Flujos verticales de carbono orgánico e inorgánico particulado en

Flujos verticales de carbono orgánico 411
28 Flujos verticales de carbono
orgánico e inorgánico particulado
en Cuenca Alfonso, Bahía de La Paz,
y comparación con otros ambientes
en el norte de México
N. Silverberg, F. Aguirre Bahena, M.Y. Cortés-Martínez
y F.J. Urcádiz-Cázares
Introducción
La sedimentación del carbono particulado fuera de la capa superficial del
océano donde es producido, es una porción importante del ciclo global del
carbono. La formación de grandes agregados biogénicos permite que una
parte del carbono fijado por el fitoplancton se desplace a mayores profundidades mediante su rápido hundimiento (Fowler y Knauer 1986). La materia
orgánica provee el substrato para la subsiguiente producción por las bacterias
planctónicas y otros organismos en las capas más profundas así como en el
bentos. Su remineralización es responsable del reciclamiento de nutrientes
esenciales, los cuales pueden regresar a la zona fótica vía surgencias y mezcla
y, así, mantener la producción primaria nueva (Eppley y Peterson 1979). La
materia orgánica es consumida y el carbono regenerado pero, dependiendo
de la profundidad alcanzada por las partículas en sedimentación, el carbono
asociado puede ser “secuestrado” de la atmósfera por décadas, siglos o miles
de años antes de que regrese a la superficie y vuelva a estar en equilibrio con
la atmósfera. El carbono orgánico (Corg) enterrado, junto con los sedimentos
que se acumulan geológicamente, es secuestrado por muy largos periodos
antes de regresar a la atmósfera.
Otro mecanismo para transportar el carbono es el hundimiento de las
partes duras de los organismos que utilizan carbonato de calcio (CaCO3) para
411
412 Flujos de carbono
formar sus esqueletos. La secreción de CaCO3 por el plancton involucra la
liberación de CO2 (Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3 + CO2 + H2O), lo cual minimiza
la influencia sobre la reducción de la concentración atmosférica. Claramente
hay una transferencia de Cinorg hacia el fondo en forma de CaCO3, pero las
complejas relaciones entre los cambios en la alcalinidad y el pH de las aguas
superficiales, así como la disolución de carbonatos en los sedimentos marinos
y meteorización de las rocas continentales y la descarga de los ríos, influyen
en la composición del atmósfera a largo plazo (Archer 2003, Ridgwell y Zeebe
2005).
En los sedimentos marinos los procesos biogeoquímicos de remineralización de materia orgánica proveen casi toda la energía para las transformaciones químicas involucradas en la diagénesis temprana (Silverberg et al.
2000). Debido a que no todo el carbono es preservado en los sedimentos, es
necesario un mejor entendimiento de sus flujos en el agua para interpretar el
cambio climático en el registro paleoceanográfico.
Los registros de series de tiempo de los flujos verticales de carbono en
los océanos del mundo no son abundantes. En esta contribución se presenta
información obtenida recientemente de la más grande intrusión del mar
sobre la costa oriental de la Península de Baja California y se relaciona con
los resultados publicados en otros ambientes marinos en el norte de México
y otras regiones.
Metodología
Trabajo de campo
La recolecta de muestras de series de tiempo se llevó a cabo por medio de una
trampa de sedimentos Technicap PPS 3/3 (de 0.125 m2 de área de abertura
y una relación díametro:altura de 4.5) que se instaló en la Cuenca Alfonso
(24°39’N; 110°36’W), depresión localizada al norte de la Bahía de La Paz (fig.
1) con una profundidad aproximada de 410 m. La trampa se ancló a 50 m del
fondo marino mediante un peso de 500 kg que tenía acoplado un liberador
acústico. En el extremo opuesto se colocaron tres boyas de 160 kg, hundidas
a 310 metros, con la finalidad de mantener la trampa vertical. Además, ésta
se sujetó con una línea de polipropileno de ¾ de pulgada de grosor y de 1 km
de longitud, en cuyo extremo opuesto se ató un peso muerto de 50 kg. Para
facilitar la recuperación de la trampa se registró su posición geográfica, así
como la del peso muerto de 50 kg.
