Es pot imaginar la biosfera com un flux en el temps d’estructures discretes, amb unes característiques (mida, organització, relacions espacials i temporals, durada en el temps, selectivitat en les respostes a diferents entrades d’informació) que fan que llur acció sobre els fluxos de matèria i energia que les mantenen sigui de natura espectral, és a dir, distinta segons rangs o escales. És interessant tenir en compte aquest tipus de funcionament dels sistemes biològics, ja que en l’estudi dels ecosistemes es descriuen processos i fenòmens afectats per aquesta selectivitat d’acció. Es donen mesures de paràmetres i variables que no són derivables els uns dels altres si no és a través de l’acció dels organismes. D’altra banda, hi ha diferents metodologies d’estudi; l’obtenció de distintes dades pot dificultar la comparació amb altres resultats. De vegades s’utilitzen factors de conversió que posen en relació unitats diferents. Però, si aquests «factors» han d’ésser utilitzats, ha d’ésser amb molta cura, ja que representen relacions dins de sistemes concrets, varien d’un sistema a un altre i, en realitat, tenen un valor descriptiu per ells mateixos. Moltes vegades convé acompanyar les unitats transformades amb petites descripcions o notes que ens ajuden a comprendre millor quins supòsits s’han pres en el càlcul de les transformacions.
Aquest text és un marc comparatiu que facilita la confrontació de les dades dels diferents capítols. Cal tenir en compte el caràcter d’aproximació que tenen tots els factors de conversió (excepte per a les unitats físiques i químiques ben establertes), per la qual cosa s’han expressat principalment com a rangs de valors.
Temps i espai
Molts fenòmens de superfície estan implicats en les relacions d’intercanvi dels organismes. Moltes de les variables s’expressen fent referència a unitats de superfície. Igualment, el sentit de rang de durada temporal varia segons les unitats de temps utilitzades.
Energia
Irradiància és la densitat de flux de radiació incident sobre una superfície. Espectre solar és la distribució en diferents freqüències de la radiació electromagnètica emesa pel Sol. El nombre de fotons o quanta d’energia és diferent per a cada longitud d’ona i es mesura en einsteins. El pic principal d’energia emesa pel Sol es troba a 480 nm, si bé el màxim de quanta emesos es dóna als 1000 nm.
De la radiació solar, només un 30-50% travessa l’atmosfera i arriba a la superfície de la Terra: una part és reflectida, absorbida o dispersada. L’espectre és modificat, ja que l’absorció de radiació per la matèria es fa en freqüències discretes, i la dispersió de radiació per les partícules també és diferent per a cada freqüència. De vegades, la radiació es troba expressada en unitats d’il·luminació (lux), segons la sensibilitat de la visió diürna humana.
Part de l’energia rebuda en forma de radiació a la Terra és aprofitada per a la formació d’ enllaços químics en ser captada directament per interacció electroquímica (pigments, reaccions fotoquímiques), però la major part és convertida en calor i reemesa a l’espai en forma de radiació de longitud d’ona més llarga.
Una gran part s’inverteix en l’evaporació de l’aigua. Es pot considerar que els 2 m superiors d’una massa d’aigua absorbeixen la totalitat de la radiació infraroja (la meitat de la irradiància). La capacitat calorífica de l’aigua és elevada i permet mantenir una certa quantitat de calor emmagat-zemada. Hom pot calcular el balanç tèrmic d’una massa d’aigua, que és la diferència entre la quantitat màxima i mínima de calor que conté l’aigua al llarg d’un cicle anual; això dóna una idea de l’energia intercanviada amb l’entorn. L’energia emprada en l’evaporació és del mateix ordre de magnitud que el balanç tèrmic.
L’escalfament diferencial de les distintcs zones de la Terra posa en funcionament una màquina tèrmica, amb la qual l’energia és redistribuїda per acció de les cobertes fluides del planeta. Tota aquesta energia que entra en un sistema i que no és utilitzada directament per a la producció, però que està implicada en un transport que posa en contacte en un espai donat els diferents factors de producció (llum, aigua, nutrients, organismes), rep el nom d’ energia externa, auxiliar o exosomàtica. L’home mobilitza una gran quantitat d’aquesta energía i fa un gran ús de la possibilital de canalitzar-la.
Biomassa i producció
La biomassa o matèria viva d’un sistema es pot mesurar i expressar de diferents maneres: quantitat de carboni (C), pes del material fresc, pes del material sec (amb les cendres inorgàniques o sense), etc. També s’expressa en unitats d’energia, sempre que sapiguem la quantitat d’energia química fixada en la matèria orgànica, mesurada, per exemple, amb una bomba calorimètrica. La mesura de la producció primària es pot fer per mètodes de collita, d’assimilació de CO2, de producció d’O2 i per assimilació de radioisòtops. De vegades, s’estima a partir de la clorofil·la. Cal remarcar que els resultats de les estimacions són purament orientatius.
