3er Máster “Cambio global”

(Palma de Mallorca, octubre de 2010)

Módulo 2.02: “Consecuencias hidrológicas y biogeoquímicas del Cambio Global en los ecosistemas continentales”Tema 18: “Ciclo global contemporáneo del carbonoy cambios bajo un escenario de cambio climático”

Juan Carlos Rodríguez Murillo, científico titular, IRN-CCMA, CSIC

El ciclo global del carbonoThe global carbon cycle

1) Introducción /Introduction

2) Descripción general del ciclo del carbono / General description of carbon cycle

3) Depósitos del ciclo (rápido) del carbono / Reservoirs of the (fast) carbon cycle

4) Impactos del cambio global en el ciclo del carbono / Global change impacts on carbon cycle

5) Métodos de estimación de depósitos y flujos de carbono /Methods of estimation of reservoir and carbon fluxes

El carbono en la Tierra / Carbon on Earth

• Es el elemento clave de los seres vivos. / Carbon is the key element for living beings

• El ciclo del carbono incluye al carbono orgánico en todas sus formas (la totalidad de los seres vivos y de las moléculas orgánicas), así como al C inorgánico, fundamentalmente en forma de CO, CO2 y (bi) carbonatos. / Carbon cycle includes organic carbon in all forms (all the living beings and organic molecules), as well as inorganic carbon,

mostly as CO, CO2 and (bi) carbonates

• Los flujos de carbono en el ciclo están asociados a procesos bioquímicos (fotosíntesis y respiración), físicoquímicos (disolución de CO2 en el agua), químicos (meteorización de silicatos, disolución y precipitación de carbonatos) y físicos (erosión, transporte y deposición). / Carbon fluxes are associated to biochemical (photosynthesis and respiration), physicochemical (CO2 dissolution in water), chemical (silicate weathering, carbonate dissolution and precipitation) and physical (erosion, transport, and deposition)

1) Introducción

El carbono en la Tierra/ Carbon on Earth

• El compuesto fundamental del ciclo del carbono es el dióxido de carbono (CO2)./ CO2 is the basic compound in the carbon cycle

• Este gas es prácticamente inerte en la atmósfera, pero soluble en el agua, y materia prima de la fotosíntesis y producto de la respiración./ CO2 is practically inert in the atmosphere, but is water soluble, and is the photosynthesis raw material, as well as a main product of respiration

• Por ello, el CO2 es el componente fundamental de los flujos de C entre la atmósfera y la biosfera y la atmósfera y los océanos. /Therefore, CO2 is the main compound in biosphere-atmosphere and ocean-atmosphere C fluxes

• Además, por su participación en la meteorización de los silicatos y en la disolución y precipitación de carbonatos, contribuye al reciclado de volátiles a través de la litosfera y forma las rocas sedimentarias carbonatadas. Aditionally, CO2 contributes to volatile recycling through lithosphere, and produces sedimentary limestones by its role in silicate weathering and carbonate dissolution and precipitation, respectively.

2) Descripción general del ciclo del carbono /General description of carbon cycle

El CO2 atmosférico es estable químicamente. Su vida media atmosférica es de750 Gt/(120 + 92 Gt año-1) ó 3,5 años, antes de entrar en los ecosistemas terrestres o en los océanos. / Atmospheric CO2 is chemically stable, with an averageatmospheric lifetime of 3.5 years, before entering terrestrial ecosystems or oceans.

Flujos atmósfera-tierra: - Fotosíntesis (CO2 + H 2O O CH2O + O2)

- Respiración (oxidación)

Flujos atmósfera-océano: - Disolución de CO2 (CO2 + H 2O HCOO HCO33-- + H + H++

HCOHCO33- - CO CO33

-2-2 + H + H++

- - Desgasificación de Desgasificación de CO2

Ciclos del carbono “rápido” y “lento”/ “Slow” and“fast “ carbon cycles

• En estado estacionario, el tiempo de residencia del C en cada depósito será = (Tamaño del depósito/flujo de salida). /Admitting steady-state, C

turnover in each reservoir is = (Reservoir size / Output flux)

• Los depósitos geológicos de C (carbonatos de los sedimentos y C orgánico en forma de querógeno o combustibles fósiles) tienen tiempos de residencia de cientos de millones de años. / C turnover in geological reservoirs (sedimentary limestone and organic C as kerogen) takes hundreds of million years

• Los depósitos de C atmosférico, biosférico y oceánico superficial intercambian C en años o decenas de años. / Atmospheric, biospheric and shallow sea reservoirs have turnover times of years or tens of years

• El C tiene unos 500 años de tiempo de residencia en el depósito oceánico total. / Turnover of C in the whole ocean takes about 500 years

• Podemos, pues, distinguir un ciclo lento geológico, de flujos lentos que determinan la concentración atmosférica del CO2 a escalas de millones de años, y un ciclo rápido biogeoquímico, que influye en dicha concentración a escala de decenios-centenas de años. /We may differentiate a geological slow cycle, made of slow fluxes which determine the atmospheric CO2 concentration in the million-year range, and a biogeochemical fast cycle, which establishes CO2 concentration in the short term (decade – centennial)

Otros procesos del ciclo del carbono / Other processesin the carbon cycle

- Procesos del ciclo geológico del carbono / Processes in carbon geological cycle

1) Meteorización de silicatos: CaSiO3 + 2CO2 + H2O Ca 2+ + 2HCO3 +SiO2

2) Precipitación/disolución de carbonatos: Ca2+ + 2HCO3 CaCO3 + CO2 + H2O

3) Metamorfismo: CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2

- Procesos del subciclo del metano /Methane subcycle processes

Figure 1. Cartoon of fluxes (arrows) and inventories (number in boxes) of the labile components of the global carbon system for the 1980's. The red arrows are the perturbation fluxes resulting from emissions of anthropogenic CO2.

From Sabine et al. (2003).

El subciclo del metano / The methane subcycle

• Dentro del ciclo del carbono, “movido” mayoritariamente por el CO2 , podemos distinguir un subciclo, cuyo componente dinámico es el metano (CH4). / As a part of C cycle, one can analyze a methane (CH4) subcycle

• El metano es la “parte anaerobia” del ciclo del carbono, ya que su producción requiere la ausencia de oxígeno./ Methane represents the “anaerobic side” of carbon cycle, because its production needs oxygen absence

• La generación de metano se produce en el metabolismo de diferentes procariotas (bacterias metanogénicas) por descomposición del acetato (dando CO2 como subproducto) o por reducción del CO2 con H2 (reducción disimilatoria de CO2 )./ Methane generation occurs in methanogenic bacteria metabolism, by acetate decomposition (giving CO2 as byproduct) or by H2 mediated CO2 reduction (dissimilatory CO2 reduction)

• El consumo de metano se produce también por oxidación con O2 en bacterias (metanotróficas), por oxidación con sulfato (bacterias sulfato- reductoras), y por oxidación atmosférica con el radical hidroxilo./ Methane consumption occurs by O2 oxidation in bacteria (methanotrophic), by oxidation with sulfate (sulfate-reducing bacteria), and by atmospheric oxidation with hydroxyl radical.

