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Modelo de dinámicas de materia orgánica y nitrógeno para el análisis ecológico de sistemas integrados acuicultura/agricultura: I. Desarrollo del Modelo y Calibración. Jamu y Piedrahita. Environmental Modelling & Software 17 (2002), 583-592. Resumen. Marco Teórico Exposición del Modelo

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Modelo de dinámicas de materia orgánica y nitrógeno para el análisis ecológico de sistemas integrados acuicultura/agricultura:I. Desarrollo del Modelo y Calibración

Jamu y Piedrahita.

Environmental Modelling & Software 17 (2002), 583-592

resumen
Resumen
  • Marco Teórico
  • Exposición del Modelo
  • Conclusiones y Mejoras
a marco te rico
A. Marco Teórico
  • Flujo de Energía, Cadenas Tróficas
  • Ciclos de materia (N)
  • Producción
  • Depredación (humana): Explotación de poblaciones animales y vegetales
ciclo del n

Fijación Bacteriana

Difusión, Respiración, Desnitrificación

Desnitrificación

Amonificación, etc.

Muerte y

descomposición

Restos

Sedimentos

Ciclo del N

N2 Atmosférico

NO3– y NH4+

(suelo)

Estanque

Cosecha

producci n y explotaci n
Producción y Explotación
  • Producción
    • Factores limitantes:
      • PP terrestre: CO2, Radiación, Precipitación, T, Nutrientes, ISF,...
      • PP acuática: luz, nutrientes

Un exceso de nutrientes provocaría una mayor turbidez del agua (más fitoplancton) y, a la larga, una disminución de la producción. Aquí no hay este problema.

  • Explotación Humana
    • Explotación sostenible de los recursos
    • Contaminación con productos usados para mejorar el rendimiento de la explotación
slide6
IAAS
  • Los sistemas integrados de agricultura/agricultura (IAAS) son un método sostenible de producción
  • Los deshechos de un componente del sistema se reciclan como entradas para otro componente
  • Por esto, IAAS se pueden usar para:
    • Tratar salidas (deshechos) de la acuicultura
    • Incrementar la producción
    • Reducir la pérdida de nutrientes del sistema
slide7
IAAS

¿Por qué desarrollar un modelo para un IAAS?

Para IAAS no resulta factible realizar experimentos de campo

  • Límites en los modelos existentes de sistemas integrados
      • Carencia de propiedades dinámicas
      • Exclusión de componentes importantes del sistema
  • Limitan su extensibilidad y utilidad en el análisis ecológico
b exposici n del modelo
B. Exposición del Modelo
  • Visión general del modelo
  • Componentes y Procesos del módulo agrícola
    • Submódulo cosecha terrestre
    • Submódulo suelo terrestre
  • Componentes y Procesos del módulo acuícola
    • Crecimiento de los peces
    • Población de peces
    • Toma de alimento y preferencia
    • Calidad del alimento
    • Biomasa del fitoplancton
    • Calidad del agua
    • Dinámicas del la materia orgánica y el nitrógeno sedimentados en el estanque
  • Calibración del modelo
1 visi n general del modelo
1. Visión general del modelo

Nitrógeno:

Nutriente limitante

Materia orgánica

Conexión entre los sistemas agrícola y acuícola

Papel central en el reciclado de nutrientes

1 visi n general del modelo10

Reclutamiento Siega

Salidas

FertilizanteNutrientes

Entradas

Irrigación

Nutr.

Nutrientes y agua

Resedimentación Resuspensión

Difusión

Sedimento

Fertilizante

Fertilizante

Pérdida por infiltración

1. Visión general del modelo

Cosecha

Agua del estanque de acuicultura

Suelo

Sedimentos del estanque de acuicultura

2 componentes y procesos del m dulo agricultura
2. Componentes y Procesos del Módulo Agricultura

Simula:

  • Crecimiento de biomasa de la cosecha
  • [Mat. Org.] y [N] en el suelo
  • Pérdida de agua por parte del suelo (evapotranspiración)

Dos submódulos principales:

Suelo

Cosecha

2 1 subm dulo cosecha
2.1 Submódulo Cosecha

La tasa de crecimiento de la biomasa de la cosecha (Zea Mays) depende de:

