Produção primária - Tópicos - ecowin.org · Desertos, tundra. 0. Produtividade e biomassa...

Produção primária Produção primária -- TópicosTópicos

Tipos de produtores e taxas de produçãoTipos de produtores e taxas de produçãoMedição da produção primáriaMedição da produção primáriaMecanismos Mecanismos –– Curvas PI e bloomsCurvas PI e bloomsDistribuições e tendênciasDistribuições e tendênciasVariabilidade e erros de determinaçãoVariabilidade e erros de determinaçãoAquecimento globalAquecimento global

CO2 + 2H2A CH2O + 2A + H2OLight

Pigments

Tipos de produtoresTipos de produtores

ProdutorProdutor NutrientesNutrientes ExemplosExemplos

FitoplânctonFitoplâncton Coluna de águaColuna de água DiatomáceasDiatomáceasMicrofitobentosMicrofitobentos Coluna de águaColuna de água DiatomáceasDiatomáceasMacroalgas (algas macrófitas)Macroalgas (algas macrófitas) Coluna de águaColuna de água FucusFucusVegetação de sapalVegetação de sapal SedimentoSedimento SpartinaSpartinaAngiospérmicas (“seagrasses”)Angiospérmicas (“seagrasses”) Sedimento e/ou águaSedimento e/ou água ZosteraZostera

Oceano aberto, águas costeiras e estuáriosOceano aberto, águas costeiras e estuáriosUnicelularesUnicelularesRazão P/B elevada (>50)Razão P/B elevada (>50)

Zonas pouco profundas (ZZonas pouco profundas (Zff > Z) ou intertidais > Z) ou intertidais MulticelularesMulticelularesRazão P/B baixaRazão P/B baixa

RelevânciaRelevância àà escalaescala dodo ecossistemaecossistema IIII

Clorofila a (mg m-3)

Distribuição global de clorofila Distribuição global de clorofila aa estimada a estimada a partir de dados de satélitepartir de dados de satélite

Dados do SEAWIFS, Verão no Hemisfério Norte (1998Dados do SEAWIFS, Verão no Hemisfério Norte (1998--2001)2001)

Prod. primária (fitoplâncton) 200-360 X 1014 gC ano-1 (98.9%)

DiatomsDiatoms

Dinoflagellates

Coccoliths

PhytoplanktonPhytoplanktonsome examplessome examples

Phytoplankton Phytoplankton -- diatomsdiatomsNitschia bicapitataNitschia bicapitata

55µµmm

Chavez Chavez et alet al., 1991 ., 1991 -- LimnolLimnol. &. & OceanogOceanog. 36, p. 1816. 36, p. 1816--3333

SeaWifsSeaWifs imageimagess ofofcocollithcocollith bloomsblooms

Cornwall, U.K.Cornwall, U.K.

TasmaniaTasmania

Relevância para a gestão IRelevância para a gestão I“Bloom” de “Bloom” de Noctiluca Noctiluca –– California, E.U.A.California, E.U.A.

Foto cortesia de P.J.S. Franks, WHOI

Cyanobacteria bloom Cyanobacteria bloom –– Potomac estuaryPotomac estuary

This dense bloom of cyanobacteria (blue-green algae) occurred in the Potomac River estuary downstream of Washington, D.C. Photo courtesy of W. Bennett USGS.

Em Florida Bay, este “bloom” de macroalgas colmatou as fanerogâmicas marinhas, provocando o desaparecimento desta vegetação. Foto cortesia de Brian Lapointe, Harbor Branch Oceanographic Institute.

Relevância paraRelevância para aa gestãogestão IIIIII“Bloom” de“Bloom” de macroalgas namacroalgas na FloridaFlorida

Relevância paraRelevância para aa gestãogestão II II Advecção de HAB (?) para a costa a partir de uma frente “offshore”

PML Remote Sensing GroupCortesia Plymouth Marine Laboratory, UK

http://pml.ac.uk/Multi-sensor discrimination of harmful algal blooms, P. I. Miller, J. D. Shutler, G. F. Moore and S. B. Groom, Remote Sensing and Photogrammetry Society annual conference RSPSoc 2004, 7-10 September 2004, Dundee U.K.