Generación / descomposición de metano

Atmosphere

Fossil Deposits

6.363.0

91.7

60

90

3.2

Plants

Soil

Oceans

750

500

2000

38,400

About 4,100

1.6

UnitsGt C

Gt C y -1

0.7

3) DEPÓSITOS DEL CICLO (RÁPIDO) DEL CARBONO /Reservoirs of the (fast) carbon cycle

LA ATMÓSFERALA ATMÓSFERA

La atmósfera primitiva y la actual / Primeval and present atmosphere

• Las masas de agua, C, N y S en la superficie terrestre actual son casi las mismas de las de los compuestos volátiles que constituían la atmósfera de la Tierra primitiva./ Masses of water, C, N, and S on the present Earth surface are almost equal to those of the volatile compounds which made up the primitive Earth atmosphere

• La atmósfera primitiva procedente de la desgasificación de estos compuestos volátiles contenía agua (90%) y CO2 (7-8%), con algo de N2 , HCl y H2S./ Primeval atmosphere from volatilization of these volatile compounds contained water (90%) and CO2 (7-8%), with minor quantities of N2 , HCl y H2S

• Al enfriarse la Tierra, el agua se condensó, disolviendo a todos los volátiles menos el N2. La atmósfera quedó formada por nitrógeno y CO2./ As Earth cooled, water condensed, dissolving volatiles except N2 . Only CO2 and N remained in the atmosphere

• La concentración atmosférica de CO2 en el Precámbrico fue disminuyendo por formación de carbonatos y de materia orgánica./ The CO2 atmospheric concentration in Precambric was falling by carbonate and organic matter formation

El CO2 a través de la historia geológicaAumento de CO2 : Desgasificación (vulcanismo, tectónica).Disminución de CO2 : Meteorización, depósitos de materia orgánica).

El CO2 a través de la historia geológica: El Pleistoceno

El CO2 reciente

El CO2 reciente y en un futuro cercano

-Variación reciente de CO2 y oxígeno. - Emisiones antrópicas de C y variaciónde δ13C.

Figure 2.3. Recent CO2 concentrations and emissions. (a) CO2 concentrations (monthly averages) measured by continuous analysers over the period 1970 to 2005 from Mauna Loa, Hawaii (19°N, black; Keeling and Whorf, 2005) and Baring Head, New Zealand (41°S, blue; following techniques by Manning et al., 1997). Due to the larger amount of terrestrial biosphere in the NH, seasonal cycles in CO2 are larger there than in the SH. In the lower right of the panel, atmospheric oxygen (O2) measurements from fl ask samples are shown from Alert, Canada (82°N, pink) and Cape Grim, Australia (41°S, cyan) (Manning and Keeling, 2006). The O2 oncentration is measured as ‘per meg’ deviations in the O2/N2 ratio from an arbitrary reference,analogous to the ‘per mil’ unit typically used in stable isotope work, but where the ratio is multiplied by 106 instead of 103 because much smaller changes are measured.

(b) Annual global CO2 emissions from fossil fuel burning and cement manufacture in GtC yr–1 (black) through 2005, using data from the CDIAC website (Marland et al, 2006) to 2003. Emissions data for 2004 and 2005 are extrapolated from CDIAC using data from the BP Statistical Review of World Energy (BP, 2006). Land use emissions are not shown; these are estimated to be between 0.5 and 2.7 GtC yr–1 for the 1990s (Table 7.2). Annual averages of the 13C/12C ratio measured in atmospheric CO2 at Mauna Loa from 1981 to 2002 (red) are also shown (Keeling et al, 2005). The isotope data are expressed as δ13C(CO2) ‰ (per mil) deviation from a calibration standard. Note that this scale is inverted to improve clarity.

El metano atmosféricoreciente

No se conoce la razón de la estabilización del metano en la atmósfera, aunque parece deberse a la disminución de las fuentes. Recientemente (2007), el metano parece aumentar./ Reasons for atmospheric methane concentration levelling off are not known, but a source decrease is the probable cause. Recently (2007), methane seems to increase again

LOS OCÉANOS

Los océanos : Cambios en el dióxido de carbono disuelto/Oceans: Changes in dissolved carbon dioxide

Oceans38,400

The Ocean Carbon Cycle(1990s)

UnitsGt CGt C y -1

Pole

Equator

7120 18 71.5

Solubility pump

Biological pump

The future ….•Higher [CO2] enhances the solubility pump.

•Higher temperatures may partially offset this, but

•They will also increase ocean stratification, and thus

•Deep sequestration reduced.

•Increased nutrient inputs may increase biological pump.

LOS ECOSISTEMAS TERRESTRES

Table 1: Global carbon stocks in vegetation and soil carbon pools down to a depth of 1 m.

BiomeArea

(109 ha)

Global Carbon Stocks (Gt C)

Vegetation Soil TotalTropical forests 1.76 212 216 428Temperate forests 1.04 59 100 159Boreal forests 1.37 88 471 559Tropical savannas 2.25 66 264 330

Temperate grasslands 1.25 9 295 304

Deserts and semideserts 4.55 8 191 199

Tundra 0.95 6 121 127Wetlands 0.35 15 225 240Croplands 1.60 3 128 131

Total 15.12 466 2011 2477Note: There is considerable uncertainty in the numbers given, because of ambiguity of definitions of biomes, but the table still provides an overview of the magnitude of carbon stocks in terrestrial systems.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

C en vegetación (Gt)

C en suelos (Gt)

Total C en vegetación: 466 GtTotal C en suelos: 2.011 Gt

(IPCC, 2000, “Land use, land-use change and forestry”)

Los ecosistemas terrestres

Global terrestrial carbon uptake was simulated by 11 coupled carbon-cycle–climate models driven with carbon emissions from the SRES-A2 emissions profile. Data are taken from the Coupled Carbon Cycle Climate Model Intercomparison Project2, with uptake rates smoothed with a 30-year moving average.

Nature 451, 289-292 (17 January 2008) | Terrestrial ecosystem carbon dynamics and climate feedbacks

Martin Heimann1 & Markus Reichstein 1

4) Impactos del cambio global en el ciclo del carbono / Global change impacts on carbon cycle

(Woods Hole Research Center)

Las variaciones de la tasa de crecimiento de la concentración atmosférica de CO2 están causadas principalmente por efectos terrestres, particularmente por los impactos de las olas de calor y las sequías en la vegetación de la Amazonía occidental y del sudeste asiático, que producen pérdidas de C en los ecosistemas debido a la menor productividad vegetal y/o incremento de la respiración. / Fluctuations of atmospheric CO2 concentration growth rate are mainly the result of terrestrial effects, particularly of heathwave and drought impacts on Western Amazonia and Southeastern Asia vegetation, which cause a loss of ecosystem carbon due to lower plant production and/or increased respiration

Inferred changes in CO2 flux compared with the 1980-

98 mean

Bousquet et al (2000) Science 290 1342

Land

Oceans

V

Balance moderno de carbono: CF – A CF: Flujo por combustibles fósiles y cemento A: Aumento atmosférico de CGran sumidero oceánico y sumidero variable en la biosfera./Modern C budget: Big ocean sink and variable biospheric sink. Budget is = CF –A, CF being the C flux from fossil fuels and A the atmospheric C growth.

