Ministério da Ciência e Tecnologia

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1 Ministério da Ciência e Tecnologia

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3 ÍNDICE ECOLOGIA, AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL ECOLOGIA Introdução Histórico Ecossistema Ecossistemas Brasileiros Componentes e funções do ecossistema Estrutura trófica, fluxo de energia e ciclo de nutrientes Ciclo de nutrientes Pirâmides de Energia, de Números e de Biomassa Cadeias e teias alimentares DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Origem e formação dos lagos Dinâmica ambiental dos lagos O processo de eutrofização CONSERVAÇÃO DO MEIO AMBIENTE E PROTEÇÃO DE MANANCIAIS Conservação do meio ambiente Mananciais de abastecimento Principais Processos Poluidores dos Mananciais Possíveis técnicas de controle da poluição da água dos mananciais Quantidade e qualidade da água nos diferentes mananciais i

4 4. SUSTENTABILIDADE E INDICADORES DE SUSTENTABILIDADE Sustentabilidade e meio ambiente Os Caminhos da Sustentabilidade Indicadores de sustentabilidade Os Indicadores e sua Construção Modelo de indicadores de sustentabilidade para a gestão de Resíduos Sólidos Urbanos - RSU EDUCAÇÃO AMBIENTAL PARA SUSTENTABILIDADE A complexidade do mundo contemporâneo Algumas características da sociedade contemporânea Os aspectos gerais da consciência das mudanças A conceitualização do desenvolvimento sustentável global É possível alcançar um desenvolvimento sustentável global? Os novos rumos da educação ambiental na sociedade para o século XXI A superação das visões reducionistas que se manifestam na vertente ecológica e preservacionista da educação ambiental Os novos Elementos éticos PARTICIPAÇÃO AMBIENTAL NA GESTÃO MUNICIPAL A participação da população na gestão ambiental municipal Os diagnósticos no processo de participação Importância da Participação para o Planejamento do Desenvolvimento Sustentável Formação ambiental para a gestão ambiental A conscientização e a motivação ambiental Formação ambiental das autoridades para a gestão ambiental local Formação de promotores ambientais municipais Formação ambiental para a ação: todos podem contribuir BIBLIOGRAFIA ii

5 I NTRODUÇÃO À DISCIPLINA Ecologia, Ambiente e Desenvolvimento Sustentável Karina Ribeiro Salomon Dra. Engenharia Mecânica, UNIFEI Esta disciplina foi desenvolvida utilizando como material de apoio os conteúdos elaborados para o Curso de Especialização em Gestão de Recursos Hídricos UFSC/UFAL, com financiamento do CNPq, no ano de INTRODUÇÃO À DISCIPLINA OBJETIVOS DA DISCIPLINA Esta disciplina tem por objetivo apresentar e discutir seis principais temas: as definições e conceitos básicos em ecologia; os conceitos gerais de conservação do meio ambiente e dos mananciais utilizados para o abastecimento humano; os conceitos de sustentabilidade, bem como seus indicadores; os fundamentos éticos/epistemológicos da educação ambiental para a sustentabilidade; os elementos que trazem o espaço municipal para o eixo da gestão ambiental local; a importância da participação na gestão ambiental municipal. OBJETIVO DE APRENDIZADO: A base de conhecimentos que se produzirá na disciplina, além de oferecer subsídios à formação técnicas, irá auxiliar na construção de um conceito de Gestão de Recursos Hídricos que leve em conta, de forma integrada, tanto as necessidades dos processos naturais quanto dos sociais e econômicos para que se atinja a sustentabilidade nas ações dessa Gestão. 1