No hi ha factors precisos que permetin interconvertir les dades de biomassa o producció entre les diferents unitats. Més que factors de conversió (i sobretot en el cas d’estimacions fetes a partir de la concentració de clorofil·la o del nombre de cèl·lules) són expressió de la relació existent entre les variables en el sistema concret en què foren estudiats. Són valors de referència donats a partir de dades empíriques trobades en determinades situacions.
La producció primària, per unitat de superfície, és 3 o 4 vegades superior en els continents que en els oceans.
L'espècie humana consumeix un 0,5% de la producció primària neta de la biosfera.
L’eficiència en l’aprofitament de l’energia de radiació és menor d’1‰.
L’eficiència en la transferència d’energia entre nivells tròfics se sol considerar d’un 10%.
Clorofil·la
La quantitat de clorofil·la continguda en un organisme vegetal o en un sistema natural sol expressar-se en relació amb la superfície, pel fet que es pot imaginar que aquests pigments són una pantalla captadora de l’ener-gia de la radiació per a transferir-la a les reaccions químiques implicades en la producció. Per a la vegetació terrestre es refereix a superfície de fulla; per al fitoplàncton s’intcgrcn els valors de concentració per a una columna d’aigua de superfície unitat.
La quantitat de clorofil·la s’expressa en mg clf./m2. Per exemple, una solució de 350 mg clf./m2 absorbeix el 99% de la llum incident. És el valor que podríem considerar normal en una fulla, si bé en la vegetació esclerofil·la es poden trobar valors de 1000 o més mg clf./m2 de fulla. En els sistemes aquàtics els valors es poden trobar, com a mitjana, al voltant de 100 mg clf./m2.
L’índex foliar (relació entre la superfície de les fulles i la del sòl sobre el qual es disposen) té generalment valors compresos entre 2 i 10.
(clorofil·la / unitat superfície fulla) · índex foliar = (clorofil·la / unitat superfície terreny)
La producció primària podria estimar-se a partir de la concentració de clorofil·la, ja que sabem que per a cada centre de reacció hi ha una pantalla de captadó d’energia radiant d’uns centenars de molècules de clorofil·la (unes 300 molècules/centre), i que cal un mínim de 8 fotons per a obtenir l’energia necessària per a fixar una molècula de CO2.
La relació entre assimilació de C (g C/h) i clorofil·la (g clf.) és de 5-10, com a valors màxims. Els valors reals són més baixos (entre 0,4 i 3,7), corresponents els més grans al fitoplàncton i els més petits a la vegetació terrestre. D’altra banda, un valor orientatiu per a la producció primària neta anual seria entre 150 i 220 g C/g clf.
També es fan estimacions de la biomassa algal a partir de la clorofil·la.
Suposant un contingut de clorofil·la de l’1,5% de pes sec de matèria orgànica, l’estimació de biomassa algal seria:
67·clorofil·la (mg clf./l) = biomassa (mg MO seca/l)
Precipitació, evaporació i transpiració
L’aigua evaporada en la superfície de mar i terra ès redistribuïda pels corrents atmosfèrics i retorna en forma de precipitació.
La quantitat d’aigua que és transportada pel xilema de les plantes i evaporada a través dels estomes és aigua transpirada. Per a les plantes terrestres significa l’extracció d’aigua de nivells del sòl inferiors als que estan directament afectats per l’evaporació. Sovint, en sistemes terrestres, només podem conèixer el valor conjunt de transpiració i evaporació del sòl (evapo-transpiració) o tan sols el de transpiració.
La vegetació modifica els balanços hidrològics i energètics de la conca, per mitjà del mecanisme de transferència d’aigua i de calor a l’atmosfera que representa la transpiració. D’altra banda, la mateixa transpiració és regulada per la planta, amb relació sobretot a l’aigua disponible, i depèn, per tant, de la distribució de la precipitació i la radiació. La fulla és una captadora potent d’energia, la major part de la qual es perd en forma de radiació de longitud d’ona més llarga o per con-vecció. Si la planta disposa d’aigua, pot transpirar, la qual cosa ajuda a la dissipació de calor, gràcies a l’elevada calor latent de vaporització de l’aigua. Igualment, aquest flux d’aigua de les rels a la fulla ajuda a l’absorció i al transport pel xilema dels minerals nutritius; és en aquest sentit que podem parlar de l’energia emprada en la transpiració com d’una mesura d’energia auxiliar: apropa en l’espai els nutrients, la llum i les cèl·lules productores.
Concentració
L’aigua pot contenir diferents materials dissolts o en suspensió, com per exemple elements relatius a la composició mineral, nutrients, elements traça o contaminants. La quantitat de substàncies que porta pot expressarse de maneres diferents: com a quantitats totals de matèria que passen a través del sistema (on intervenen unitats relacionades amb el temps o les superfícies, com fluxos, cicles, balanços) i com a quantitat present instantàniament en un determinat volum (concentració, gradients).
Per a expressar la concentració de les substàncies dissoltes s’usen diferents unitats, segons el coneixement de les formes moleculars o iòniques que es presenten. Són d’ús més corrent les relacions expressades a continuació.
- En pes (massa):
- En mg/l.