Balance preindustrial de carbono: Casi en equilibrio (cambios lentos en el CO2 atm.)Pequeña fuente en el océano. /Preindustrial C budget: Near equilibrium. Slow changesin atmospheric CO2. Small oceanic source

Los flujos CF y A están muy bien caracterizados.La diferencia CF – A se ha de repartir entre la biosfera y el océano. Este repartovaría temporalmente y espacialmente. / CF and A fluxes are very well determined.CF –A must be shared between biosphere and ocean. Shares vary temporally andspatially.

El sumidero oceánico está bien relativamente bien caracterizado:/ Ocean sink is relatively well characterized- Por los modelos de circulación oceánica./ By ocean circulation models-Por las medidas de la evolución temporal del 13C./ By 13C temporal evolution measurements- Por las medidas de la evolución temporal del O2./ By O2 temporal evolution measurements

Los océanos absorben CO2 a altas latitudes (formación de aguas profundas –debido al downwelling- y lo emiten a bajas latitudes (por el upwelling) / Oceans absorbCO2 at high latitudes (by downwelling) and emit at low latitudes (by upwelling)

Balance mundial del carbono/Global carbon budget

1980s 1990sIncremento atmosférico 3,3 ± 0.1 3,2 ± 0.1Emisiones “fósiles” 5,4 ± 0.3 6,3 ± 0.4Flujo océano - atmósfera -1,8 ± 0.8 -2,1 ± 0.7Flujo tierra – atmósfera -0,3 ± 0,9 -1,0 ± 0,8 Flujo por cambios de uso 0,9 a 2,8 1,4 a 3,0

Flujo residual terrestre -4,0 a -0,3 -4,8 a -1,6

El sumidero terrestre de carbono parece intensificarse / The terrestrial carbon sink seems to increase

Balance mundial del carbono por zonas (años 90)/Global C budget by zones (90’)

Total: -0,7 ± 0,8 Gt C

Hemisferio Norte excepto trópico: -2,1 ± 0,8 Gt C

Hemisferio Sur excepto trópico: -0,2 Gt C

Trópicos : + 1,5 ± 1,2 Gt C

Es decir, que existiría un sumidero terrestre de C en latitudes altas (especialmente en el hemisferio N) , y una fuente en bajas latitudes./ There is a terrestrial C sinkat high latitudes (mainly in N hemisphere), and a source at low latitudes.

Balance mundial del carbono/ Global carbon budget

(2000-2005)Incremento atmosférico 4,3Emisiones “fósiles” 7,2Flujo océano - atmósfera -2,3Flujo tierra – atmósfera -0,6Flujo por cambios de uso 1,5

Flujo residual terrestre -2,1Se acelera la acumulación atmosférica de carbono / Atmospheric

C accumulation increasesSe intensifica el sumidero oceánico / Oceanic sink intensifies

Se reduce el sumidero terrestre ? / Is terrestrial sink getting smaller?

Mecanismos propuestos para el sumidero terrestre de C/Proposed mechanisms for terrestrial C sink

Mecanismos fisiológicos: /Physiological mechanisms:-Fertilización con CO2 / CO2 fertilization-Fertilización con N / N fertilization- Cambios de clima (T, humedad) / Climate changes (T, humidity)

Mecanismos ecosistémicos:/ Ecosystemic mechanisms-Recrecimiento forestal tras perturbaciones humanas./ Forest regrowth following human perturbation-Menor deforestación./ Lower deforestation- Supresión de incendios e “invasión” de matorrales./ Fire supression and bush encroachment- Mejores prácticas agrícolas./ Better agricultural practices- Productos forestales y vertederos./ Forest products and landfills- Erosión y deposición de sedimentos./ Sediment erosion and deposition

Problemas para identificar y cuantificar los mecanismos de acumulación de carbono / Problems to identify and quantify

carbon sequestration mechanisms

• Dificultad en determinar pequeñas variaciones de un gran sumidero (en especial, de los suelos)./ Difficulties to determine small changes in a big sink (specially soils)

• Dificultad en extrapolar los resultados de experiencias a pequeña escala hasta mayores escalas./ Difficulties to extrapolate small-scale experiences to bigger scales

• Deficiente representación en los modelos biosféricos de los procesos ecológicos relevantes para el ciclo del carbono./ Poor representation of carbon cycle relevant ecological processes in current biospherical models

¿Qué factores son más importantes en determinar el sumidero terrestre de carbono?/ Which are the most important factors

driving the terrestrial carbon sink?

• NO SE SABE

Y el interés de saberlo no es sólo académico. Dependiendode cual sea la importancia de cada mecanismo, el sumideropodría aumentar, disminuir o desaparecer o cambiar a fuente.Esto representaría una diferencia de hasta cientos de ppm de CO2 enla atmósfera durante este siglo, con las correspondientesconsecuencias.../And the interest of knowing it is not only academic. Depending on the importance ofeach mechanism, the sink may increase, decrease, dissapear, or change to source.It would amount to a difference of up to hundreds of atmospheric CO2 ppm in theatmosphere this century, with their consequences

NO ONE KNOWS

Algunas conclusiones

(*)

(*) Translation not available

5) Métodos de estimación de depósitos y flujos de carbono/Methods of estimation of carbon reservoirs and fluxes

Modelado inverso de datos oceánicos/ Inverse modelling of ocean data

Modelado inverso de datos atmosféricos/ Inverse modelling of atmospheric data

Inventarios (Modelos de uso de la tierra e inventarios forestales)/ Inventories (Land use models and forest inventories)

Medida directa de flujos de CO2 (eddy correlation, IRGA)/ Direct CO2 flux measurements

Modelos de vegetación y suelos/ Vegetation and soil models

Medidas satelitales/ Satellite measurements

Appendix 1. Methods of Estimating Terrestrial Carbon Fluxes

Here we review some of the methods used to determine the size and geographic locations of terrestrial carbon fluxes. This is just a cursory overview of the topic. In a recent paper, House et al. (2003) provides a more complete review of the various

methods of estimating terrestrial carbon sources and sinks. Methods for estimating the size and geographic pattern of the terrestrial carbon

sink first arose from the so-called “atmospheric inversion” technique of flux estimation.

In an inversion method, terrestrial carbon fluxes are inferred by having to fulfill the

requirement that the global carbon budget has to be balanced. Thus, knowing the fossilfuel

and land use sources of carbon and the amount of carbon stored in the atmosphere,

one can estimate the terrestrial and oceanic sources or sinks by difference. Further, the

ocean and terrestrial fluxes can be partitioned by one of three methods: 1) simultaneous

measurements of atmospheric CO2 and O2; 2) observations of atmospheric 13C; or 3)

oceanic uptake as estimated by an ocean carbon cycle model. The inverse modeling

approach has the advantage of being global in scale, and of implicitly accounting for all

the processes influencing the global carbon cycle. However, it has the disadvantage of

not being able to isolate the individual contributions of the various processes controlling

the carbon cycle. Furthermore, while inversion methods are able to provide reasonably

accurate estimates of global sources and sinks of carbon, and even sufficiently accurate

estimates of the latitudinal north-south partitioning of the fluxes, they do not provide

accurate longitudinal breakdown of the fluxes, and of different regional fluxes.