Disponibilidad de agua en el suelo

Temperatura del aire

Radiación solar

[N] en el suelo

2 2 subm dulo suelo
2.2. Submódulo Suelo

Simula:

  • [Mat. Org.] y [N] del suelo
  • Balance de agua en el suelo
2 2 subm dulo suelo14
Materia Orgánica y Nitrógeno2.2. Submódulo Suelo

No todos los componentes de la materia orgánica se descomponen a la misma velocidad

2 2 subm dulo suelo15
2.2. Submódulo Suelo

Balance de agua en el suelo:

  • Tasa de evapotranspiración
  • Tipo de suelo
    • Arcilla
    • Marga
  • Contenido hídrico

La pérdida por infiltración no se tiene en cuenta. Se mide la irrigación mediante un programa de frecuencia fija, y se calcula como la evapotranspiración entre cada irrigación.

3 componentes y procesos del m dulo acuicultura
Dos submódulos:

Materia Orgánica Sedimentada

Nitrógeno Sedimentado

3. Componentes y Procesos del Módulo Acuicultura

Agua del estanque de acuicultura

Sedimentos del estanque de acuicultura

  • Crecimiento y Población de Peces
  • Calidad de los nutrientes
  • Biomasa de Fitoplancton
  • Calidad del agua
3 1 crecimiento de los peces
3.1. Crecimiento de los Peces

Se simula el crecimiento individual usando un modelo de bioenergética de la tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus); Bolte et al. 1994.

Modificaciones:

  • Calidad de los nutrientes
  • Preferencia de alimento y digestibilidad
  • Factor para diferencias genéticas con otras especies
3 2 poblaci n de peces
3.2. Población de Peces
  • La recolección se hace al final del periodo productivo
  • Población, nacimientos y recolección son iguales a 0 durante el periodo de producción
  • No se simula la estructura de edades de la población. Los efectos de las recolecciones en la K se incluyen implícitamente en el modelo bioenergético de crecimiento de los peces
3 2 poblaci n de peces20
3.2. Población de Peces
  • Mortalidad
    • Alta [NH3] no ionizado
    • Bajas DO
    • Depredación
    • Pobre manejo durante el muestreo
    • Enfermedad
  • = Tasa de mortalidad (d–1)

Pa = Población permisible por la dirección (Peces · ha–1) *

P = Población de peces en el tiempo t

* Pa se calibra basándose en los datos de supervivencia de la primera recolección

3 3 toma de alimento y preferencia
3.3. Toma de alimento y preferencia

Herbívoros en condiciones naturales:

Fitoplancton > Detritos > Alim. Suministrado

Pero esto puede verse modificado por:

  • Calidad del alimento
  • Fisiología de los peces
  • Comportamiento de aprendizaje
3 3 toma de alimento y preferencia23
3.3. Toma de alimento y preferencia

Tasa de toma de alimento:

ri = Tasa de toma de i (g · d–1)

R = Tasa total de consumo (g · d–1)

Ksi= Cte saturación media; ci = [i] (mg · L–1)

Si no pueden tomar sus necesidades diarias sólo a partir de fitoplancton, tomarán detritos y comida artificial

Coeficientes y Factores de consumo de alimento

3 3 toma de alimento y preferencia24
3.3. Toma de alimento y preferencia

Coeficientes de consumo de alimento

Factores de consumo de alimento:

Tasas de consumo de alimento:

3 4 calidad del alimento
3.4. Calidad del alimento

Relación N/C

Costes metabólicos por degradación de compuestos de N

  • N >>> C

Dieta pobre en proteínas o inadecuada

  • N <<< C

Al fertilizar se desestima la primera suposición, ya que no es frecuente

3 6 calidad del agua
3.6. Calidad del Agua
  • Cantidad de Materia Orgánica
  • Oxígeno disuelto (DO) (limitante)
  • Nitrógeno en forma de NH3 total (tóxico a altos niveles)
3 6 calidad del agua28
3.6. Calidad del Agua

Materia Orgánica

  • No todos los componentes de la materia orgánica se descomponen a la misma velocidad
  • La descomposición está influida por la temperatura
3 6 calidad del agua29

Bacterias

3.6. Calidad del Agua

Oxígeno Disuelto (DO):

