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Intercepción y uso de la radiación solar por las poblaciones vegetales
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Intercepción y uso de la radiación solar por las poblaciones vegetales
dt EUR*RFABiomasand
0ddaintercepta∫
=
=
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EURdt*e*RFABiomasa i
nd
0dincidente∫
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Intercepción y uso de la radiación solar por las poblaciones vegetales
(g m-2) (MJ m-2) (g MJ-1)
EURdt*e*RFABiomasa i
nd
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La cantidad de radiación interceptada por las poblaciones vegetales en cualquier momento depende en gran medida de la Radiación Incidente y del área foliar del canopeo.
La radiación incidente es función de:
- La altura solar (latitud, día y hora)
- La atenuación de la radiación por la atmósfera (i.e. nubosidad)
Ecuador
Trópico de Cáncer (23º 27’ 30’’ N)
Trópico de Capricornio (23º 27’ 30’’ S)
Círculo Polar Ártico (66º 33’ 38’’ N)
Círculo Polar Antártico (66º 33’ 38’’ S)
12 h
12 h
12 h
12 h
12 h
Equinoccios
Solsticio de Junio
12 h
10.5 h
13.5 h
24 h
12 h
10.5 h
13.5 h
24 h
Solsticio de Diciembre
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
D E MF A MJ JA S O N
0º
10º20º
30º
40º
50º
60º
Fo
top
erío
do
(h)
Meses del Año
Variación del fotoperíodo con la latitud y la estación del año
Variación de la radiación solar con la latitud y la estación del año
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50 60
Latitud (S)
Rad
iaci
ón
dir
ect
a (M
J m
-2d
-1)
Jun-22
May-21
Abr-16
Mar-21
Feb-23
Ene-21
Dic-22
400 700
UV IR
1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6
luz
visi
ble
Rayos X Ultra-violeta(UV)
Infrarrojo(IR)
Longitud de onda
(nm)
Distribución de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre (en kcal cm-2 año-1)
Distribución de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre (en kcal cm-2 año-1)
EURdt*e*RFABiomasa i
nd
0dincidente∫
=
=
=
Índice de área foliar verde(IAF)
Fracción interceptada de RFA(FintRFA, ei)
18.01.64.38.7Plantación forestal
8.42.52.36.3Humedal
8.90.62.53.9Bosques tropicales 116.00.41.85.1Bosques templados 120.30.23.34.2Cultivos 26.00.31.02.6Bosque boreal 14.50.41.62.1Arbustal
7.20.22.42.7Tundra
15.40.33.02.5Pastizal
2.80.60.91.3Desierto
MáximoMínimoDesv. Est.MediaBioma / cobertura
1. Bosques deciduos de hoja ancha. 2. Alta proporción de cultivos de trigo y maíz.
Asner et al. 2003. Global Ecology & Biogeography
Índice de área foliar en distintos biomas o tipos de cobertura
IAF
Fin
tRF
A (
e i)
Índice de área foliar en distintos biomas o tipos de cobertura
Plantación forestalHumedal
Cultivos
Desierto
Pastizal
Tundra
Arbustal
Bosques deciduosBoreal
Tropical
Templado
Bosques siempre-verdes
Asner et al. 2003. Global Ecology & Biogeography
Eficiencia de intercepción de la radiación (ei)
−=
0i 1e I
It
(0 – 1)
(0 – 100%)
I0
Itei
1.5 m
75
2 m
1 m
0.5 m
Begon et al., Ecology 2006
El patrón vert ical de intercepción depende del tipo de comunidad
Bosque mixto Bosque de pinos
Cultivo de girasol Cultivo de maíz
Begon et al., Ecology 2006
Perfil vertical del área foliar
Altu
ra (m)
Densidad del área foliar (m2 m-3)
IAF = 6.1 IAF = 7.4 IAF = 4.6 IAF = 2.9
Fagus crenataCastanopsis
cuspidata Oryza sativa Glycine max
Monsi et al. 1973. Ann, Rev. Ecol. Syst.
)(m A)(m AF
IAF 2suelo
2total=
Índice de área foliar (IAF)
planta-2
plantas AF * )m (pl IAF δ=
hojaplanta AF*hojasNºAF = ∑=
=
=nhoja
hoja 1hojaAF
Tasa d
e Crecim
iento
(TC
, g m
-2d
-1)M
ater
ia S
eca
Acu
mu
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Sac
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Mg
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1 )Ín
dic
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rea
Fo
liar
(IA
F, m
2m
-2)
TC
20 40 60 80 100 12000
20
10
0
30
40
40
20
80
60
100
0
10
5
0
15
7
6
5
1
2
4
3
Días desde emergencia
Eficien
cia de In
tercepció
n(e
i , %)
flo
raci
ón
ei
IAF
MSacumalada
Estacionalidad del IAF, la ei y el crecimiento de una planta anual
Índice de área foliar crítico
IAF (m2 m-2)
e i(%
)
IAF (m2 m-2)T
C (
% d
el m
áxim
o)
Shibles & Weber 1965. Crop Sci.
ei = 95%TC = máxima
Glycine max
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 1 2 3 4 5 6 7
IAF
I sue
lo/ I
inci
dent
e ( )IAFk* exp −=incidente
suelo
II
Atenuación de la radiación solar
k = 0.4k = 0.6k = 0.9
k = 1.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 1 2 3 4 5 6 7
IAF
e iei = 0.95
IAF = 2
IAF = 3.3
( )IAFk* exp1 −−=ie
IAF = 5
Atenuación de la radiación solar
Atenuación de la radiación solar
Hora del día
Densidad de flujo de fotones
fotosintéticos (PP
FD
, molm
-2h
-1)Coe
ficie
nte
de a
tenu
ació
n (k
)
0
1.0
2.0
0
1
2
3
4
5
6
5 7 9 11 13 15 1917
1.5
0.5
kPPFD
Tollenaar & Bruulsema 1988. Can. J. Plant Sci.