Kelp in Sanggou Bay, ChinaKelp in Sanggou Bay, China

ProdutividadeProdutividade dede diferentes ecossistemasdiferentes ecossistemas (kg C m(kg C m--22 anoano--11))2 3 41

Produtores marinhosProdutores marinhosCoraisCorais

LaminariasLaminariasPlantasPlantas dede sapalsapal

PosidoniaPosidoniaMangalMangal

Microalgas bentónicasMicroalgas bentónicasFitoplâncton costeiroFitoplâncton costeiro

Fitoplâncton oceânicoFitoplâncton oceânicoProdutoresProdutores dede água água docedoce

MacrófitasMacrófitasFitoplânctonFitoplâncton ((eutróficoeutrófico))

FitoplânctonFitoplâncton ((oligotróficooligotrófico))Produtores terrestresProdutores terrestres

FlorestaFloresta tropicaltropicalFloresta temperadaFloresta temperada

PastagensPastagensPradariasPradarias

DesertosDesertos, tundra

0

, tundra

Produtividade e biomassa média, taxa derenovação e clorofila em diferentes ecossistemas

Produtividade Taxa deÁrea líquida Biomassa renovação Clorofila

(106km2) (gm-2 ano-1) (kg m-2) (P/B, ano-1) (g m-2)

Oceano aberto 332 125 0.003 42 0.03Afloramento 0.4 500 0.02 25 0.3Plataforma 27 300 0.001 300 0.2Macrófitas/recifes 0.6 2500 2 1.3 2Estuários 1.4 1500 1 1.5 1

• Total marinho 361 155 0.01 0.05

Ecossistemas 145 737 12 0.061 1.54terrestresPântanos 2 3000 15 0.2 3Lagos e rios 2 400 0.02 20 0.2

• Total continental 149 782 12.2 0.064 1.5

Whittaker & Likens, 1975. The Biosphere and Man. Primary productivity of the biosphere. Springer-Verlag.

Medição da produção primáriaMedição da produção primária

Produtor Medida Método Unidades

Fitoplâncton Biomassa Clorofila a (amostra filtrada) µg L-1

e microfitobentos Produção 14C, O2 (incubação) d-1

Macroalgas Biomassa Cropping gDW m-2

“Seagrasses” Produção O2 (incubação), cropping gC m-2 d-1

Sapal Biomassa Cropping gDW m-2

Produção O2 (incubação), cropping gC m-2 d-1

Upscaling: SIG, modelaçãoUpscaling: SIG, modelação

SaltmarshSaltmarsh definition definition –– NDVI and bathymetryNDVI and bathymetry

NDVI = (Near_Infrared - Red) / (Near_Infrared + Red) Near_Infrared e Red são duas bandas da imagem de satélite. O NDVI situa-se entre -1 e 1. Os pigmentos absorvem grandes quantidades de energia no vermelho (R), e poucas no infravermelho próximo (NIR), ao contrário dos objectos inertes que absorvem todos os espectros da mesma forma.

Relação entreRelação entre aa taxataxa dede fotosíntesefotosíntese (P) e a(P) e aintensidade luminosaintensidade luminosa (I)(I)

R

PPB

PPL

dPdI

Initi

al slo

pe(q

uant

um yi

eld)

Pmax

0

IkIc Iopt

Phytoplankton blooms and vertical mixingPhytoplankton blooms and vertical mixingProduction and respiration

Phytoplanktonproduction (m-3 day-1)

Limit of mixed layer

Dep

th (z

)

Compensation depth

Phytoplankton respiration (m-3 day-1)

0a

c

e

d f

b

NPP=0Integrated

production(GPP)abcd

Integratedrespiration

aefd

Conditions forblooming

abcd > aefd

Sverdrup, H.U., 1953. On conditions for the vernal blooming of phytoplankton. J. Cons. Perm. Int. Exp. Mer, 18: 287-295