Flujos verticales de carbono orgánico 413
Figura 1. Mapa batimétrico de la Bahía de La Paz y la localización de la trampa de
sedimentos. Modificado de Nava-Sánchez et al. (2001)
La trampa consta de un carrusel con motor y 12 botellas recolectoras. El
tiempo de recolecta por botella fue de 7–9 días. Excepcionalmente, por motivos de tiempo de barco, los intervalos de muestreo fueron de 14–15 días. La
recuperación se llevó a cabo inicialmente por medio del liberador acústico o,
por si éste no funcionaba, el barco navegaba sobre la línea de un kilómetro
arrastrando un gancho para izar la trampa. El anclaje fue instalado y subsecuentemente recuperado y reinstalado en enero, abril, julio y noviembre de
2002: en febrero, agosto y noviembre de 2003; en marzo y septiembre de 2004,
y en febrero y agosto de 2005.
414 Flujos de carbono
Trabajo de laboratorio
Solución preservadora
Las muestras se conservaron usando una solución preservadora preparada de
la siguiente manera: para aproximadamente 5 litros de solución se disuelven
7.5 g de tetraborato de sodio (Na2 B4 O7•10H2O) en 250 ml de formaldehído
al 37%. Esta solución se adiciona a 4.5 l del agua de mar previamente filtrada
(0.45 µm) e incrementada su densidad añadiendo de 5 a 7 g l-1 de NaCl de alta
pureza, hasta alcanzar una salinidad de ~40. El pH de las muestras se mantuvo alrededor de 8, aun después de 6 meses en el mar. Inicialmente se utilizó
NaH2PO4•H2O y Na2HPO4 como agente amortiguador y las mediciones del
pH de las muestras recolectadas estuvieron en un intervalo de 6 a 6.5, lo que
posiblemente causó disolución parcial de los esqueletos calcáreos de ciertos
organismos planctónicos.
Tratamiento de las muestras recolectadas
Con el fin de eliminar los “nadadores”, que convencionalmente no se consideran como parte del flujo de partículas, todas las partículas de cada muestra
fueron separadas con un tamiz de luz de malla de 1000 µm. Posteriormente,
las muestras se dividieron mediante un fraccionador rotativo para proveer 10
submuestras iguales, recolectándose en tubos de 50 ml.
Determinación del f lujo de masa total
Cuatro submuestras recolectadas en tubos previamente limpiados con ácido
y pesados fueron centrifugadas para eliminar la solución preservativa por
decantación. A continuación las muestras se lavaron dos veces con agua desmineralizada para disolver las sales y se centrifugaron nuevamente eliminando el
sobrenadante. Las muestras se secaron durante al menos 72 horas a ~50 °C en
un horno, pesándolas posteriormente en una balanza analítica. El peso seco se
calculó por la diferencia entre los tubos vacíos y con muestra. El error máximo
de variación de los cuatro tubos fue desde 1% hasta 10%. Una vez pesadas, las
submuestras fueron reunidas y homogenizadas, moliéndolas en un mortero
de ágata, y guardadas en un desecador para los análisis subsecuentes.
El cálculo de los flujos de masa total (FMT) se realizó mediante la
ecuación:
Flujos verticales de carbono orgánico 415
FMT = (P × 10 × 8)/T
donde P es el peso medio de los cuatro tubos (en gramos) multiplicado por 10, ya
que cada tubo representa un décimo de la muestra, y multiplicando por 8 debido
a que la abertura de la trampa es de un 0.125 (1/8) m2 y por último, dividido
entre el número de días (T) que estuvo la botella recolectando material.