Monsi et al. 1973. Ann, Rev. Ecol. Syst.
Fot
osín
tesi
s (g
CO
2 m
-2h-1
)
Erectófila
Planófila
Erectófila Planófila
Radiación solar (cal cm-2 min-1)
Atenuación de la radiación solar
1
2
3
1
2
3
Long, Plant, Cell and Environment (2006) 29, 315–330
Estructura y Fotosíntesis
Neta de cultivo
Loomis y Connor, 2002
Existe una tendencia decreciente en los niveles de radiación solar (al menos en ciertas regiones del globo)
Moscú (Rusia) Toravere (Rusia)
Radiación total
Radiación directa
Abakumova et al., J Clim. 1996
Esto se debería a una mayor nubosidad…
… y a una mayor presencia de aerosoles …
… que generan una menor transparencia de la atmósfera.
Abakumova et al., J Clim. 1996
Otra consecuencia del aumento de la nubosidad/aerosoles es el aumento de radiación difusa
Radiación total
Radiación directa
Radiación difusa
Abakumova et al., J Clim. 1996
Otra consecuencia del aumento de la nubosidad/aerosoles es el aumento de radiación difusa
Cambios globales simulados en la fracción difusa de la radiación PAR
Cambios globales simulados en el porcentaje de radiación difusa
Mercado et al., Nature 2009
Radiación total
Radiación directa
Radiación difusa
En síntesis, hay indicios que indican que:• está disminuyendo la radiación total• está cambiando la proporc ión de radiación difusa
¿Qué impacto tienen estos cambios sobre la acumulación de biomasa?
Abakumova et al., J Clim. 1996
¿Qué impacto tienen estos cambios sobre la acumulación de biomasa?
dt EUR*e*RFABiomasa i
nd
0dincidente∫
=
=
=
)m (MJ RFA
)m (g MS )MJ (g EUR 2-
acumulada
-2acumulada1- =
Eficiencia de uso de la radiación (EUR)
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100
RFAinterceptada (MJ m-2)
MS
acum
ulad
a(g
m-2
)
EUR
RFAinterceptada
TRANSPORTEACTIVO RECAMBIOCRECIMIENTO
CO2
Azúcares
BIOMASABIOMASA
FOTOSÍNTESIS
RESPIRACIÓN
COMPOSICIÓN
CO2
Factores que afectan la EUR
remolachaazucarera
papa
cebada
manzano
Mat
eria
Sec
a T
ota
l (t
ha-1
)
Radiación Interceptada(GJ m-2)
5
10
0
15
105 15
20
25
0
Factores que afectan la EUR: especie
EUR ≅ 1.4 g MJ-1
Monteith 1977. Philos. Trans. Roy. Soc. Lon.
0.8 – 1.2Soja
1.2 – 1.6Girasol
1.0 – 1.3Cebada
1.1 – 1.4TrigoC3
1.7 – 2.0Caña de azúcar
1.2 – 1.4Sorgo
1.6 – 1.7MaízC4
EUR (g MJ-1)Especies
Factores que afectan la EUR: fotosíntesis
Distribución global de pastos C3 y C4 en sabanas y pastizales
Ehleringer et al. 2005. A history of atmospheric CO2 and its effect on plants, animals, and ecosystems.
C3Monocots
C3Dicots
C4 - NADPMonocots
C4 - NADPMonocots
SAV
ANA
SSAVAN
AS
PASTIZALES
incremento de temperatura
fueg
o - d
istu
rbio
s
hum
edad
, som
breo hum
edad, sombreo
fuego - disturbios
Gradientes que influencian el reemplazo de especies C3 y C4
Ehleringer et al. 2005. A history of atmospheric CO2 and its effect on plants, animals, and ecosystems.
Maíz
Arroz
Soja
Nitrógeno foliar (g m-2)
EU
R (
g M
J-1 )
Factores que afectan la EUR: fotosíntesis
Sinclair & Horie 1989. Crop Sci.
Arquitectura: Cambios de EURControl: símbolos abiertosFrutos removidos: símbolos Cerrados
Sadras 1996 Field Crops Research 48
Factores que afectan la EUR: costos de síntesis
2.12Lignina
1.21Hidratos de Carbono
2.47Proteína
3.03Lípidos
(g glucosa / g compuesto)
1.93Soja
2.22Girasol
1.39Maíz
Se necesitan(g de glucosa)
Producir 1 gramo de
Factores que afectan la EUR: ontogenia
RFAinterceptada (MJ m-2)
Bio
mas
a T
otal
(g
m-2
)
Floración
Inicio delcrecimiento
activo
1.20Post-antesis
(e4)
3.05Crecimiento activo(e2 – e3)
1.10Establecimiento
(e1)
EUR(g MJ-1)
Helianthus annuus
De: Trapani et al. 1992. Field Crops Res.
INC
INC
F
F
Valores medidos en un cultivo de cebada en Inglaterra. Se sembró el 18 de marzo y se cosechó el 21 de agosto
Las plantas respiran una alta proporción del carbono que fijan
Antesis