Oxidación de NH3 (nitrificación), CH4 y H2S

3 6 calidad del agua30
3.6. Calidad del Agua

NH3 total sedimentado

3 7 din micas de materia org nica y el n sedimentados
3.7. Dinámicas de Materia Orgánica y el N sedimentados

Procesos:

  • Materia Orgánica: Descomposición
  • Hasta 1 mm

Capa aeróbica, oxígeno dinámico

Zona anaerobia, descomposición más lenta

  • > 1 mm
  • N: Adsorción de NH3 al sedimento
  • Sedimento mineral
    • Carencia de información en su aporte, aunque en él se producen también procesos de difusión, infiltración, desnitrificación y adsorción de NH3
4 calibraci n del modelo

Retocar el modelo hasta conseguir el ajuste

4. Calibración del Modelo

Sólo se calibró el módulo de acuicultura

Procedimiento:

Poner en marcha el modelo con datos observados

Comparar las salidas del modelo con las observadas

4 calibraci n del modelo33
4. Calibración del Modelo
  • Se calibró primeramente cada submódulo individualmente
  • Datos proporcionados por el PD/A CRSP, obtenidos de 7 lugares del mundo
  • Finalmente se eligieron los datos de la Rwasave Fish Culture Station, Butare, Rwanda
      • 2,4º S y 29,45º E; 1.625 m de altitud
      • Clima tropical húmedo, humedad mensual 59-83%
      • Agua del estanque a pH 6,5-7,0
      • Alcalinidad: 17 mg · L–1 como CaCO3
      • Suelos acídicos (pH = 4,5-4,8), etc.
  • Se eligieron estos datos porque eran los únicos en los que se habían usado los restos de plantas como fertilizantes para el estanque
c conclusiones y mejoras
C. Conclusiones y Mejoras
  • La integración de agricultura y acuicultura es interesante para ecólogos, agricultores y acuicultores por:
    • Producción sostenible
    • Mitigación de impactos medioambientales
      • Fertilizantes de plantas
      • Sedimentos del estanque
  • Sólo podemos obtener estos beneficios conociendo las interacciones entre los modelos, procesos y mecanismos que controlan el funcionamiento del sistema integrado
  • Inclusión de los sedimentos en los cálculos:
    • Papel en la calidad del agua del estanque
    • Papel en el reciclaje para acuicultura
importancia econ mica de la tilapia
*Importancia Económica de la Tilapia

Principales acuicultores de tilapia (1998)

Principales exportadores a los EE UU (1998)

p ginas web de inter s
* Páginas web de interés

http://pdacrsp.oregonstate.edu

Pond Dynamics/Aquaculture Collaborative Research Support Program (PD/A CRSP)

http://biosys.bre.orst.edu/pond/pond.htm

Modelo Pond

p ginas web de inter s39
* Páginas web de interés

www.cichlidae.info/default-es.html

Artículos de cría de diferentes especies de peces. En español

www.fao.org/fi/alcom/asd.html

Base de datos de distribución de especies acuáticas para cría

www.ag.augburn.edu/icaae/reprobiology.htm

Water Harvest and Aquaculture for Rural Development. Muchas referencias al ciclo de vida y comportamientos de la Oreochromis niloticus

www.fishbase.org/manual/fishbasewinmap_as_public_domain...

Programa para buscar la localización geográfica de algo, y su aplicación en el caso de los peces para cría

www.new-agri.co.uk/98-5/focuson/focuson6.html

Integración Agricultura-Acuicultura

www.orleans.ird.fr/ pechedcndiag-rang-frec.htm

Rango de frecuencias de distintas especies de peces a lo largo de la campaña de pesca

www.icelandic.com/ss-tilapia-cfm

Sobre la tilapia. Aristóteles (300 a.C.) le dio su nombre a la tilapia, que significa “pez del Nilo”

www.cmaquarium.org/tilapic.htm

www.prompex.gob.pe/prompex/Inf_Sectorial/Pesca/Perfil_Tilapia/Tilapia.htm

Importancia económica de la tilapia en el mundo. Gráficas. En español

circulaci n de nutrientes
Circulación de Nutrientes

Productores

(Fitoplancton)

Cons 1º

(Peces)

Mat. Org. Muerta

Cosecha terrestre

Descomponedores

(Sedimento)

Materia Orgánica