While inversion methods are useful, they are not sufficient to understand the

functioning of the terrestrial carbon budget. More direct methods of observing the

terrestrial sources and sinks of carbon have been developed. One such observational

approach measures terrestrial carbon fluxes at the atmospheric boundary layer in flux

towers using the “eddy covariance” technique. This technique takes advantage of the fact that transport in the boundary layer is dominated by turbulent eddies, and uses turbulence theory and sophisticated instruments to measure vertical fluxes of carbon dioxide. While flux measurements are useful to obtain terrestrial fluxes at local scales, they continue to

be plagued by measurement errors when turbulence is low (such as at night times), and also have difficulty scaling up to regional levels and to decadal time scales. Another method of estimating carbon fluxes directly is by using inventory

methods. These methods are normally limited to observations of changes in aboveground

biomass in forested ecosystems; from changes in biomass, sources or sinks of

carbon can be inferred. The method has the advantage of comprehensively including all

processes that affect an ecosystem, but has the disadvantage of having limited

consideration of belowground processes and non-forested ecosystems.

Finally, various numerical models have been used to estimate terrestrial sources

and sinks of carbon. These models include representations of the processes that are

thought to affect terrestrial carbon fluxes. In particular, the models include controls such

as atmospheric CO2 concentration, climate variability and change, atmospheric nitrogen

deposition, and in a few cases anthropogenic land use and land cover change. The models

have the advantage of being able to isolate the individual contributions of the various

processes influencing the terrestrial carbon budget. However, the models are only as good

as our understanding of the processes, and moreover, they only include the processes that

are currently hypothesized to influence the carbon budget.

In addition to all the above approaches to estimating present-day terrestrial carbon

fluxes, many experimental approaches are in use to understand how terrestrial ecosystems

might respond to changing atmospheric carbon dioxide concentrations and climate. In

laboratories, greenhouses, and open top chambers, plants are grown in conditions of

increased (or decreased) ambient CO2 concentrations to evaluate their response. This

method has been further extended to the plot or stand scale scale in the Free Air CO2

Enrichment (FACE) experiments which aims to estimate the ecosystem level response to

increased CO2. Furthermore, many soil warming experiments around the world attempt to

measure the response of microbial respiration to increased soil temperatures.

Fuentes y sumideros de C por inversión (Ciais et al., 2000)

Partición de sumiderosentre tierra y océanos pormedidas del oxígeno.(Manning & Keeling)Tellus 58B (2006)

Figure 3.4: Partitioning of fossil fuel CO2 uptake using O2 measurements (Keeling and

Shertz, 1992; Keeling et al., 1993; Battle et al., 1996, 2000; Bender et al., 1996; Keeling et al., 1996b; Manning, 2001). The graph shows the relationship between changes in CO2 (horizontal axis) and O2 (vertical axis). Observations of annual mean

concentrations of O2, centred on January 1, are shown from the average of the Alert

and La Jolla monitoring stations (Keeling et al., 1996b; Manning, 2001; solid circles) and from the average of the Cape Grim and Point Barrow monitoring stations (Battle et al., 2000; solid triangles). The records from the two laboratories, which use different reference standards, have been shifted to optimally match during the mutually overlapping period. The CO2 observations represent global averages compiled from

the stations of the NOAA network (Conway et al., 1994) with the methods of Tans et al. (1989). The arrow labelled ?fossil fuel burning? denotes the effect of the combustion of fossil fuels (Marland et al., 2000; British Petroleum, 2000) based on the relatively well known O2:CO2 stoichiometric relation of the different fuel types (Keeling, 1988).

Uptake by land and ocean is constrained by the known O2:CO2 stoichiometric ratio of

these processes, defining the slopes of the respective arrows. A small correction is made for differential outgassing of O2 and N2 with the increased temperature of the

ocean as estimated by Levitus et al. (2000).

Métodos de inventario

Modelos de uso de la tierra(Houghton, 1983)

Inventarios forestales

MODELO DEL CICLO DEL CARBONOFORESTAL (Rodríguez-Murillo, 1994)

Balance de carbono = Producción neta del bioma

FAC = (B + Rn + CE + CP)2 - (B + Rn + CE + CP)1

B (Biomasa viva): A partir de los VCC de los inventarios forestales.

• Rn (Residuos naturales): 0,1*B• CE (Carbono edáfico): Su variación entre inventarios se

considera proporcional a la variación de los VCC.• CP (Depósitos provenientes de perturbaciones): Se estiman

las entradas y salidas anuales a los 6 depósitos de carbono.• Entradas: Estadísticas de incendios forestales, cortas,

destino de la madera cortada y producción de leña.• Salidas: Cada depósito se caracteriza por una tasa de

oxidación constante R.

Torre con instrumentos paramedir los flujos netos de CO2

entre un ecosistema y la atmósfera (eddy correlation)

Medida de la respiración de suelos Medida del intercambio neto de CO2 en hojas

Satélite japonés GOSAT (Ibuki) (GreenhouseGases Observing Satelite) (23-1-2009). Medidaespectrométrica de CO2 , CH4 , vapor de aguay aerosoles

Satélite estadounidense OCO (Orbiting carbon observatory). Lanzamiento fallidoel 24-2-2009. Medida espectrométrica deCO2

Satélite europeo Envisat. Desde 2002. Observación de tierra, océanos, atmósferay criosfera

Satélite Envisat. Observaciones de metano promediadas agosto-noviembre 2003

Satélite GOSAT. This figure shows a smoothed XCO2 distribution with mesh of latitude 2.5° x longitude 2.5°, calculated by applying statistical approach called Kringing method, which is essentially spatial inter- and extrapolation. Where observation points do not exist within 250km, the cell is shown as white.

©JAXA/NIES/MOEObservation period：August 1 –31, 2009

PAPEL DE LAS CUENCAS HIDROGRÁFIC AS EN EL CICLO DEL CARBONO /ROLE OF DRAINAGE BASINS IN THE CARBON CYCLE

Flujos de carbono en cuencas hidrográficasCarbon fluxes in drainage basins

• Las cuencas hidrográficas son la unidad natural de estudio, no sólo para la hidrología, sino también para los fenómenos y procesos asociados, tales como los flujos de GEI y los flujos biogeoquímicos en general, al definirse una cuenca como el territorio drenado por un único sistema de drenaje natural, es decir, que drena sus aguas al mar a través de un único río, o que vierte sus aguas a un único lago endorreico.

• A drainage basin or catchment is a natural study unit for hydrology, but also for processes and phenomena associated to water flows, as GHG flows and biogeochemical flows in general.

• NEP = GPP – AR – HR (AR:Autotrophic respiration; HR:heterotrophic respiration)Terrestrial NEP varies Terrestrial C export to inlands waters is about 1.9 Gt C/y (50-70% NEP)

• NEE equals NEP except for ecosystem DIC loss.