Phytoplankton blooms Phytoplankton blooms in estuariesin estuaries

Phytoplankton growth: P0 = initial population, Pt = population at time t Pt = P0 ekt

Freshwater inflow Q (m3s-1)

Tidal exchange with the ocean

Phytoplankton flushing: P0 = initial population, Pm = population after m tidal cycles, r = exchange ratio (proportion of estuary water which does not return each tidal cycle)

Pm = P0 (1-r)m

Ketchum (1954) Relation between circulation and planktonic populations in estuaries. Ecology 35: 191-200


Flushing

For phytoplankton to exist and potentially bloom in an estuary, growth must balance flushing, i.e. k > -ln(1-r)

Combining the two equations (and expressing t in terms of m): Pt = P0 ekt

GrowthPm = P0 (1-r)m

Pm = P0 emk(1-r)m

k = -ln(1-r)For a steady-state population , Pm = P0 :

( )mk

m er

=−11


Exchange ratio (r)0

Mul

tiplic

atio

n of

pop

ulat

ion

each

tida

l cyc

le

Req

uire

d co

effic

ient

of r

epro

duct

ion

0.5 1.0

2

5

10

20

1.0

2.0

3.0

Moriches Bay

Raritan BayRaritan River

Alberni Inlet

Barnstable Harbour

Population will increase

Population will decrease

Redrawn from Ketchum (1954)

CZCS derived seaCZCS derived sea--surface pigmentssurface pigmentsMediterranean SeaMediterranean Sea

5oW 0o 5oE 10oE 15oE 20oE 25oE 30oE 35oE

45oN

40oN

35oN

30oN5oW 0o 5oE 10oE 15oE 20oE 25oE 30oE 35oE

45oN

40oN

35oN

30oN

0.01 0.03 0.05 0.10 0.20 0.30 0.50 1.00 3.00

http://www.obs-vlfr.fr/

Chlorophyll a in the Tagus estuaryChlorophyll a in the Tagus estuarySurface values on a longitudinal sectionSurface values on a longitudinal section

40

50

60

70

Chl

orop

hyll

a(µ

g L-

1 )

Hyp

ereu

trop

hic

High

Med

ium

Low

90

80

30

20

10

00 50 100 150 200 250 300 350 400

Julian dayData from BarcaWin2000 - Stations #1.0, #2.0, #3.9, #4.0, #5.0 and #8.0 – 385 values

Seawater zone (1980-1999)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1/01/80 27/09/82 23/06/85 19/03/88 14/12/90 9/09/93 5/06/96 2/03/99

Seawater zone (1980-1999)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1/01/80 27/09/82 23/06/85 19/03/88 14/12/90 9/09/93 5/06/96 2/03/99

Mixing zone (1980-1999)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1/01/80 27/09/82 23/06/85 19/03/88 14/12/90 9/09/93 5/06/96 2/03/99

Mixing zone (1980-1999)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1/01/80 27/09/82 23/06/85 19/03/88 14/12/90 9/09/93 5/06/96 2/03/99

Tidal freshwater zone (1980-1998)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1/01/80 27/09/82 23/06/85 19/03/88 14/12/90 9/09/93 5/06/96 2/03/99

Tidal freshwater zone (1980-1998)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1/01/80 27/09/82 23/06/85 19/03/88 14/12/90 9/09/93 5/06/96 2/03/99

Hypereutrophic

High

MediumLow

Hypereutrophic

High

MediumLow

Hypereutrophic

High

MediumLow

Chlorophyll Chlorophyll aatrends in thetrends in theTagusTagus estuaryestuary

OAERRE data + TICOR dataOAERRE data + TICOR dataChlorophyll Chlorophyll aa and nutrientsand nutrients

Maximum spring phytoplankton (chl a µg L-1)

0

5

10

15

20

25

30

GF

KFFC

Ria Formosa

HF

GM Tejo

SadoMondego

Mira*1

Guadiana

Ria de Aveiro*2

50 60 70 80

Tett, P., Gilpin, L., Svendsen, H., Erlandsson, C.P., Larsson, U., Kratzer, S., Fouilland, E., Janzen, C., Lee, J., Grenz, C., Newton, A., Ferreira, J.G., Fernandes, T., Scory, S., 2002. Eutrophication and some European waters of restricted exchange. Submitted to Coastal and Nearshore Oceanography, NEEA, and unpublished work from TICOR.

