Environmental Modelling & Software 17 (2002),

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

2 Resumen Marco Teórico Exposición del Modelo Conclusiones y Mejoras

3 A. Marco Teórico Flujo de Energía, Cadenas Tróficas
Ciclos de materia (N) Producción Depredación (humana): Explotación de poblaciones animales y vegetales

4 Difusión, Respiración, Desnitrificación
Ciclo del N N2 Atmosférico Fijación Bacteriana Sedimentos Difusión, Respiración, Desnitrificación Desnitrificación NO3– y NH4+ (suelo) Muerte y descomposición Amonificación, etc. Restos Estanque Cosecha

5 Producción y Explotación
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

6 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

7 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

8 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

9 1. Visión general del modelo
Nitrógeno: Nutriente limitante Materia orgánica Conexión entre los sistemas agrícola y acuícola Papel central en el reciclado de nutrientes

10 1. Visión general del modelo
Salidas Reclutamiento Siega Fertilizante Nutrientes Cosecha Entradas Nutrientes y agua Agua del estanque de acuicultura Nutr. Irrigación Fertilizante Difusión Resedimentación Resuspensión Suelo Pérdida por infiltración Sedimento Sedimentos del estanque de acuicultura

11 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

12 Disponibilidad de agua en el suelo
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

13 2.2. Submódulo Suelo Simula: [Mat. Org.] y [N] del suelo
Balance de agua en el suelo

14 2.2. Submódulo Suelo Materia Orgánica y Nitrógeno
No todos los componentes de la materia orgánica se descomponen a la misma velocidad

15 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.

16 3. Componentes y Procesos del Módulo Acuicultura
Dos submódulos: 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 Materia Orgánica Sedimentada Nitrógeno Sedimentado

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

18 * Cría de los Peces

19 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

20 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

21 3.2. Población de Peces

22 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

23 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

24 3.3. Toma de alimento y preferencia
Coeficientes de consumo de alimento Factores de consumo de alimento: Tasas de consumo de alimento:

25 3.4. Calidad del alimento Relación N/C 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

26 3.5. Biomasa de Fitoplancton

27 3.6. Calidad del Agua Cantidad de Materia Orgánica
Oxígeno disuelto (DO) (limitante) Nitrógeno en forma de NH3 total (tóxico a altos niveles)

28 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

29 Oxidación de NH3 (nitrificación), CH4 y H2S
3.6. Calidad del Agua Oxígeno Disuelto (DO): Bacterias Oxidación de NH3 (nitrificación), CH4 y H2S

30 3.6. Calidad del Agua NH3 total sedimentado

31 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

32 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 Retocar el modelo hasta conseguir el ajuste

33 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; 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

34 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

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

36 *Importancia Económica de la Tilapia

37 *Importancia Económica de la Tilapia

38 * Páginas web de interés
Pond Dynamics/Aquaculture Collaborative Research Support Program (PD/A CRSP) Modelo Pond

39 * Páginas web de interés
Artículos de cría de diferentes especies de peces. En español Base de datos de distribución de especies acuáticas para cría Water Harvest and Aquaculture for Rural Development. Muchas referencias al ciclo de vida y comportamientos de la Oreochromis niloticus Programa para buscar la localización geográfica de algo, y su aplicación en el caso de los peces para cría Integración Agricultura-Acuicultura  pechedcndiag-rang-frec.htm Rango de frecuencias de distintas especies de peces a lo largo de la campaña de pesca Sobre la tilapia. Aristóteles (300 a.C.) le dio su nombre a la tilapia, que significa “pez del Nilo” Importancia económica de la tilapia en el mundo. Gráficas. En español

40 Circulación de Nutrientes
Productores (Fitoplancton) Cons 1º (Peces) Mat. Org. Muerta Cosecha terrestre Descomponedores (Sedimento) Materia Orgánica