Modelo de dinámicas de materia orgánica y Modelo de dinámicas de materia orgánica y nitrógeno para el análisis ecológico de nitrógeno para el análisis ecológico de

sistemas integrados sistemas integrados acuicultura/agricultura:acuicultura/agricultura:

I. Desarrollo del Modelo y CalibraciónI. Desarrollo del Modelo y Calibración

Jamu y Piedrahita.Jamu y Piedrahita.Environmental Modelling & SoftwareEnvironmental Modelling & Software 17 (2002), 583-592 17 (2002), 583-592

ResumenResumen

A.A. Marco TeóricoMarco Teórico

B.B. Exposición del ModeloExposición del Modelo

C.C. Conclusiones y MejorasConclusiones y Mejoras

A. Marco TeóricoA. Marco Teórico

• Flujo de Energía, Cadenas TróficasFlujo de Energía, Cadenas Tróficas

• Ciclos de materia (N)Ciclos de materia (N)

• ProducciónProducción

• Depredación (humana): Explotación de Depredación (humana): Explotación de poblaciones animales y vegetalespoblaciones animales y vegetales

Ciclo del NCiclo del N

NN22 Atmosférico Atmosférico

CosechaCosecha

NONO33–– y NH y NH44

++

(suelo)(suelo)

EstanqueEstanque

Fijación Fijación BacterianaBacteriana

Muerte yMuerte y

descomposicióndescomposición

Amonificación, Amonificación, etc.etc.

SedimentosSedimentos

RestosRestos

Difusión, Difusión, Respiración, Respiración,

DesnitrificaciónDesnitrificación DesnitrificaciónDesnitrificación

Producción y ExplotaciónProducción y Explotación

• ProducciónProducción– Factores limitantes:Factores limitantes:

• PP terrestrePP terrestre: CO: CO22, Radiación, Precipitación, T, Nutrientes, , Radiación, Precipitación, T, Nutrientes, ISF,...ISF,...

• PP acuáticaPP acuática: luz, nutrientes: luz, nutrientesUn exceso de nutrientes provocaría una Un exceso de nutrientes provocaría una

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

• Explotación HumanaExplotación Humana– Explotación sostenible de los recursosExplotación sostenible de los recursos– Contaminación con productos usados para mejorar el Contaminación con productos usados para mejorar el

rendimiento de la explotaciónrendimiento de la explotación

IAASIAAS

• Los sistemas integrados de Los sistemas integrados de agricultura/agricultura (IAAS) son un método agricultura/agricultura (IAAS) son un método sostenible de producciónsostenible de producción

• Los deshechos de un componente del sistema se Los deshechos de un componente del sistema se reciclan como entradas para otro componentereciclan como entradas para otro componente

• Por esto, IAAS se pueden usar para:Por esto, IAAS se pueden usar para:Tratar salidas (deshechos) de la acuiculturaTratar salidas (deshechos) de la acuiculturaIncrementar la producciónIncrementar la producciónReducir la pérdida de nutrientes del sistemaReducir la pérdida de nutrientes del sistema

IAASIAAS

¿Por qué desarrollar un modelo para un IAAS?¿Por qué desarrollar un modelo para un IAAS?Para IAAS no resulta factible realizar experimentos de campoPara IAAS no resulta factible realizar experimentos de campo

Límites en los modelos existentes de sistemas integradosLímites en los modelos existentes de sistemas integrados• Carencia de propiedades dinámicasCarencia de propiedades dinámicas

• Exclusión de componentes importantes del sistemaExclusión de componentes importantes del sistema

Limitan su extensibilidad y utilidad en el análisis Limitan su extensibilidad y utilidad en el análisis ecológicoecológico

B. Exposición del ModeloB. Exposición del Modelo1.1. Visión general del modeloVisión general del modelo2.2. Componentes y Procesos del módulo agrícolaComponentes y Procesos del módulo agrícola

a)a) Submódulo cosecha terrestreSubmódulo cosecha terrestreb)b) Submódulo suelo terrestreSubmódulo suelo terrestre