- En ppm i ppb: s’usen per a certs elements, sobretot cations o elements en concentració molt baixa (traces).
- En nombre d’entitats químiques (molècules, equivalents, àtoms):
- En mols: mols/l
- En mil·liequivalents: meq/1. Pes equivalent = pes molecular/càrrega = pes molecular/núm. d’eleclrons implicats (redox) Sovint no es pot calcular perquè no se sap quina és la reacció. D’altra banda, algunes anàlisis no corresponen a una espècie química sinó a una propietat (alcalinitat, capacitat de neutralització d’àcids, oxidabilitat, etc.) i són ben definides en equivalents. Si les reaccions són de neutralització o si coneixem les càrregues elèctriques dels ions, aquesta expressió permet interpretar dades com a càrregues iòniques, fer balanços iònics, relacions entre cations i anions, o comparar les concentracions amb els valors de conductivitat.
- En ions: mg-ió/l. Aquesta expressió té un sentit similar als mols, però tant en els càlculs (pes iònic) com en el concepte fa èmfasi que es tracta d’una part (ió) d’una molècula. Es més corrent utilitzar l’expressió en equivalents o bé en «mols de l’ió» (per exemple, diem «mols de sulfat»).
- En àtoms: µg-àt/1. S’usa sobretot per a indicar el nombre d’atoms de certs elements (N i P) amb caràcter de limitants de la producció, que poden ser assimilats pels autòtrofs en diferents formes i dels quals és interessant comparar la proporció en el medi respecte de la present en la matèria viva (C:N:P ≃ 100:14:1, per al plàncton; valors superiors de C per a material vegetal —segons la quantitat de fusta—). L’expressió no pressuposa la forma molecular en què es tro-ba l’element.
Els organismes presenten una resposta fisiològica que depèn de la concentració, sovint expressada com a disponibilitat d’un compost o element. Hi ha, peró, una certa indeterminació en la definició de conceptes, perquè un excés de concentració de vegades s’entén com a càrrega (quantitat total en el balanç).
La concentració és funció alhora de les quantitats de material i de les quantitats d’aigua. Els canvis en cadascuna d’aquestes variables es poden entendre com a dependents de la situació del sistema respecte de la distribució física de les finestres de dissipació d’energia externa. Pel que fa a la concentració de substàncies, en relació amb l’estat d’organització del sistema, l’important és que, de la variabilitat en l’aportació de substàncies i aigua, en resulta una distribució espectral (diferents concentracions es presenten en freqüències diferents).
Sovint, els valors del contingut total de compostos químics o elements s’obtenen a partir de la mesura de les concentracions. Calen els valors del volum d’aigua o cabal per a fer el càlcul del balanç.
En fer interconversions d’unitats cal tenir en compte, en l’expressió final dels resultats, el nombre de xifres significatives que es poden donar.
Aquestes relacions faciliten el càlcul de les relacions entre els compostos, o bé en forma de proporcions o bé en relació amb les característiques estequiomètriques de les reaccions en què estan implicades.
- Notes
- Altres maneres d’expressar la concentració de nutrients fan referència alhora al compost químic analitzat:
mg P-PO4/1, o mg N-NH4/1,
que expressen el pes de l’element (P, N) en forma de fosfat, amoni, etc., o segons l’anàlisi de fosfats, d’amoni, etc. - Per a gasos dissolts en aigua (O2; N2; i H2 S si el pH Les transformacions d’unitats es basen en el fet que 1 mol d’un gas, en condicions normals de temperatura i pressió, ocupa 22,4 l.
Totes les unitats esmentades poden expressar-se en relació amb el pes o bé amb un component temporal o de superficie (sobretot en fer balanços): per exemple g N/g MO seca, t Ca/ha·any, kg P/m2·any.
La conductivitat elèctrica d’una solució ens dóna una aproximació important del contingut global dels ions de l’aigua. Representa la inversa de la resistivitat, és a dir, de la propietat d’un material de dificultar el pas del corrent elèctric. Els valors es donen referits a unes condicions estàndard: en aquest cas, la resistència entre les dues cares d’un cub d’1 cm de costat, i una temperatura de 25°C. La conductivitat estandarditzada depèn, doncs, del nombre i el tipus de partícules carregades elèctricament (ions) en solució i, per tant, ens dóna una idea del contingut salí o mineral d’una aigua.
- La conductivitat es mesura en S/cm
- La resistivitat es mesura en Ω/cm
Exemples de valors mínims de conductivitat serien:
- llacs pirinencs: 10 µS/cm
rius del nostre país: 150-400 µS/cm
aigua, marina: 55 mS/cm
valors superiors a 2000 µS/cm denoten aigües poc aptes per a regar.
Relació entre la conductivitat i la concentració total de substàncies:
Total de meq/l ≃ 0,01·conductivitat µS/cm
Total de mg/l ≃ 0,75·conductivitat µS/cm
Aquests valors són vàlids per a conductivitats inferiors a 1000 µS. El factor 0,75 pot variar entre 0,4 i 0,7 en aigües de 500 µS i entre 0,7 i 1 en aigües de 1000 µS.