6 I NTRODUÇÃO À DISCIPLINA Esta disciplina está estruturada em 6 capítulos e em seus conteúdos estudaremos os principais elementos que associam o ambiente natural ao nosso ambiente social e econômico. Capítulos da disciplina Ecologia, ambiente e desenvolvimento sustentável: Ecologia; Dinâmica de lagos e reservatórios; Conservação do meio ambiente e proteção de mananciais; Sustentabilidade e indicadores de sustentabilidade; Educação ambiental para sustentabilidade; e Participação ambiental na gestão municipal. Os conteúdos tratados nos capítulos 1, 2 e 3 abordam questões referentes aos processos naturais do ambiente. Já nos capítulos 3, 4 e 5 serão abordados temas referentes aos conceitos e aos instrumentos que permitem a estruturação de ações de sustentabilidade em nossa sociedade. Para potencializar seu processo de estudo da disciplina, são definidos três instrumentos de apoio a sua construção de sínteses, de conhecimento teóricoprático e de sistematização dos aprendizados. Observe que cada capítulo possui, em seu final, um tópico que destaca os Principais Temas Estudados. Estes elementos poderão servir de guia para que você estruture o seu processo de registro e sistematização em seu processo de estudo da disciplina. Além disso, visando atender aos objetivos na integração conceitual da disciplina, você dispõe de atividades propostas ao longo do conteúdo nas chamadas "Ligando Ideias" e "Construindo Conceitos". Ao final de cada capítulo, você também encontrará espaço, em folhas específicas, para suas anotações cotidianas de estudo e que lhe auxiliarão compor seu "Caderno de estudos e práticas". Neste instrumento de sistematização você poderá também registrar os processos de reflexão e amadurecimento conceitual que ocorreram em suas interações no Campus Virtual seja com os colegas ou com a tutoria do Curso. Agora é hora de avançar no estudo desta disciplina do curso. Bons estudos e boas práticas virtuais! 2

7 E COLOGIA 1 ECOLOGIA OBJETIVOS DO CAPÍTULO Apresentar e discutir as definições e os conceitos básicos em ecologia. Apresentar os principais componentes e funções dos ecossistemas e os grandes ecossistemas brasileiros [Biomas]. Apresentar os elementos constituintes da formação dos lagos e seus diferentes tipos, enfatizando a ciclagem dos nutrientes e o processo de eutrofização. OBJETIVO DE APRENDIZADO: Conhecer os processos ecológicos que estão intimamente ligados à Gestão dos Recursos Hídricos, aproximando esta base conceitual da realidade de nossos ambientes regionais e nacional. 3

8 E COLOGIA 1.1 INTRODUÇÃO Nos dias atuais, o termo Ecologia não corresponde a um bloco homogêneo e compacto de pensamento. Inseridos neste termo podemos encontrar os mais variados pontos de vista e posições políticas. É fundamental, então, posicionar a Ecologia dentro do âmbito das Ciências Biológicas. As raízes da ecologia estão na história natural, que é tão antiga quanto a própria humanidade. O interesse dos seres humanos pelo ambiente está arraigado desde os primeiros tempos da nossa existência. Uma das condições fundamentais para a sobrevivência da espécie humana desde os seus primórdios, foi o conhecimento sobre o ambiente. Embora tal conhecimento não fosse um estudo acadêmico, ele era útil para fazer associações entre o clima e as plantas ou sobre os locais de ocorrência dos animais. Nas sociedades primitivas, este conhecimento foi fundamental para suprir as necessidades básicas do ser humano, por exemplo, a alimentação através da caça de animais e da coleta de vegetais e, mais adiante, através da agricultura. Se nossos ancestrais não soubessem como utilizar os recursos do ambiente, certamente não estaríamos aqui hoje. À medida que a civilização se tornou complexa, nossas necessidades acompanharam esta complexidade e, também, se diversificaram. Se antes necessitávamos recursos basicamente para a alimentação, hoje precisamos de uma gama muito maior de recursos naturais. Paralelamente, o nosso entendimento sobre o ambiente também tornou-se mais complexo. 1.2 HISTÓRICO A ciência da ecologia foi bastante influenciada pela tradição dos historiadores naturais dos séculos XVIII e XIX, como Buffon, Lineu, Darwin, Wallace, Humboldt, entre muitos outros. Neste mesmo período, surgiram também obras que tiveram grande impacto na formação da ecologia, como os trabalhos de Malthus 4