3.3. Componentes y Procesos del módulo acuícolaComponentes y Procesos del módulo acuícolaa)a) Crecimiento de los pecesCrecimiento de los pecesb)b) Población de pecesPoblación de pecesc)c) Toma de alimento y preferenciaToma de alimento y preferenciad)d) Calidad del alimentoCalidad del alimentoe)e) Biomasa del fitoplanctonBiomasa del fitoplanctonf)f) Calidad del aguaCalidad del aguag)g) Dinámicas del la materia orgánica y el nitrógeno sedimentados en el Dinámicas del la materia orgánica y el nitrógeno sedimentados en el

estanqueestanque

4.4. Calibración del modeloCalibración del modelo

1. Visión general del modelo1. Visión general del modelo

Nitrógeno:Nitrógeno:

Nutriente limitanteNutriente limitante

Conexión entre los Conexión entre los sistemas agrícola y sistemas agrícola y

acuícolaacuícola

Papel central en el Papel central en el reciclado de nutrientesreciclado de nutrientes

Materia orgánicaMateria orgánica

1. Visión general del modelo1. Visión general del modelo

Agua del estanque de Agua del estanque de acuiculturaacuicultura

Sedimentos del estanque Sedimentos del estanque de acuiculturade acuicultura

CosechaCosecha

SueloSuelo

ReclutamientReclutamiento Siegao Siega

FertilizanteFertilizante NutrientesNutrientes

Pérdida por infiltración

IrrigaciónIrrigaciónNutrientes Nutrientes

y aguay agua

SedimentoSedimento

Resedimentación Resedimentación ResuspensiónResuspensión

DifusiónDifusión

EntradasEntradas

NutrNutr.

Fert

iliz

ant

Fert

iliz

ant

ee

Fert

iliz

ant

Fert

iliz

ant

ee

SalidasSalidas

2. Componentes y Procesos del 2. Componentes y Procesos del Módulo AgriculturaMódulo Agricultura

Simula:Simula:– Crecimiento de biomasa de la cosechaCrecimiento de biomasa de la cosecha

– [Mat. Org.] y [N] en el suelo[Mat. Org.] y [N] en el suelo

– Pérdida de agua por parte del suelo (evapotranspiración)Pérdida de agua por parte del suelo (evapotranspiración)

Dos submódulos principales:Dos submódulos principales:

SueloSuelo CosechaCosecha

2.1 Submódulo Cosecha2.1 Submódulo Cosecha

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

Disponibilidad de Disponibilidad de agua en el sueloagua en el suelo

Temperatura del aireTemperatura del aire

Radiación solarRadiación solar [N] en el suelo[N] en el suelo

2.2. Submódulo Suelo2.2. Submódulo Suelo

Simula:Simula:– [Mat. Org.] y [N] del suelo[Mat. Org.] y [N] del suelo– Balance de agua en el sueloBalance de agua en el suelo

2.2. Submódulo Suelo2.2. Submódulo Suelo

Materia Orgánica y NitrógenoMateria Orgánica y Nitrógeno

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

2.2. Submódulo Suelo2.2. Submódulo Suelo

Balance de agua en el suelo:Balance de agua en el suelo:– Tasa de evapotranspiraciónTasa de evapotranspiración– Tipo de sueloTipo de suelo

• ArcillaArcilla

• MargaMarga

– Contenido hídricoContenido hídrico

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

3. Componentes y Procesos del 3. Componentes y Procesos del Módulo AcuiculturaMódulo Acuicultura

Dos submódulos:Dos submódulos:

– Materia Orgánica Materia Orgánica SedimentadaSedimentada

– Nitrógeno SedimentadoNitrógeno Sedimentado

Agua del estanque de Agua del estanque de acuiculturaacuicultura

Sedimentos del estanque Sedimentos del estanque de acuiculturade acuicultura

– Crecimiento y Población Crecimiento y Población de Pecesde Peces

– Calidad de los nutrientesCalidad de los nutrientes

– Biomasa de FitoplanctonBiomasa de Fitoplancton

– Calidad del aguaCalidad del agua

3.1. Crecimiento de los Peces3.1. Crecimiento de los Peces

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

Modificaciones:Modificaciones: Calidad de los nutrientesCalidad de los nutrientes Preferencia de alimento y digestibilidadPreferencia de alimento y digestibilidad Factor para diferencias genéticas con otras especiesFactor para diferencias genéticas con otras especies

* Cría de los Peces* Cría de los Peces

3.2. Población de Peces3.2. Población de Peces

nrecolecciómuertessnacimientopoblacióndt

dP

• La recolección se hace al final del periodo productivoLa recolección se hace al final del periodo productivo

• Población, nacimientos y recolección son iguales a 0 Población, nacimientos y recolección son iguales a 0 durante el periodo de produccióndurante el periodo de producción

• No se simula la estructura de edades de la población. Los No se simula la estructura de edades de la población. Los efectos de las recolecciones en la K se incluyen efectos de las recolecciones en la K se incluyen implícitamente en el modelo bioenergético de crecimiento implícitamente en el modelo bioenergético de crecimiento de los pecesde los peces

3.2. Población de Peces3.2. Población de Peces

nrecolecciómuertessnacimientopoblacióndt

dP

= Tasa de mortalidad (d= Tasa de mortalidad (d–1–1))

PPa a = Población permisible por la = Población permisible por la

dirección (Peces · hadirección (Peces · ha–1–1) *) *

PP = Población de peces en el tiempo = Población de peces en el tiempo tt

* P* Paa se calibra basándose en los datos de se calibra basándose en los datos de

supervivencia de la primera recolecciónsupervivencia de la primera recolección

P

P

PP

dt

dP

a

a MortalidadMortalidad

– Alta [NHAlta [NH33] no ionizado] no ionizado

– Bajas DOBajas DO

– DepredaciónDepredación

– Pobre manejo durante Pobre manejo durante el muestreoel muestreo

– EnfermedadEnfermedad

3.2. Población de Peces3.2. Población de Peces

3.3. Toma de alimento y preferencia3.3. Toma de alimento y preferencia

Herbívoros en condiciones naturales:Herbívoros en condiciones naturales:Fitoplancton > Detritos > Alim. SuministradoFitoplancton > Detritos > Alim. Suministrado

Pero esto puede verse modificado por:Pero esto puede verse modificado por:– Calidad del alimentoCalidad del alimento– Fisiología de los pecesFisiología de los peces– Comportamiento de aprendizajeComportamiento de aprendizaje

3.3. Toma de alimento y preferencia3.3. Toma de alimento y preferencia

Tasa de toma de alimento:Tasa de toma de alimento:

ii

ii cKs

cRr

rrii = Tasa de toma de = Tasa de toma de ii (g · d (g · d–1–1))

RR = Tasa total de consumo (g · d = Tasa total de consumo (g · d–1–1))

KsKsii = Cte saturación media; = Cte saturación media; ccii = [ = [ii] (mg · L] (mg · L–1–1))

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

Coeficientes y Factores de consumo de alimentoCoeficientes y Factores de consumo de alimento

3.3. Toma de alimento y preferencia3.3. Toma de alimento y preferencia

Coeficientes de consumo de alimentoCoeficientes de consumo de alimento

aClfKs

aClfCCF

F

aguaD

agua

DKs

DCCD

Factores de consumo de alimento:Factores de consumo de alimento:

Tasas de consumo de alimento:Tasas de consumo de alimento:

CCFFCF

CCDFCFFCD 1

FCFRrF FCDRrD FCARrA

FCDFCFFCA 1

3.4. Calidad del alimento3.4. Calidad del alimento

Relación N/CRelación N/C Costes metabólicos por Costes metabólicos por

degradación de compuestos de Ndegradación de compuestos de N NN >>> >>> CC

NN <<< <<< CCDieta pobre en proteínas o Dieta pobre en proteínas o

inadecuadainadecuada

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

es frecuentees frecuente

3.5. Biomasa de Fitoplancton3.5. Biomasa de Fitoplancton

3.6. Calidad del Agua3.6. Calidad del Agua

• Cantidad de Materia OrgánicaCantidad de Materia Orgánica

• Oxígeno disuelto (DO) (limitante)Oxígeno disuelto (DO) (limitante)

• Nitrógeno en forma de NHNitrógeno en forma de NH33 total (tóxico a altos total (tóxico a altos

niveles)niveles)

3.6. Calidad del Agua3.6. Calidad del Agua

Materia OrgánicaMateria Orgánica

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

– La descomposición está influida por la temperaturaLa descomposición está influida por la temperatura

3.6. Calidad del Agua3.6. Calidad del Agua

Oxígeno Disuelto (DO):Oxígeno Disuelto (DO):

Oxidación de NHOxidación de NH3 3 (nitrificación), (nitrificación),

CHCH44 y H y H22SS

Bacterias

3.6. Calidad del Agua3.6. Calidad del Agua

NHNH33 total sedimentado total sedimentado

3.7. Dinámicas de Materia Orgánica 3.7. Dinámicas de Materia Orgánica y el N sedimentadosy el N sedimentados

Procesos:Procesos:– Materia Orgánica: DescomposiciónMateria Orgánica: Descomposición

Capa aeróbica, oxígeno dinámicoCapa aeróbica, oxígeno dinámico Hasta 1 mmHasta 1 mm

Zona anaerobia, Zona anaerobia, descomposición más lentadescomposición más lenta

> 1 mm

– N: Adsorción de NHN: Adsorción de NH33 al sedimento al sedimento

– Sedimento mineralSedimento mineralCarencia de información en su aporte, aunque en él se Carencia de información en su aporte, aunque en él se producen también procesos de difusión, infiltración, producen también procesos de difusión, infiltración, desnitrificación y adsorción de NHdesnitrificación y adsorción de NH33

4. Calibración del Modelo4. Calibración del Modelo

Sólo se calibró el módulo de acuiculturaSólo se calibró el módulo de acuicultura

Procedimiento:Procedimiento:

Poner en marcha el Poner en marcha el modelo con datos modelo con datos

observadosobservados

Comparar las Comparar las salidas del modelo salidas del modelo con las observadascon las observadas

Retocar el modelo hasta Retocar el modelo hasta conseguir el ajusteconseguir el ajuste

4. Calibración del Modelo4. Calibración del Modelo• Se calibró primeramente cada submódulo individualmenteSe calibró primeramente cada submódulo individualmente

• Datos proporcionados por el PD/A CRSP, obtenidos de 7 lugares Datos proporcionados por el PD/A CRSP, obtenidos de 7 lugares del mundodel mundo

• Finalmente se eligieron los datos de la Finalmente se eligieron los datos de la Rwasave Fish Culture Rwasave Fish Culture StationStation, Butare, Rwanda, Butare, Rwanda

• 2,4º S y 29,45º E; 1.625 m de altitud2,4º S y 29,45º E; 1.625 m de altitud

• Clima tropical húmedo, humedad mensual 59-83%Clima tropical húmedo, humedad mensual 59-83%

• Agua del estanque a pH 6,5-7,0Agua del estanque a pH 6,5-7,0

• Alcalinidad: 17 mg · LAlcalinidad: 17 mg · L–1–1 como CaCO como CaCO33

• Suelos acídicos (pH = 4,5-4,8), etc.Suelos acídicos (pH = 4,5-4,8), etc.