Determinación del carbono orgánico e inorgánico
El contenido de carbono fue analizado por coulometría en el Laboratorio
de Química del Océano del Instituto Shirsov de Oceanología de la Academia
de Ciencias, en Moscú. La determinación de Ctot y Corg se basó en la combustión rápida de dos submuestras (con y sin tratamiento de HCl) en una estufa
tubular a 850°C usando oxígeno como gas transportador. El CO2 producido
fue transportado por el flujo de oxígeno a una celda Coulomb del analizador
AN-7529, donde fue absorbido por una solución de BaOH con pH controlado. El contenido de carbono de cada submuestra fue calculado a partir de los
datos de la titulación de la solución de BaOH final. El Cinorg (esencialmente
en la forma de CaCO3) fue determinado por la diferencia entre Ctot y Corg
(Ljutsarev 1987). La exactitud del método fue controlada usando sedimento
estándar (SDO–2) y la precisión fue determinada por una serie de muestras
que se analizaron por triplicado obteniendo un error estándar de ± 8.5% para
el Ctot y Corg y de 10% para el Cinorg.
Análisis de cocolitos
Para la determinación del nanoplancton calcáreo se dividió nuevamente
una submuestra usando un fraccionador rotativo Laborette 27 para obtener
una fracción de 3/9000 ó 2/9000, dependiendo de la cantidad de material en
la muestra (para detalles ver Urcádiz–Cázares, 2005). La fracción restante se
almacenó para análisis posteriores.
Los pelotillas fecales y otras partículas mayores fueron disgregadas por un
método no destructivo (oxidación química de materia orgánica con NaClO al
10% y H2O2). Una vez preparada la muestra se procedió a su filtración utilizando membranas de Nucleopore® (policarbonato). Las membranas se pusieron
a secar y se almacenaron en cajas de Petri (Bairbakhish et al. 1999).
Para las observaciones en el microscopio electrónico de barrido (MEB)
se tomó una sección del filtro, se montó en un sujetador de muestras al que
416 Flujos de carbono
previamente se añadió una gota de alcohol, sellando los alrededores con plata
líquida. Una vez seco se cubrió con una lámina de Au-Pt de 15 Å. De cada
muestra se tomaron automáticamente 1500 imágenes usando un MEB Philips
XL30 en el Instituto de Geología del ETH (Instituto Federal Suizo de Tecnología)-Zurich. Las imágenes fueron descargadas vía Internet desde el servidor
del ETH, archivadas en discos compactos y procesadas en una computadora
personal en la UABCS utilizando el programa AnalySIS®. Todas las muestras
fueron rastreadas a una magnificación de 2000×.
En cada muestra se identificaron y cuantificaron todos los cocolitos a
nivel especie. Posteriormente se procedió a calcular el flujo proporcional de
cocolitos con la siguiente fórmula:
Fc =
N A fs
a t At
donde Fc es el flujo de cocolitos por día, N el número de cocolitos contados,
A el área efectiva de filtración, fs la fracción analizada de la muestra original,
a el área analizada del filtro, t corresponde al tiempo de apertura de recolecta
o muestreo en días y At es el área de la apertura de la trampa.
La cantidad aproximada de CaCO3 aportado por los cocolitos se calculó utilizando la fórmula V= ks l3, donde ks corresponde a una constante de proporción
que varía entre 0.01 y 0.08 en función de cada especie (Young y Ziveri 2000)
y l es la longitud (largo) del cocolito. Ésta se obtuvo por mediciones directas
en las imágenes escaneadas en el MEB. Para obtener la masa, el volumen fue
multiplicado por la densidad de la calcita (2.71 pg µm-3) y la masa se multiplicó
por el flujo de cocolitos para determinar el flujo de masa de cocolitos.
Resultados
Flujo de masa total
Los flujos de masa total (fig. 2a) muestran variaciones significativas tanto entre
meses como entre semanas, con un mínimo de 0.06 g m-2 d-1 y un máximo
de 3.88 g m-2 d-1, lo que representa una diferencia por un factor de casi 60.