9 E COLOGIA sobre crescimento populacional e demografia. Muito tempo antes, porém, podemos encontrar obras de natureza claramente ecológica entre os filósofos clássicos da cultura grega, pois estes compreendiam o ambiente de forma integrada. Entre eles podemos citar nomes como Aristóteles e Hipócrates. Aristóteles era um verdadeiro naturalista, mas foi seu sucessor, Theophrastus, quem começou um estudo sistemático e formal do ambiente. Além desta forte influência da história natural, a ecologia se diferencia de outras ciências que tendem à análise e que tentam circunscrever e dividir seu campo de trabalho. A ecologia é uma ciência de síntese, de confluência de diferentes disciplinas. Quatro disciplinas que têm uma relação direta com a ecologia são a genética, a evolução, a fisiologia e a etologia (Figura 1.1). Figura 1.1 Posicionamento esquemático da Ecologia e de quatro disciplinas relacionadas (modificado a partir de Krebs, 1972). Devido à influência da história natural, no início do seu desenvolvimento a ecologia era fundamentalmente descritiva, pormenorizando a descrição e classificação de diferentes elementos ecológicos de sistemas como a tundra, os desertos, as florestas tropicais, as savanas, dentre outros. Este enfoque forneceu o embasamento necessário para entender e explicar, em termos gerais, a origem e os mecanismos das interações dos organismos entre si e com o mundo abiótico. 5

10 E COLOGIA Para a elaboração destas teorias gerais da natureza, os ecólogos procuram construir modelos da realidade que geram previsões comprováveis. A grande complexidade dos sistemas ecológicos requer o uso de modelos gráficos e matemáticos, de modo que os ecólogos geralmente necessitam de quase tanta matemática como de biologia. Com o desenvolvimento da ciência da ecologia, surgiram outras definições. Em 1927, Charles Elton definiu a ecologia como a história natural científica. Na década de 1950, Eugene Odum definiu a ecologia como o estudo das relações dos organismos ou grupos de organismos com o seu ambiente, ou a ciência das interrelações que ligam os organismos vivos ao seu ambiente. Uma definição bastante aceita atualmente é de autoria de Charles J. Krebs, que define a ecologia como o estudo científico das interações que determinam a distribuição e a abundância dos organismos. O ambiente de um organismo é composto não apenas pelas plantas e animais com os quais este interage diretamente ou indiretamente, mas também por processos puramente físicos e por substâncias inorgânicas. Flutuações diárias de temperatura e as concentrações de oxigênio e dióxido de carbono também fazem parte do ambiente. Facilmente percebemos que o componente biótico do ambiente da maior parte dos organismos pode ser extremamente complexo. Soma-se a esta grande complexidade o ambiente físico com múltiplas facetas, e veremos que a ecologia é um campo extremamente amplo. A amplitude da ecologia, combinada com a sua aplicabilidade aos problemas ambientes atuais, fazem da mesma um campo fascinante e com grande potencial de crescimento. Além deste potencial, a ecologia permite a possibilidade de integrar perspectivas de cunho estritamente ecológico-biológico perspectivas socioambientais para a gestão de recursos naturais. LIGANDO AS IDEIAS Procure enumerar em seu "Caderno de Estudo e Práticas" os principais fatores físicos e biológicos que atuam sobre o seu organismo. Revise suas anotações e responda: Quais as principais inter-relações entre você e o ambiente? 6

11 E COLOGIA 1.3 ECOSSISTEMA As definições mais modernas de ecossistema consideram este termo como sinônimo de comunidade. Inicialmente considerava-se que o ecossistema seria constituído pelo clima, solo, bactérias, fungos, plantas e animais de qualquer lugar definido, ou seja, um ecossistema teria componentes bióticos e abióticos. Por sua vez, os componentes bióticos de um ecossistema, ou todos os organismos vivos que nele habitam, em conjunto constituíam uma comunidade ecológica. Entretanto, em termos ecológicos, não faz sentido separar os componentes abióticos das comunidades essencialmente bióticas. Por esse motivo, o estudo das comunidades pode ser entendido como o estudo dos ecossistemas e vice-versa. LIGANDO AS IDEIAS De acordo com o conceito atual de ecossistema, você consideraria que possam existir ecossistemas urbanos? O que poderia caracterizá-los? Anote essas reflexões no seu "Caderno de Estudo e Práticas" e compartilhe com seus colegas no fórum da disciplina. 1.4 ECOSSISTEMAS BRASILEIROS Os principais ecossistemas ou biomas brasileiros estão representados na Figura 1.2. As áreas delimitadas correspondem à distribuição original destes ecossistemas, sem indicar as áreas de ação antrópica. 7