Maximum winter DIN (µM)

0 10 20 30 40 90 100 110 120

*1 – Chlorophyll determined from graphical data*2 – Nitrate, not DIN

GIS GIS -- Chlorophyll Chlorophyll aaComposite annual meanComposite annual mean

µg l-1 chl a

0 10 20 km

GIS GIS -- Mean Mean chlorophyll chlorophyll aa

Winter, summer and Winter, summer and globalglobal

<22-33-55-77-88-1010-1212-1515-20>20

µg l-1 chl a

0 10 20 km

0 10 20 km

0 10 20 km

Annual mean

Summer mean

Winter mean

Data from 1980-1983, Tagus

estuary, Portugal

GIS GIS -- Comparison between Comparison between January and April January and April

chlorophyll chlorophyll aa

January

<22-33-55-77-88-1010-1212-1515-20>20

µg l-1 chl a

0 10 20 km

April

0 10 20 km

Data from 1980-1983, Tagus estuary, Portugal

GIS GIS -- Chlorophyll aChlorophyll aSurface minus bottomSurface minus bottom

0 10 20 km

µg l-1 chl a

-1.35- 0

0-0.5

0.5-1

1-2

2-3.5

Variação interanualVariação interanual dede clorofilaclorofila aa nonoestuárioestuário do do TejoTejo, , durante durante 4 4 anosanos

0

10

20

30

40

50

60

70

80C

loro

fila

a(u

gl-1

)

0 365 730 1095 1460

Dias

Dados para a estação #2.0, amostras de superfície colhidas ao longo de 4 anos

Baía de Baía de S. Francisco S. Francisco –– E.UE.U.A. .A.

SouthBay

Baía de Suisun

Baía de S. Pablo

OceanoPacífico

Baía de Baía de S. Francisco (South Bay) S. Francisco (South Bay) -- ClorofilaClorofila aa

012345678

012345678

0

5

10

15

20

25

30

05

1015202530354045

1977 1978 1979

1980

0

10

20

30

40

50

601982

02468

1012141618

1984

05

10152025303540

1985

02468

101214

1987

0

10

20

30

40

50

601989

05

10152025303540

0 100 200 300 400

1996

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400

1998

Ano

s 70

Déc

ada

de o

itent

aA

nos

90

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400

1999

#30 -R

edwood C

reek, 37o33.3’N

, 122o11.4’W

, z= 12.8m

Max: 6.9

Max: 6.9 Max: 27.7

Max: 38.1 Max: 50.6 Max: 16.2

Max: 36.6

Max: 34.2

Max: 12.3

Max: 21.3?

Max: 53.2

Max: 113.3

0

20

40

60

80

100

120

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

Anos setenta

Anos oitenta

Anos noventa

Tendência crescente

Baía de Baía de S. Francisco (South Bay)S. Francisco (South Bay)MMáximo deáximo de cclorofilalorofila a a ((µµg g chlchl aa ll--11))

Estação 30 - Redwood Creek, 37o33.3’N, 122o11.4’W, z= 12.8m

0

20

40

60

80

100

120

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

Anos setenta

Anos oitenta

Anos noventa

Tendência decrescente

Baía de Baía de S. Francisco (South Bay)S. Francisco (South Bay)MMáximo deáximo de cclorofilalorofila a a ((µµg g chlchl aa ll--11))


Baía de Baía de S. Francisco (South Bay)S. Francisco (South Bay)Máximo de clorofila Máximo de clorofila aa em função do número de amostrasem função do número de amostras

PrevistoObservado

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50Nº de amostras por ano

Clo

rofil

aa

(µg

l-1)

y=-1.3+1.24xr=0.6 (P>0.99)