Estacionalmente los flujos mínimos se observan en primavera y en menor
medida en invierno. Generalmente se presentaron picos en la magnitud de los
flujos durante el otoño e inicio de invierno. Los flujos más intensos aparecen
Flujos verticales de carbono orgánico 417
Figura 2. Flujos de (a) masa total (en g m-2 d-1) y (b) carbono orgánico (en mg m-2 d-1) del
material recolectado por una trampa de sedimentos durante una serie de tiempo de enero
de 2002 a noviembre de 2005 en la Cuenca Alfonso, Bahía de La Paz. La línea horizontal
representa el promedio
claramente en las semanas finales del verano de 2003. En este último periodo la región estuvo bajo la influencia de los huracanes Ignacio y Marty, del
22 al 27 de agosto y del 18 al 24 de septiembre, respectivamente. Es notorio
que la influencia de los huracanes perdura por más de una semana, ya que
418 Flujos de carbono
Figura 3. Contenido (% de la masa total) de (a) carbono orgánico y (b) carbono inorgánico
del material recolectado por la trampa de sedimentos en la Cuenca Alfonso
el periodo siguiente al huracán recolectó casi la misma cantidad de material.
Durante el periodo entre estos dos eventos la magnitud de los flujos es muy
parecida al resto. El flujo medio para todo el periodo de estudio fue de 0.76 g
m-2 d-1, lo que representa un flujo de 278 g m-2 año-1. En cuanto a la variación
anual, es notorio un decremento por debajo del promedio general en el FMT
durante 2005.
Flujos verticales de carbono orgánico 419
Carbono orgánico
Los flujos y las concentraciones de Corg se presentan en las figuras 2b y 3a,
respectivamente. La gama de las contribuciones fue más estrecha que las otras
variables, con una media de 5.4% y un intervalo de 2.1 a 11.5%. Durante los
periodos asociados a los dos huracanes mencionados ocurrió un conjunto
de valores mínimos. Por el contrario, los valores más altos, particularmente
durante la primavera de 2004 pero también durante casi todo 2005, parecen
con frecuencia estar asociados con flujos bajos de masa total.
Los flujos de Corg varían más que sus porcentajes, influenciados por la amplitud del FMT. El intervalo de variación fue de 6.5 a 105.6 mg m-2 d-1 con un promedio de 38 mg m-2 d-1. Los flujos de Corg más bajos se determinaron a mediados
de marzo y durante abril de 2002, a finales de abril y en mayo de 2003, en junio
de 2004 y en febrero de 2005. Los flujos máximos calculados se presentaron en
diciembre de 2002, 2003 y 2004. Adicionalmente el periodo influenciado por
los huracanes en el verano de 2003 también mostró flujos altos. A través de los
años ocurren valores altos esporádicos, como los de febrero de 2002.
Carbono inorgánico
La media del porcentaje de Cinorg fue de 2.37%. El intervalo (0.85–5.47%)
mostró una variación por un factor de 6.5 a través del tiempo. De nuevo, se
obtuvieron valores relativamente bajos durante el periodo influenciado por
los huracanes en 2003. No se observó un patrón estacional claro. Sin embargo,
hay una tendencia de alternar entre valores altos y bajos a intervalos de 3 a
4 meses. A partir de 2004 los porcentajes de Cinorg aumentaron considerablemente pasando de alrededor de 1.8% a más de 4.5%
En cuanto a los flujos de Cinorg, el intervalo estuvo entre 2.9 a 63.6 mg m-2
-1
d , con una media de 17.3 mg m-2 d-1 (fig. 4a). El Cinorg también sigue el patrón
de FMT pero, a causa de las altas concentraciones, los flujos muestran valores
máximos al final de 2005, no obstante los FMT bajos. Se reconocen valores
altos en la temporada fría con un máximo muy notable que corresponde a
los huracanes mencionados. Por otro lado, frecuentemente se presentaron los
valores mínimos en primavera y verano.