12 E COLOGIA Figura 1.2 Principais ecossistemas brasileiros. Fonte: modificado a partir de Rizzini et al., Consequentemente, as dimensões destes ecossistemas não correspondem às suas dimensões atuais. Em geral, a caracterização destes ecossistemas é feita em função do tipo vegetacional presente. Em cada um deles podemos identificar uma série de adaptações e características ecológicas peculiares. - A Floresta Amazônica é a maior floresta tropical úmida do planeta, ocupando cerca de 6 milhões de km 2, dos quais mais da metade está em território brasileiro. Na maior parte do ano, as temperaturas estão em torno de 26º C a 27 C e a pluviosidade é elevada. A Floresta Amazônica é uma denominação que engloba diferentes tipos de floresta úmida, tais como a mata de terra firme, a mata de várzea, a mata de igapó e a campinarana. A mata de terra firme ocupa a maior parte da bacia amazônica, onde pode ser encontrada uma grande diversidade de espécies de animais e plantas. - A Mata Atlântica é a outra floresta tropical úmida brasileira, que originalmente localizava-se sobre a longa cadeia de montanhas que ocorre paralela ao oceano Atlântico, desde o Rio Grande do Sul até o Rio Grande do Norte, concentrando-se entre os Estados de São Paulo, Minas Gerais, Espírito Santo e Rio de Janeiro. 8

13 E COLOGIA Atualmente, restam menos de 8% de sua cobertura original. É também um ecossistema que abriga uma elevada diversidade de espécies, muitas delas endêmicas. - Os Pinheirais ou Florestas de araucárias ocorrem na região Sul do país e em pontos isolados da Serra do Mar e da Serra da Mantiqueira. Nestes últimos, localizados na região Sudeste, geralmente ocorrem acima dos 1.600m de altitude. São formações vegetais caracterizadas pela presença da araucária (Araucária angustifolia), em áreas com clima permanentemente úmido. - O Manguezal ou mangue é um tipo de vegetação litorânea que caracteriza um ecossistema de grande importância ecológica. O manguezal ocorre em áreas de águas salobras, sofrendo influências da amplitude das marés. A vegetação apresenta adaptações para tais condições, como as raízes aéreas - ou pneumatóforos --, através das quais o oxigênio é absorvido. No litoral brasileiro os manguezais estendem-se desde Santa Catarina até o limite com a Guiana Francesa. As espécies vegetais que predominam são a Avicennia schaueriana, Rhizophora mangle e Laguncularia racemosa. Apesar da pequena diversidade vegetal, há uma grande diversidade de espécies animais que habitam o manguezal ou que dele se utilizam durante alguma etapa de suas vidas. - A Caatinga é a vegetação característica de grande parte do interior do Nordeste brasileiro e da região do Vale do Jequitinhonha, em Minas Gerais. Consiste num mosaico de vegetação xerófita (adaptada à condição de baixa umidade), que perde suas folhas. É predominantemente composta por plantas lenhosas e por um grande número de cactos e bromélias. A vegetação rasteira, constituída por ervas e capins, desenvolve-se apenas durante os curtos períodos chuvosos. - O Pantanal não é propriamente um pântano, mas sim uma área alagadiça que corresponde à região de planície aluvional localizada na parte central da América do Sul, drenada pela bacia do Rio Paraguai. A altitude da planície do pantanal oscila entre 100 e 200m, e grande parte de sua área é coberta pelas águas no período das chuvas. O Pantanal é uma região relativamente nova sob o ponto de vista geológico, dominada por uma mistura complexa de formações vegetais com características de áreas xerófitas, de áreas de cerrados e elementos amazônicos. Sua fauna exuberante também possui características de várias comunidades bióticas vizinhas. - Campo é uma designação genérica para uma área coberta por vegetação de baixo porte, como gramíneas e subarbustos. Esta designação inclui diferentes tipos de formações vegetais, por exemplo, o campo limpo, encontrado em algumas regiões do Estado de Roraima; os campos de altitude, associados a algumas áreas serranas, por exemplo, a região do alto do Parque Nacional do Itatiaia, no Estado do Rio de 9

