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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
Phytoplankton blooms Phytoplankton blooms in estuariesin estuaries
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
Phytoplankton blooms Phytoplankton blooms in estuariesin estuaries
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))
Estação 30 - Redwood Creek, 37o33.3’N, 122o11.4’W, z= 12.8m
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)
Estação 30 - Redwood Creek, 37o33.3’N, 122o11.4’W, z= 12.8m
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
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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