“Net ecosystem carbon balance”, NECB = dC/dtNECB = -NEE + FCO + FCH4 + FVOC + FDIC + FDOC + FPC

-NEE: “Net ecosystem exchange”(net CO2 flux between ecosystem and atmosphere)

-Fi : Net fluxes of CO, CH4, VOC, DIC, DOC and particulate C (animals, soot, deposition, erosion, human harvest/transport…). Net input is conventionally taken

as positive.

-No explicit mention is done of PIC and POC.

Some C cycle concepts (Chapin III et al., Ecosystems (2006) 9: 1041–1050)

Modelo de los flujos de carbono en las aguas continentales (“Plumbing the Global Carbon Cycle: Integrating Inland Waters into the Terrestrial Carbon Budget, J. J. Cole y otros, Ecosystems (2007))

Importancia relativa de los flujos de carbono en cuencas hidrográficasRelative importance of carbon fluxes in drainage basins

• ESCALA MUNDIAL /GLOBAL SCALE:• PPB terrestre /Terrestrial GPP: Aprox. 120 Gt C/año; 55 Gt C/año

(PPN /NPP). (Science 10 July 1998:Vol. 281. no. 5374, pp. 237 – 240 Primary Production of the Biosphere: Integrating Terrestrial and Oceanic Components, Christopher B. Field, * Michael J. Behrenfeld, James T. Randerson, Paul Falkowski )

• RESPIRACIÓN: Plant respiration aprox. 65 Gt C/año (de Waring and Running 1998 y anterior estimación de GPP mult. por 0.47). Soil respiration, 68 Gt C/año (about 50 Gt C/año heterothropic).

• METANO Y VOC: 0.19 Gt/año (metano de ecosistemas naturales (Dalal y Allen); VOC (no metánicos): 0.725 Gt C/año (biogénico) (Lathière et al.).

• LAND-OCEAN TRANSPORT (DIC and DOC): 0.9 Gt C / año (mitad DIC, mitad DOC).

• PERTURBATIONS (FIRES): 3 Gt C/año (Mouillot)

Los flujos dominantes globalmente son PPB y respiración.Main fluxes are GPP and respiration.

La diferencia entre ellos es pequeña, por lo que los otros flujos pueden serimportantes en el balance de C final.Differences GPP – respiration are small, therefore other fluxes may be significantin the final carbon budget.

• Cuencas particulares/Basin scale

The relationship between TOC export and latitude/climate observed in

the global and continental-scale studies appears to be a reflection of several factors involving sources (primarily organic matter in soils) and hydrologic processes. Soil organic matter storage is positively influenced by primary production (highest in warm, wet climates) and negatively influenced by oxidation rates in soils (lowest in cool, wet climates). The mobilization and transport of soil organic carbon to aquatic ecosystems is positively related to the flux of water across the landscape, driven by the balance between precipitation and evapotranspiration. Thus, water flux (runoff) exerts primary control on organic matter export, with the effects of temperature somewhat diminished because temperature has positive effects on both sources (production) and sinks (oxidation) of soil organic matter.

(Mulholland 2003)

The export of TOC (most of which is DOC) in rivers is primarily a function of runoff(positive relationship) because runoff varies to a much greater extent thandoes TOC concentration and export is simply a product of discharge weightedmean annual concentration and runoff.

Cuencas particulares/Basin scale (2)

• DOC is related to catchment area and discharge in a multiple correlation (R2 = 0.54, p < 0.05). (Álvarez-Cobelas et al. submitted for publication) (551 world catchments).

• DOC export depended on soil types because catchments differing in dominant soil types also had different OCE (Kruskal-Wallis test, p < 0.05; Fig. 4b); histosols, leptosols and podzols showed more variability in DOC export. Histosols appeared to export more DOC than cambisols, inceptisols and luvisols; podzols increased DOC export more than cambisols, inceptisols and luvisols, whereas cambisols exported less DOC than either arenosols or histosols (multiple comparisons based on a Kruskal-Wallis test; p < 0.05; Table 6).

• With regard to land use, forests and heathlands showed higher variability in DOC export than agricultural areas (affected by crops and livestock grazing in grasslands); overall, differences in DOC export among land use types were statistically significant (Kruskal-Wallis test, p < 0.05; fig. 4c), heathlands exporting more organic carbon than crops and forests. Despite many claims on the contrary, the occurrence of lentic waterbodies in catchments did not appear to increase DOC retention on a world-wide basis because a Mann-Whitney test failed to find a statistically significant difference between DOC export in catchments with and without lentic ecosystems (p > 0.05

Figure 5. Box-whisker plot of dissolved organic carbon export worldwide assembled for time periods. The inner small quadrat is the median, the box is the 25-75% quartil, whereas the whisker is the range.

Organic C export trends did not appear to increase in world catchments, whereas OCE variability did

Papel de la erosión en cuencas hidrográficas en el ciclo del carbono / Drainage basin erosion role in carbon cycle

• Mal conocido. Se usan modelos de C en suelos, dada la dificultad de la experimentación / Little known. Difficult field experimentation (use of models instead)

• Se podrían movilizar por erosión varias Gt C al año / Erosion may mobilize C in the Gt range

• ¿Contribuye la erosión al sumidero terrestre de C? / Is erosion part of the terrestrial C sink?

Traditionally, the loss of carbon in soils – f.e., following cultivation of former forest or grassland soils – is considered a C source (flux to the atmosphere).Indirect assessment points to less than 20% of eroded organic carbon being effectively oxidized to CO2.

Erosional sites: places with net soil lossDepositional sites: places with net soil gainErosional sites loss C by erosion and this C is transported to depositional sites.The net effect seems to be a C sink, because replacement of eroded C in erosional sitesand preservation of C deposed in depositional sites.

La erosión, fuente de carbono (Lal, 2003) 0,8 – 1 Gt C/año globalmente

La erosión, sumidero de carbono(Stallard 1998; Smith y ot., 2001) (0,6-1,5 Gt C/año globalmente)

Liu et al. 2003[76] Erosion reduces carbon emissions from the soil intothe atmosphere during periods when the SOC is beingdepleted (e.g., from 1870 to 1950) (Table 4). There is lessflux to the atmosphere because there is less SOC in theprofile (a quantity change) and the SOC now at the surfacehas a higher proportion of passive SOC, a characteristic ofits origin in the deep layers (a quality change). Thesechanges in SOC quantity and quality tend to reduce theamount of CO2 emissions from the soil into the atmosphereat sites of erosion. The erosional scenarios indicate enhancedC absorption since 1950, when SOC storage startedto increase under the influences of improved managementpractices and intensified fertilization (Table 3). On the otherhand, depositional sites are net C sources to the atmosphere.The C efflux tends to be higher than the rate of C absorptionby photosynthesis at the depositional sites because of theadditional oxidation of deposited SOC. These findings havenot been reported previously. We present them as hypothesesfor future testing using long-term field flux measurements[Wofsy et al., 1993; Baldocchi et al., 1996].