Primary production budgetPrimary production budgetTagus estuary (t C yTagus estuary (t C y--11))

Pelagic producers Benthic producers

Phytoplankton*1 41160 (62%) Microphytobenthos*2 4265 (6%)

Seaweeds 13770 (21%)

Saltmarsh vegetation*4 7700 (11%)

Sub-total pelagic 41160 (62%) Sub-total benthic 25735 (38%)

Total GPP 66895 t C y-1

N removal ~10500 t N y-1

Pop. equivalent 2.3 X 106 inhabitantsPhytoplankton (62%)

Seaweeds (21%)

Saltmarsh (11%)

Microphytobenthos (6%)

*1 – EcoWin2000 ecological model, Ferreira (2000)*2 – Modelling and field measurements, Serôdio & Catarino (2000)*3 – Modelling and field measurements, Alvera-Azcárate et al, (2002)*4 – Modelling and field measurements, Simas et al. (2001)

Alvera-Azcárate, A., Ferreira, J.G. & Nunes, J.P., 2002. Modelling eutrophication in mesotidal and macrotidal estuaries - The role of intertidal seaweeds. Est. Coast. Shelf Sci. In Press

Global warmingGlobal warming

High nutrient - Low chlorophyll paradox

0.050.100.200.400.600.801.001.201.401.601.802.005.00

Pigments(mg m-3)

Global climatology of annual mean wind stress

Wind stress(nt m-2)

0.0

0.1

0.2

0.3

Global seven-year mean pigment fields

0.050.100.200.400.600.801.001.201.401.601.802.005.00

Pigments(mg m-3)

Phytoplankton from 40m Fe enrichment incubationsPhytoplankton from 40m Fe enrichment incubationsNitschiaNitschia sp.sp.

22µµmm

Chavez Chavez et alet al., 1991 ., 1991 -- Limnol. & Oceanog. 36, p. 1816Limnol. & Oceanog. 36, p. 1816--3333

EfeitoEfeito de Fede Fe em curvasem curvas PP--II para para Phaeodactylum tricornutumPhaeodactylum tricornutum

-Fe

+Fe

-Fe

+Fe

I (µE m-2 s-1)

P m(µ

mol

O2

cell-

1 m

in-1

X 1

0-10

)P m

B(m

ol O

2m

ol C

hl-1

min

-1)

0 1000 2000 3000 40000

3

6

9

0

10

20

30

40

Chlorophyll-specific P vs. I

Cell-specific P vs. I

Greene et al., 1991. Limnol. & Oceanog. 36, 8, 1772-1782

IronExIronEx I I -- LargeLarge--scale patch experiment in 1993scale patch experiment in 1993

Mixing Fe and SF6 (artificial tracer) in the equatorial Pacific Ocean.IronEx I was followed by IronEx II in 1995, which showed conclusively thatphytoplankton production may be limited by Fe.

Dissolved Fe profiles Dissolved Fe profiles -- Antarctic Polar FrontAntarctic Polar Front

NorthSouth

NorthSouth

Dissolved Fe profiles North (red) and South (blue) of the Polar Front during JGOFS experiment in the late 1990’s

Phytoplankton growth rates versusPhytoplankton growth rates versusinitial Fe concentrationinitial Fe concentration

Phytoplankton incubation experiments North and South of Polar Front during Survey I (blue) and Survey II (red)

Phytoplankton growth rates versusPhytoplankton growth rates versusinitial Fe concentrationinitial Fe concentration

Comparison between North and South results

“The pseudo-Michaelis Menten response to added iron in deckboard enrichment experiments differs north of the APFZ relative to south of the APFZ, indicating:

•All dissolved iron concentrations are below half saturation constants, indicating limiting conditions persist throughout the entire Southern Ocean. •Waters to the North may be limited by something in addition to iron (silicate). •Similar saturation values are consistent with other observations from other oceans.”

http://color.mlml.calstate.edu/www/news/workshp2.htm

High nutrient - Low chlorophyll paradox

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