14 E COLOGIA Janeiro; e os campos inundáveis, como é o caso do Banhado do Taim no Rio Grande do Sul. - O termo Cerrado é uma denominação genérica para designar áreas com formações vegetais como os campos cerrados, os cerrados strictu sensu, e o cerradão. São formações vegetais com características de savanas. A estrutura da vegetação destas áreas é caracterizada por um estrato arbóreo, com árvores geralmente tortuosas, de pequeno a médio porte com cascas espessas, e um estrato formado por gramíneas e pequenos arbustos. Apesar da aparência árida do cerrado, esta não está relacionada a condições climáticas secas. LIGANDO AS IDEIAS Em qual ecossistema original está localizada sua região? É possível identificar nela os elementos apresentados na disciplina? Anote em seu "Caderno de Estudos e Práticas" os principais fatores de degradação ou alteração de paisagem que você percebe e acrescente comentários sobre possíveis causas-efeitos que estabeleceram essa situação. 1.5 COMPONENTES E FUNÇÕES DO ECOSSISTEMA Sob o ponto de vista funcional, um ecossistema pode ser analisado no âmbito das seguintes características e processos: Evolução - considera a tendência de evolução de um determinado ecossistema quando sujeito a processos de alteração. Homeostase - considera a tendência dos sistemas biológicos em resistirem a alterações e permanecerem em estado de equilíbrio dinâmico (Homeo = igual; stasia = estado). Fluxo de energia - considera o fluxo energético que, partindo do Sol, atinge todos os níveis tróficos (níveis alimentares) dos ecossistemas. Cadeias ou teias alimentares - consideram a sequência de transferência de energia, de organismo para organismo, em forma de alimentação. As cadeias alimentares, ou cadeias tróficas, se entrelaçam, num mesmo ecossistema, formando redes alimentares. 10

15 E COLOGIA Ciclos biogeoquímicos - são ciclos intimamente relacionados com processos geológicos, hidrológicos e biológicos. Representam a circulação natural de elementos químicos no ecossistema entre os seres vivos (componentes bióticos) e o meio ambiente (componente abiótico), como exemplo citamos o ciclo da água ou ciclo hidrológico, o ciclo do carbono; o ciclo do nitrogênio e o ciclo do fósforo. Padrões de diversidade - consideram os indicadores de processos populacionais em um ecossistema sendo levados em conta dados ecológicos e genéticos. Para fins descritivos, os componentes do ecossistema são: substâncias inorgânicas envolvidas nos ciclos de materiais (carbono, nitrogênio, gás carbônico, água, dentre outras); compostos orgânicos que ligam o biótico ao abiótico (proteínas, carboidratos, lipídios, dentre outros); regime climático incluindo a temperatura, ph e outros fatores físicos; organismos produtores, ou autótrofos, por exemplo, as plantas que são capazes de captar a energia solar através da fotossíntese; organismos consumidores, ou heterótrofos, por exemplo, os herbívoros e os carnívoros, que dependem direta ou indiretamente dos produtores para obter energia; e organismos decompositores, ou microconsumidores ou saprótrofos, por exemplo, as bactérias e fungos que decompõem a matéria orgânica morta e liberam nutrientes inorgânicos. 1.6 ESTRUTURA TRÓFICA, FLUXO DE ENERGIA E CICLO DE NUTRIENTES A - NÍVEIS TRÓFICOS Os componentes bióticos dos ecossistemas podem ser categorizados em diferentes níveis tróficos. O primeiro nível trófico é representado pelos produtores primários ou autótrofos. Como seu próprio nome revela, os autótrofos são os organismos capazes de produzir o seu próprio alimento. Na sua grande maioria, correspondem às plantas, que utilizam a energia solar para produzir substâncias químicas ricas em energia, através da fotossíntese. 11