Van Oost et al., Science 2007:Agricultural soil erosion is thought to perturb the global carbon cycle, but estimates of its effect range from a source of 1 petagram per year−1 to a sink of the same magnitude. By using caesium-137 and carbon inventory measurements from a large-scale survey, we found consistent evidence for an erosion-induced sink of atmospheric carbon equivalent to approximately 26% of the carbon transported by erosion. Based on this relationship, we estimated a global carbon sink of 0.12 (range 0.06 to 0.27) petagrams of carbon per year−1 resulting from erosion in the world’s agricultural landscapes. Our analysis directly challenges the view that agricultural erosion represents an important source or sink for atmospheric CO2.

Berhe et al., BioScience 2007 and J. Geophys. Res. 2008):We show that, in a cultivated Mississippi watershed and a coastal California watershed, the magnitude of the erosion-induced C sink is likely to be on the order of 1% of NPP and 16% of eroded C. Although soil erosion has serious environmental impacts, the annual erosion-induced C sink offsets up to 10% of the global fossil fuel emissions of carbon dioxide for 2005.

3er Máster “Cambio global”

(Palma de Mallorca, octubre de 2010)

Módulo 2.02: “Consecuencias hidrológicas y biogeoquímicas del Cambio Global en los ecosistemas continentales”Tema 19 “Conexiones entre los ciclos de carbono yoxígeno”

Juan Carlos Rodríguez Murillo, científico titular, IRN-CCMA, CSIC

Conexiones entre los ciclos del Cy del oxígeno / C and oxygen

cycle links

El oxígeno en la Tierra / Oxygen in Earth

• La presencia de oxígeno molecular en la atmósfera es una característica distintiva de la Tierra y se debe a procesos bioquímicos./ The existence of atmospheric molecular oxygen is a distinctive characteristic of Earth, and is due to biochemical processes

• Como con el carbono, hay un ciclo lento de oxígeno (geológico), y uno rápido (biogeoquímico)./ As it is the case with carbon, there are a slow, geological, and a fast, biogeochemical, oxygen cycles

• Los ciclos del C y del O están muy relacionados, al participar C y O conjuntamente en los mismos procesos (fotosíntesis y respiración)./ Oxygen and carbon cycles are closely related, because both elements participate together in the same processes (photosynthesis and respiration)

• A lo largo de la historia geológica (desde que se acumuló el oxígeno masivamente en la atmósfera), su concentración ha variado menos que la del CO2 (entre el 15 y el 35% de los gases atmosféricos)./ Oxigen concentration (since massive oxygen appearance) has been more constant in atmosphere than CO2 concentration along geological history, representing always 15-35% of atmospheric gases

Global oxygen reservoirs, fluxes and turnover times. Major reservoirs are underlined, pool sizes and fluxes are given in 1015 moles O2 and 1015 moles O2 yr-1. Turnover times (reservoir divided by largest flux to or from reservoir ) are in parentheses. To convert moles O2 to Tg O2 , multiply by 3.2 x 1011.

Reservoir Capacity(kg O2)

Flux In/Out(kg O2 per year)

Residence Time(years)

Atmosphere 1.4 * 1018 30,000 * 1010 4,500

Biosphere 1.6 * 1016 30,000 * 1010 50

Lithosphere 2.9 * 1020 60 * 1010 500,000,000

Principales depósitos y flujos de oxígeno en la Tierra

Free oxygen in the atmosphere is generated by the burial of organic carbon in sediments, primarily in the oceans. (buried as C-O, in atmosphere as C-O2)

The balance between the production and removal of oxygen is therefore controlled by biological and  geological processes involving the cycling of carbon compounds through the oceans and the lithosphere

Some important equations for the early Earth's atmosphere (free oxygen production)

    H2O + hv -> OH + H

    H(atmos) ---heat---> H space

    OH + OH -> H20 + O

With photosynthesis the production of free oxygen is accelerated from:

    CO2 + H2O  ----sunlight---> 'CH2O' + O2

But energy can also be released from carbohydrates by respiration:

     'CH2O' + O2 -----> CO2 + H20 (+energy)

thus depleting free oxygen.

oxygen is created by photosynthesis and net emission due to burial of atmospheric carbon (CO2) •oxygen is consumed by both living beings and the net uptake of oxygen due to weathering of fossilized carbon• Oxigen is also consumed in oxidation of reduced Earth crust minerals, as pyrite (S2Fe).

Flujos de oxígeno/ Oxygen flows

GainsPhotosynthesis (land)Photosynthesis (ocean)Photolysis of N2OPhotolysis of H2O

16,50013,500

1.30.03

Total Gains ~ 30,000

Losses - Respiration and DecayAerobic RespirationMicrobial OxidationCombustion of Fossil Fuel (anthropogenic)Photochemical OxidationFixation of N2 by LightningFixation of N2 by Industry (anthropogenic)Oxidation of Volcanic Gases

23,0005,1001,20060012105

Losses - Weathering

Chemical WeatheringSurface Reaction of O3

5012

Total Losses ~ 30,000

Pérdidas y ganancias anuales de oxígeno atmosférico (x 1010 kg O2 /año)

Main fluxes of oxygen (>95% of total, not considering physical air-sea interchange) are related to C cycle (photosynthesis and oxidation)

Origen geológico del oxígeno y su evolución/ Geological origin and evolution of oxygen

• La atmósfera terrestre se formó al principio de la formación de la Tierra por desgasificación. El oxígeno apareció en esta desgasificación y en la fotólisis del vapor de agua, pero debido a su reactividad, la(s) atmósfera(s) primitivas eran anóxicas./ Earth atmosphere was formed at the beginnig of Earth formation by degassing. Oxygen appeared in this process, and also in water vapour photolysis, but primitive atmosphere was anoxic due to oxygen reactivity

• Hasta la aparición de la fotosíntesis con agua como agente reductor del CO2 , no empezó a formarse oxígeno en cantidad (hace unos 3,5 Ga) por bacterias fotosintéticas. / 3.5 Gigayears ago, oxygen began forming massively, due to the appearance of photosynthetical bacteria using water as CO2 reductor

• Este oxígeno se quedó básicamente en las aguas y sedimentos donde se producía, oxidando el Fe2+ a Fe3+, que precipitaba dando óxidos de hierro, produciendo unas formaciones características, llamadas “BIF”, o formaciones de hierro en bandas./ This oxygen remained mostly in waters and sediments where it was formed, oxydizing Fe2+ to Fe3+, which precipitated forming the so-called “banded iron formations” or BIFs

Las bandas oscuras son de magnetita ( Fe3 O4), y las rojas, de “chert” (roca silícea con Fe2 O3)

EJEMPLOS DE BIFs

Origen geológico del oxígeno y su evolución Geological origin and evolution of oxygen

• A través del tiempo, el oxígeno fue oxidando y precipitando las sustancias reducidas de los mares y dando lugar a las BIFs./ Along time, oxygen oxydized the reduced ocean substances, making up BIFs

• Cuando se hubieron agotado estas sustancias, el oxígeno llegó a la atmósfera en forma masiva, pero allí comenzó a oxidar a los gases reducidos de la atmósfera y a diversos minerales de la corteza terrestre./ Massive atmospheric oxygen appearance occurred when reduced ocean substances were exhausted. Oxygen began then to oxydize reduced atmospheric gases and minerals in terrestrial crust