• Se eligieron estos datos porque eran los únicos en los que se Se eligieron estos datos porque eran los únicos en los que se habían usado los restos de plantas como fertilizantes para el habían usado los restos de plantas como fertilizantes para el estanqueestanque

C. Conclusiones y MejorasC. Conclusiones y Mejoras

• La integración de agricultura y acuicultura es interesante para La integración de agricultura y acuicultura es interesante para ecólogos, agricultores y acuicultores por:ecólogos, agricultores y acuicultores por:– Producción sostenibleProducción sostenible

– Mitigación de impactos medioambientalesMitigación de impactos medioambientales• Fertilizantes de plantasFertilizantes de plantas

• Sedimentos del estanqueSedimentos del estanque

• Sólo podemos obtener estos beneficios conociendo las Sólo podemos obtener estos beneficios conociendo las interacciones entre los modelos, procesos y mecanismos que interacciones entre los modelos, procesos y mecanismos que controlan el funcionamiento del sistema integradocontrolan el funcionamiento del sistema integrado

• Inclusión de los sedimentos en los cálculos:Inclusión de los sedimentos en los cálculos:– Papel en la calidad del agua del estanquePapel en la calidad del agua del estanque

– Papel en el reciclaje para acuiculturaPapel en el reciclaje para acuicultura

*Importancia Económica de la Tilapia*Importancia Económica de la TilapiaPrincipales acuicultores de tilapia (1998)Principales acuicultores de tilapia (1998) Principales exportadores a los EE UU (1998)Principales exportadores a los EE UU (1998)

*Importancia Económica de la Tilapia*Importancia Económica de la Tilapia

*Importancia Económica de la Tilapia*Importancia Económica de la Tilapia

* Páginas web de interés* Páginas web de interés

http://pdacrsp.oregonstate.eduPond Dynamics/Aquaculture Collaborative Research Support Program Pond Dynamics/Aquaculture Collaborative Research Support Program

(PD/A CRSP)(PD/A CRSP)

http://biosys.bre.orst.edu/pond/pond.htmModelo PondModelo Pond

* Páginas web de interés* Páginas web de interéswww.cichlidae.info/default-es.html

Artículos de cría de diferentes especies de peces. En españolArtículos de cría de diferentes especies de peces. En español

www.fao.org/fi/alcom/asd.htmlBase de datos de distribución de especies acuáticas para críaBase de datos de distribución de especies acuáticas para cría

www.ag.augburn.edu/icaae/reprobiology.htmWater Harvest and Aquaculture for Rural Development. Muchas referencias al ciclo de vida Water Harvest and Aquaculture for Rural Development. Muchas referencias al ciclo de vida y comportamientos de la y comportamientos de la Oreochromis niloticusOreochromis 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 Programa para buscar la localización geográfica de algo, y su aplicación en el caso de los peces para críapeces para cría

www.new-agri.co.uk/98-5/focuson/focuson6.htmlIntegración Agricultura-AcuiculturaIntegración Agricultura-Acuicultura

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www.icelandic.com/ss-tilapia-cfmSobre la tilapia. Aristóteles (300 a.C.) le dio su nombre a la tilapia, que significa “pez del Sobre la tilapia. Aristóteles (300 a.C.) le dio su nombre a la tilapia, que significa “pez del Nilo”Nilo”

www.cmaquarium.org/tilapic.htmwww.prompex.gob.pe/prompex/Inf_Sectorial/Pesca/Perfil_Tilapia/Tilapia.htm

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

Circulación de NutrientesCirculación de Nutrientes

ProductoresProductores

((FitoplanctonFitoplancton))

Cons 1ºCons 1º

(Peces)(Peces)

Mat. Org. Mat. Org. MuertaMuerta

DescomponedoresDescomponedores

((SedimentoSedimento))

Cosecha Cosecha terrestreterrestre

Materia Materia OrgánicaOrgánica