El flujo de cocolitos también presentó variaciones semanales y mensuales,
donde es posible ver un patrón estacional con flujos mínimos en primavera–verano y máximos en otoño–invierno durante los años estudiados (2002
y 2003). Los mayores flujos se registraron durante los huracanes, a finales de
420 Flujos de carbono
Figura 4. (a) Flujo de carbono inorgánico de enero de 2002 a noviembre del 2005 y
(b) porcentaje del flujo de Carbono inorgánico atribuido a los cocolitos en el material
recolectado de enero de 2002 a octubre de 2003 en la Cuenca Alfonso
agosto y en septiembre de 2003, con un pico de 128.8 × 108 cocolitos m-2 d-1
del 18 al 24 de septiembre. En promedio los flujos registrados fueron de 22
× 108 cocolitos m-2 d-1.
Flujos verticales de carbono orgánico 421
Discusión
Es claro que hay grandes fluctuaciones en los contenidos y flujos de Corg y Cinorg
en la materia en hundimiento en la Bahía de La Paz. Como las variaciones
en sus concentraciones son generalmente más pequeñas que la variación del
FMT, dominada en la Cuenca Alfonso por la fracción litogénica, los flujos de
carbono tienden a seguir la amplitud de los flujos totales. Por ejemplo, hay
variaciones estacionales e interanuales en los componentes biogénicos y un
crecimiento importante de la contribución de las dos formas de carbono en
2004 y 2005. No obstante, la regularidad de los flujos es confusa por los impactos de cambios en el régimen meteorológico (dramáticamente mostrado
por las perturbaciones asociadas con el paso de dos huracanes), cambios en la
dinámica física de las aguas en la bahía, además de los cambios sucesivos en
la estructura específica y en el tamaño de los organismos de las comunidades
del fitoplancton y del zooplancton. La información sobre el flujo de cocolitos
en 2002–2003 (fig. 4b) muestra que el hundimiento de estas placas de CaCO3
representa alrededor de 23% del flujo de Cinorg. El 88 % de este flujo estuvo
conformado por sólo tres especies. La periodicidad de los valores máximos
(3–4 meses) sugiere que el ciclo de vida de los foraminíferos también afecta
el transporte vertical de Cinorg. También se observaron conchas de pterópodos,
heterópodos, foraminíferos y ostrácodos entre el material de las trampas.
Durante los valores mínimos en junio de 2002 y 2003, el material estuvo
dominado por cadenas de diatomeas sin gran contribución de nieve marina.
Es necesario esperar los resultados de los estudios de todas las variables para
realmente entender el comportamiento del sistema.
Las grandes variaciones temporales no están limitadas a la Bahía de La
Paz, sino que se observan en varios ambientes para los cuales existen datos
de serie de tiempo. Por ejemplo, la figura 5 muestra los flujos de carbono
obtenidos en la Cuenca de Guaymas, en el Golfo de California (datos según
Thunell 1998). En la tabla 1 se comparan los promedios anuales obtenidos de
los flujos en la Cuenca Alfonso con los de la Cuenca de Guaymas, a 1500 m
de profundidad en la parte central del Golfo de California (Thunell 1998) y
la Cuenca San Lázaro, sobre la plataforma continental en el Océano Pacífico
frente a Baja California Sur (Silverberg et al. 2004), situados también al norte
de México, así como con los de cuencas de otras regiones como la Cuenca
Santa Bárbara frente a California (Thunell 1998a), la ubicada en la trinchera
Cariaco en el Caribe tropical (Goñi et al. 2003) y el Canal Laurentian del Golfo
de San Lorenzo en Canadá (Romero et al. 2000).
422 Flujos de carbono
Figura 5. Flujo de (a) carbono orgánico y (b) carbono inorgánico recolectado entre julio
de 1990 y enero de 1997 en la Cuenca de Guaymas, Golfo de California (datos tomados de
Thunell, 1998)
El árido ambiente subtropical del norte de México tiende a exhibir menores
tasas en los flujos de masa total y de Corg que en la zona templada de la Cuenca
Santa Bárbara, aunque los flujos de carbonatos son similares. Los flujos de
masa total, de Corg y particularmente los de Cinorg en la Cuenca Alfonso son
más de 2 veces mayores a los correspondientes a la Cuenca de Guaymas. En
Cariaco, con un flujo de masa total comparable a la Cuenca de Guaymas, se
Flujos verticales de carbono orgánico 423
presenta un flujo de Corg más importante y uno menor de carbonatos. Los
flujos de carbono no son tan altos en la Cuenca Alfonso como en las productivas aguas de la porción central del Golfo de California. En el Golfo de San
Lorenzo, de clima subártico, los flujos de Corg son moderados pero hay muy
poca sedimentación de carbonatos.