• En particular, se cree que así se formaron desde hace casi 2 Ga los “red beds” (o capas rojas), que son depósitos de Fe2 O3 alternando con otros sedimentos de origen terrestre./ This is considered to be the origin of “red beds”, which are deposits of Fe2 O3 alterning with other terrestrial sediments

3,5 - 2,0 Ga: Formaciones de hierro en bandas/ BIFs2,0 – presente: Capas rojas/ Red beds

La acumulación atmosférica masiva de oxígeno hasta los niveles actuales se demoró hasta el fanerozoico (período cámbrico), con la aparición masiva de plantas terrestres, y ha permanecido relativamente constante. En períodos de depósitos masivos de C orgánico, como el carbonífero, aumentó el %O2 , al tiempo que disminuía el %CO2./ Massive atmospheric oxygen accumulation (to present levels) had to wait until Phanerozoic, and has oxygen has remained between 15-35% of atmosphere since. Great organic carbon deposition caused increases of atmospheric oxygen and parallel CO2 decreases

OXÍGENO DIÓXIDO DE CARBONO

Impactos del cambio global en el ciclo del oxígeno/ Global change

impacts on oxygen cycle

La concentración atmosférica de oxígeno está determinada, a largo plazo, por la oxidación de minerales como la pirita (que la disminuyen) y por el depósito de materia orgánica en los sedimentos (que la aumentan). Como la cantidad de oxígeno en la atmósfera es tan grande en relación con los flujosasociados a estos dos procesos, esta cantidad apenas varía./ Long-term atmospheric oxygen concentrationis determined by the oxidation of minerals (as pyrite), which decreases it, and by the deposit of organic matter in the sediments, which increases it. As the amount of atmospheric oxygen is great compared to the fluxes associated to these two processes, that amount does not change much.

Por desgracia, este no es el caso del carbono. La cantidad de CO2 en la atmósfera es casi del orden de magnitud de los flujos anuales de este gas, por lo que, como se ha visto, pequeñas variaciones de los flujos desequilibran significativamente el sistema, haciendo aumentar la cantidad de CO2 en la atmósfera./ Unfortunately, that is not the case with carbon. The amount of atmospheric CO2 is almost of the orderof magnitude of annual CO2 fluxes, and, therefore, small variations in fluxes, as it has been shown, disequilibrate the system significantly, increasing atmospheric CO2 concentration.

¿Porqué permanece casi constante el oxígeno y no el CO2?/ Why oxygen remains almost stable and CO2 does not?

Los flujos en desequilibrio del ciclo del oxígeno (es decir, los flujos hacia/desde depósitosen que el flujo de entrada es distinto del de salida) son mínimos en relación con la grancantidad de oxígeno atmosférico./ Disequilibrium fluxes in oxygen cycle are small related tothe amount of atmospheric oxygen

Relaciones del ciclo del oxígeno con otros ciclos biogeoquímicos/ Relationships of oxygen cycle and

other biogeochemical cycles

• Por su gran reactividad, el oxígeno está implicado en los ciclos de los otros bioelementos (C, N, P y S)./ Due to the great reactivity of oxygen, this element is involved in the cycles of the other main bioelements (C, N, P and S)

Relación con el ciclo del carbono/ Relationship with carbon cycle

Ambos ciclos están muy imbricados por los siguientes procesos/ Both cycles are coupled by the following processes:

- Por cada átomo de C fijado en la fotosíntesis se liberan dos átomos de oxígeno a la atmósfera./ For each photosintetically fixed C atom , two oxygen atoms are released

- Los procesos de oxidación aerobia (mineralización aerobia de la materia

orgánica y combustión) liberan un átomo de C y sustraen dos átomos de oxígeno

atmosférico en forma de CO2 ./ Aerobic oxidation processes (organic matter aerobic mineralization and combustion) release one carbon atom and take two oxigen atoms from the atmosphere as CO2

- Cada átomo de C enterrado en la materia orgánica de los sedimentos está

acompañado de aprox. medio átomo de O./ Each C atom buried in sedimentary organic matter is accompanied of half an atom of oxygen on average

Oxidación atmosférica de las especies reducidas CO y CH4 /Atmospheric oxidation of CO y CH4 - Bacterias metanotróficas (oxidación del metano con oxígeno)- Bacterias sulfato-reductoras (oxidación del metano con sulfato)- Oxidación atmosférica con el radical hidroxilo, que también oxida al CO

Este último es el mecanismo de desaparición más rápido para ambos gases. Del orden del 1% del oxígeno producido anualmente se consume en la oxidación del metano.

Relación con el ciclo del N/ Relationship with N cycle

• Alrededor del 3% de la producción anual de O2 por fotosíntesis se utiliza para oxidar el amonio en las reacciones de nitrificación:/About 3% of photosynthetically produced oxygen is spent to oxidize ammonia in nitrification reactions:

• 2NH4+ + 3O2 2NO2

- + 2H2O + 4H+

• 2NO2- + O2 2NO3

-

El 0,07% del oxígeno formado se consume en la fijación abiótica e industrial de N(que forma óxidos de nitrógeno), transfiriendo N de la atmósfera a la tierras y océanos./ 0.07% of new oxygen is consumed in abiotic and industrial N fixation

0,013 Gt de oxígeno molecular (el 0,004%) se generan al año por fotólisis del N2O/=0.004% of total new oxygen is formed by N2O photolysis

Relación con el ciclo del P/ Relationship with P cycle

• El P inorgánico está generalmente asociado al oxígeno como fosfato (PO4)/ Inorganic P is generally associated to oxygen as phosphate

• Los ciclos del oxígeno y del fósforo están conectados a través del ciclo del hierro. En presencia de oxígeno, el hierro forma precipitados de oxihidróxidos férricos (FeOOH), que captura iones fosfato (PO4

3-) del agua, reduciendo la productividad biológica y, por ende, la producción de oxígeno fotosintético (retroacción negativa)./ Oxygen and phosphorus cycles are connected through iron cycle. In presence of oxygen, iron precipitates ferric oxyhydroxides (FeOOH), which capture phosphate ions from water, reducing biological productivity and photosynthetic oxygen (negative feedback)

• Parece que esta y otras reacciones del ciclo del P juegan un papel determinante en la estabilización a largo plazo del oxígeno atmosférico./ It is probable that long term estabilization of atmospheric oxygen depends on this and other reactions of P cycle

• Un aumento de la cantidad de fosfato puede fertilizar los ecosistemas, lo que se traduciría en una mayor productividad y producción de oxígeno y depósito de C orgánico, pero en pequeña medida en comparación con los grandes flujos atmosféricos de carbono./ An increase in phosphate may fertilize ecosystems, which would mean higher productivity, higher oxygen production and more organic C deposition, but in a small scale compared to the big atmospheric C fluxes

Relación con el ciclo del S/ Relationship with S cycle

• El oxígeno atmosférico oxida a la pirita (S2Fe), transfiriendo S (sulfato) a los océanos a través de los ríos./ Atmospheric oxygen oxidizes pyrite (S2Fe), transferring S to the oceans through rivers

• Además, el oxígeno interviene en la oxidación del sulfuro de hidrógeno y del azufre elemental. / Besides, oxygen oxidizes also hydrogen sulfide and elemental sulfur

