se mide como la recíproca del cambio de estado. RESILIENCIA: reacción (compensatoria) a un cambio de estado. Se mide como la recíproca del tiempo transcurrido hasta recuperar el estado inicial.

30. Rango de fluctuaciones normales Estado o proceso Menor estabilidad Tiempo Estado o proceso Mayor estabilidad Tiempo

31. Estado o proceso Alta resistencia y baja resiliencia Baja resistencia y alta resiliencia Tiempo

32. DIVERSIDAD – PRODUCTIVIDAD - ESTABILIDAD

33. Clima, precios, plagas, malezas, enfermedades Clima, precios, plagas, malezas, enfermedades Clima, precios, plagas, malezas, enfermedades Alto riesgo Gestión simple Alto riesgo Gestión simple Bajo riesgo Gestión compleja Sistema diversificado Diversidad genética Diversidad específica Sistema monocultivo Homogeneidad genética Sistema monocultivo Diversidad genética Sensibilidad al riesgo y complejidad de manejo en sistemas con distinto grado de diversificación

34. Riesgo de transmisión de una plaga o enfermedad Sistema diversificado Diversidad genética Diversidad específica Sistema monocultivo Homogeneidad genética Sistema monocultivo Diversidad genética Bloqueo diferencial a la transmisión de plagas y enfermedades en sistemas con distinto nivel de diversificación

35. 65 1 55 1/2 % de cobertura vegetal Resistencia a la sequía 45 1/4 1/8 35 25 1/16 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Riqueza de especies Riqueza de especies pre-sequía Fuente: Tilman et al. (1996). Fuente: Tilman and Downing (1994). Relaciones entre biodiversidad, productividad y estabilidad en ecosistemas de pradera

36. 18 90 14 85 Rendimiento energético (miles de Mcal ha-1 año-1) Estabilidad del rendimiento energético (%) 10 80 6 75 pasto grano leche carne pasto grano leche carne 2 70 65 Producción primaria Producción primaria Producción secundaria Producción secundaria Fuente: Viglizzo (1986). Patrones de productividad y estabilidad de algunas actividades predominantes en agro-ecosistemas de la pradera pampeana argentina

37. UMBRAL o NIVEL CRÍTICO Los conceptos de resistencia y resiliencia, como componentes de la capacidad de persistencia de un estado o proceso (estabilidad), presupone la existencia de UMBRALES (o niveles críticos) de DISTURBIOS Y TRANSICIONES ¿? ¿Cuál es el nivel (escalas, intensidad) de disturbio que puede soportar un ecosistema sin ver afectado su funcionamiento? ¿Cuál es nivel de disturbio necesario para cambiar en forma irreversible la organización del ecosistema (histéresis) ? ¿Se relacionan (¿cómo ?) esos umbrales con la diversidad y productividad de los ecosistemas?

38. Ej:Nivel crítico (umbral) de intensidad de pastoreo para la transición de pastizal a arbustal. Arbusto Pasto

39. Umbrales críticos de la tala de bosques para la conservación de funciones y servicios de los ecosistemas

40. Monocultivo de soja Tasa actual de desmonte: 300.000 ha / año

41. Tala y quema del bioma de bosque tropical húmedo

42. Fuente: Adámoli (2004). Reemplazo del bosque sub-húmedo-seco por agricultura en dos áreas de la región chaqueña argentina

43. AGROECOSISTEMA GLOBAL Limitantes a la producción de alimentos y la conservación de servicios ecosistémicos

45. Bolivia Paraguay Chile Brazil 6 1 4 1000 2 Uruguay 900 Isohyets (mm year-1 ) 5 800 3 Atlantic Ocean 700 600 500 • Pampa Ondulada, (2) Pampa Central, (3) Pampa Austral, (4) Pampa Mesopotámica, (5) Pampa Inundable, (6) Buenos Aires y suburbios urbanizados Ubicación de diiferentes áreas agrecológicas homogéneas de la Región Pampeana (Fuente: Viglizzo 2005)

46. 75 100 60 80 45 60 % de cultivos anuales % de campo natural 30 40 15 20 0 0 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 25 Pampa Ondulada Pampa Central 20 Pampa Austral 15 % de praderas cultivadas Pampa deprimida 10 Pampa Mesopotámica Promedio Región Pampeana 5 0 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Cambios históricos en el uso de la tierra (campo natural, cultivos anuales y praderas cultivadas) en cinco regiones dominantes de la pradera pampeana (Fuente: Viglizzo 2005)

47. TA TPA U BOSQUES Y HUMEDALES Producción de cereales, oleaginosas, tubérculos, legumbres, frutos y hortalizas TA POBLACIÓN >7MM AV G RA RA RP Pos PP Pre

48. Tierras cultivadas actuales (1340 Mhas) Requerimientos nutricionales y poder adquisitivo Tasa media per cápita (1,02) TA H >7MM r AV R G PR RA e Precios relativos del mercado global Rendimiento unitario actual (3 tm/ha) Eficiencia de conversión

49. U TA 1340Mha TPA 3000 Mha D Bosques y humedales 2000 Mha S C R D TA Principales proveedores de servicios Construcción 8Mha/año Desertificación 2Mha/año Desmonte 1% anual Riego Salinización 2Mha/año

50. Pérdidas en transporte y almacenamiento: 10 a 50% Fertilizantes, riego, agroquímicos, labores Radiación,agua y minerales Malezas, plagas y enfermedades: 20 a 30% Genotipo RA M,P,E Pre G TyA S RA RA RP PP Post