La confiabilidad en los datos de la Cuenca Alfonso está reforzada por una
comparación con información obtenida independientemente de estudios de
los sedimentos subyacentes, donde las variaciones a corto plazo son promediadas. Se han publicado varias tasas de acumulación de sedimentos, derivadas
Tabla 1. Flujos (g m-2 año-1) medios anuales de carbono orgánico (Corg) e inorgánico (Cinorg) y
de masa total (FMT) en diferentes cuencas marginales
Localidad (profundidad trampa m)
Corg
Cinorg
FMT
Cuenca Alfonso (350)
Cuenca de Guaymas (500)
b
Cuenca San Lázaro (330)
c
Cuenca Santa Barbara (540)
d
Trinchera Cariaco (445)
e
Canal Laurentian (150)
14
7.2
14
31.7
13.2
14
6.3
2.3
nd
6.7
1.8
0.6
278
145
139
714
148
174
a
Thunell 1998-trampa Honjo; bSilverberg et al. 2004-trampa Technicap ; cThunell 1998a-trampa Honjo;
Goñi et al. 2003-trampa Honjo; eRomero et al. 2000-trampa Technicap.
a
d
de perfiles del exceso de 210Pb en los núcleos de sedimentos de esta cuenca
(Nava-Sánchez 1997, Pérez-Cruz 2000, Rodríguez-Castañeda 2001), en los que
se presentan tasas de 0.5, 0.4, y 0.6 mm año-1, respectivamente. Suponiendo
que no hay pérdida por diagénesis y que el contenido de agua en el sedimento
es de 50%, el promedio de FMT = 290 g m-2 año-1, determinado de acuerdo a
la trampa de sedimentos, es equivalente a una tasa actual de acumulación de
sedimentos de 0.4 mm año-1.
El contenido medio de Corg y Cinorg en el material de la trampa (5.4 y 2.3%,
respectivamente) concuerda con el del material más recientemente depositado
en el piso marino (5.6 y 1.8%, a partir de González-Yajimovich 2004). A partir
de esto, es posible hacer un cálculo grueso para ilustrar el papel de la materia
particulada en la sedimentación y exportación de carbono desde las aguas
superficiales de la Bahía de La Paz. La emisión anual media a la atmósfera de
carbono en forma de CO2 generado por la población de la ciudad de La Paz,
424 Flujos de carbono
capital de Baja California Sur y único centro poblacional de importancia en
la bahía, es de 55,000 ton —suponiendo que existe una población de 200,000
habitantes y que la generación de CO2 per capita es de 1.01 ton., que fue el
promedio para todo México en 2002 (Marland et al. 2005). Los flujos anuales
medios de Corg y Cinorg en la Cuenca Alfonso son de 14.01 y 6.33 g m-2 año-1,
respectivamente. Estimando que los flujos ocurren sobre un área de 254 km2
(el área total de la bahía es de ∼2600 km2), y considerando solamente la porción
de la cuenca con un diámetro de 18 km que es la que presenta profundidades
mayores a 300 m y sobre la cual los resultados de la trampa de sedimentos
son probablemente representativos, se realizó una estimación de 3560 ton
año-1 de Corg y poco más de 1600 ton año-1 de Cinorg. El carbono total (5160
ton año-1) representa 9.4% del aporte antropogénico local a la atmósfera.
Existen muchas incertidumbres involucradas en este ejercicio, incluida la
debida a la remineralización del carbono dentro de los sedimentos y el bajo
nivel de emisiones industriales en el área, pero al menos éste provee una idea
del balance que existe en esta región.
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