• Los compuestos de azufre se oxidan con rapidez en la atmósfera a sulfatos, depositándose en la tierra o en el mar./ Sulfur compounds are quickly oxidized in the atmosphere, giving sulfates which fall on land or oceans

3er Máster “Cambio global”

(Palma de Mallorca, octubre de 2010)

Módulo 2.02: “Consecuencias hidrológicas y biogeoquímicas del Cambio Global en los ecosistemas continentales”Tema 20 “Conexiones entre los ciclos globales de agua, carbono, nitrógeno y fósforo”

Juan Carlos Rodríguez Murillo, científico titular, IRN-CCMA, CSIC

Conexiones entre los ciclos globales del agua, C, N y

P/Interactions among global water, C, N, and P cycles

El ciclo hidrológico/Hydrologic cycle

El ciclo hidrológico constituye el vehículo de transporte directo de materia entre las tierras emergidas y los océanos. Por ello es importante en los ciclos biogeoquímicos básicos (C, O, N, P y S)./ Water cycle is the direct means of matter transport between land and ocean, hence it is important in the basic biogeochemical cycles (C, O, N, P and S)

Los ríos comunican los ciclos terrestre y marítimo de estos elementos, llevando cada año unos 36.000 km3 de agua (36.000 Gt) al mar./ Rivers communicate terrestrial and marine cycles of these elements, by carrying to the ocean about 36,000 km3 (36.000 Gt) of water yearly

En la atmósfera, el vapor de agua es el principal gas de invernadero./Atmospheric water is the main greenhouse gas

El ciclo hidrológico y los principales ciclos elementales/Water cycle and main elemental cycles

• Ciclo del C:• El mayor depósito activo de C está en los océanos./The biggest active C

reservoir is in the oceans

• Los procesos oceánicos (disolución de CO2 en agua, precipitación/disolución de carbonatos, fotosíntesis y respiración) regulan la concentración atmosférica de CO2 a medio plazo (cientos o miles de años)./ Oceanic processes (CO2 water solution, carbonate precipitation/ solution, photosynthesis and respiration) regulate medium term atmospheric CO2 concentration-hundreds to thousands of years-

• El flujo directo de C tierra-océano (a través de los ríos) es pequeño (del orden de 0,9 Gt C/año, o el 0,5% del total, unas 200 Gt de PPB) comparado con los flujos atmosféricos de C, pero importante en el balance terrestre del carbono./ Direct land-ocean C flux (through rivers) is small (about 0.9 Gt C/year, to be compared to about 200 Gt of GPP), but important in terrestrial carbon budget

El ciclo hidrológico y los principales ciclos elementales/Water cycle and main elemental cycles

• Ciclo del N: • Los óxidos de nitrógeno y las sales de N son muy solubles en agua. También acompaña N orgánico (aprox. el 10%) al C que fluye a los mares. Por ello, el flujo tierra-océano de N es mucho más importante en el ciclo del N

que en el del C (60 Mt N/año, o una quinta parte de los flujos hacia la atmósfera –casi 300Mt/año-).

Ciclo del P:• Al carecer prácticamente el P de especies gaseosas en su ciclo terrestre, la

inmensa mayoría del transporte de este elemento (>95%; 21 Mt/año de P) se hace vía ríos.

• Ciclo del S:• Al tener los compuestos de S una vida atmosférica muy corta (horas-días), la

principal vía de transporte entre tierra y mar son los ríos (130 Mt/año de S). Este flujo es casi la mitad del flujo total atmosférico de S (unos 270-280 Mt/año).

En resumen:

Cycle C N S P Water

Land-ocean flux (Mton yr-1)(rivers)

900 60 130 21 36*106

% Total land-ocean/atmosphere flux

0,5 17 33 >95

CONEXIONES ENTRE LOS CICLOS DE C, N Y P/C,N and P cycles interactions

• Los tejidos vivos se componen básicamente de C, O e H, pero más de 20 elementos adicionales son necesarios para la vida. Entre ellos destacan los llamados macronutrientes, al requerirse en grandes cantidades: N, P,S, K, Ca y Mg./ Live tissues are basically made of C, O, and H, but more than 20 additional elements are essential to live. In particular, big quantities of N, P,S, K, Ca, and Mg are required, and these elements are called macronutrients

• N, P y S son componentes fundamentales de las proteínas y otras biomoléculas (como los ácidos nucleicos), y son necesarios para el crecimiento vegetal. Al necesitarse en unas proporciones determinadas (aunque el valor depende del organismo), la fijación de carbono va acompañada también de la fijación de estos elementos en la materia viva./ N, P, and S are fundamental components of proteins and nucleic acids, and necessary to plant growth. Carbon fixation should be accompanied by the fixation of these elements in definite proportions

Element Symbol mg/kg percentRelative numberof atoms

Nitrogen N 15,000 1.5 1,000,000

Potassium K 10,000 1.0 250,000

Calcium Ca 5,000 0.5 125,000

Magnesium Mg 2,000 0.2 80,000

Phosphorus P 2,000 0.2 60,000

Sulfur S 1,000 0.1 30,000

Chlorine Cl 100 -- 3,000

Iron Fe 100 -- 2,000

Boron B 20 -- 2,000

Manganese Mn 50 -- 1,000

Zinc Zn 20 -- 300

Copper Cu 6 -- 100

Molybdenum Mo 0.1 -- 1

Nickel Ni 0.1 -- 1

“Owing to land use activities and fossil fuel combustion, the terrestrial respiration and decay flux of CO2 to the atmosphere have increased by about 15%; the nitrogen fixation flux has more than doubled over its preindustrial rate; the mining of phosphate ores has led to emissions of four times more phosphorus to the surface environment than released by chemical weathering; and fossil fuel and biomass burning emissions have led to a doubling of the flux of sulfur to the atmosphere”.

(Mackenzie, Ver y Lerman (2002) Chem. Geol 190, 13-32)

El cambio global antropogénico en los ciclos de C, N, P y S

Fertilización con CO2

Las plantas C3 responden al aumento del CO2 con una mayor tasa fotosintética yun crecimiento mayor (mayor PPN).

Esto no implica automáticamente un mayor almacenamiento de C en losecosistemas, debido a:1) Aclimatación a las concentraciones mayores de CO2.

2) La disponibilidad de agua podría limitar el efecto del CO2 .

3) El almacenamiento es el resultado de muchos procesos. Se ha observado queel aumento de la PPN no suele reflejarse en aumentos del almacenamiento de C.

Fertilización con N (P)

Se cree que los ecosistemas templados están limitados en su PPN por el nitrógeno.Por lo tanto, el incremento de N debería aumentar la PPN.

Si se mantienen las relaciones estequiométricas C:N, la adición de N debería produciruna acumulación paralela de C en la biomasa y suelos.

Sin embargo, el N podría inmovilizarse o perderse. Además, la adición de N vieneen muchas ocasiones acompañada de acidificación, con los efectos negativos consiguientes sobre la productividad.

No están claros los efectos a largo plazo del aumento en los nutrientes sobre los ecosistemas terrestres.