16 E COLOGIA Portanto, os produtores primários constituem uma parte essencial da comunidade, já que todos os demais organismos dependem direta ou indiretamente deles para obter energia. Os organismos que não são produtores primários são chamados de heterótrofos, e incluem os consumidores e os decompositores. Os herbívoros, ou consumidores primários, constituem o segundo nível trófico. Já os carnívoros que se alimentam de consumidores primários constituem o terceiro nível trófico, sendo também chamados de consumidores secundários. Os carnívoros que se alimentam de consumidores secundários constituem o quarto nível trófico e são chamados de consumidores terciários e, assim, sucessivamente. Porém, muitos animais onívoros alimentam-se de vegetais e animais e, portanto, predam em níveis tróficos distintos, simultaneamente. Muitas vezes é impossível considerá-los como pertencentes de um nível trófico concreto. Uma solução é atribuir a estes organismos uma representação parcial em diferentes níveis tróficos, em proporção à composição de sua dieta. Um componente essencial de qualquer ecossistema são os organismos decompositores, ou redutores, que operam devolvendo materiais ao conjunto de nutrientes, disponibilizando-os novamente para a teia alimentar. É importante ressaltar que a matéria pode circular de modo contínuo entre diferentes compartimentos do ecossistema, entretanto, a energia só pode ser usada uma única vez. Por isso, todos os ecossistemas dependem de um fluxo contínuo de energia. B - ENERGIA E TERMODINÂMICA Tal como em qualquer sistema sujeito a leis da física, o comportamento da energia nos sistemas naturais está regido pelas leis da termodinâmica. A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia se conserva, podendo ser transformada de um tipo em outro, mas não podendo ser criada ou destruída. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a entropia do universo sempre tende a aumentar. Nenhum processo de transformação espontânea de energia é 100% perfeito, isto é, sempre ocorre a perda de uma parcela de energia para uma forma menos organizada (calor). 12

17 E COLOGIA Algumas vezes, a vida tem sido qualificada como de "entropia inversa", dado que os organismos mantêm estados complexos e organizados de energia em comparação com os seus arredores. Apesar disso, os organismos também obedecem ao segundo princípio da termodinâmica, assim como qualquer outro sistema formado por matéria e energia. Todos os organismos devem trabalhar continuamente para construir e manter a energia e a matéria de forma organizada, e para isso precisam de energia. Sem um fluxo contínuo de entrada de energia um organismo não pode sobreviver por muito tempo. C - FOTOSSÍNTESE E QUIMIOSSÍNTESE A fotossíntese consiste em, basicamente, transformar moléculas de dióxido de carbono e água em moléculas orgânicas mais complexas (glicose), água e oxigênio, na presença de clorofila e luz solar. Este processo resulta no armazenamento de energia solar em energia química, que ficará disponível para os outros níveis tróficos. Assim, a fonte primordial de toda a energia dos ecossistemas é o sol. Entretanto, menos de 1% da radiação solar que incide sobre o planeta é efetivamente utilizada pelos organismos vivos, sendo captada pelos organismos fotossintetizantes e armazenada como energia química. Um outro grupo de organismos que ocasionalmente é considerado como produtores são as bactérias quimiossintetizantes, ou quimioautótrofas. Estes organismos ocupam uma posição intermediária entre os autótrofos e os heterótrofos. Por exemplo, oxidando amoníaco em nitrito, nitrito em nitrato, sulfureto em enxofre. Estas bactérias podem desenvolver-se na ausência de luz, mas a maioria necessita de oxigênio. As bactérias quimiossintetizantes em geral vivem no solo, e podem armazenar energia sem utilizar a energia da radiação solar. Elas obtêm sua energia a partir da oxidação química de compostos inorgânicos simples. 13

18 E COLOGIA Em comparação com a fotossíntese, a quimiossíntese é responsável por uma fração muito pequena do armazenamento de energia na forma de moléculas de carbono mais complexas. Porém, este processo é fundamental no ciclo do nitrogênio, transformando compostos nitrogenados não assimiláveis pelas plantas para compostos nitrogenados assimiláveis. D - PRODUTIVIDADE PRIMÁRIA A produtividade primária corresponde à energia solar armazenada pela atividade fotossintética ou quimiossintética de organismos produtores na forma de substâncias orgânicas passíveis de utilização por outros organismos não produtores. Os organismos produtores usam a energia luminosa para sintetizar moléculas orgânicas ricas em energia química a partir das quais produzem energia biológica. Os organismos consumidores usam a energia química que está acumulada nas substâncias orgânicas que utilizam na alimentação. No meio terrestre, a produtividade primária global líquida é estimada em torno de 110 a 120 x 109 toneladas de peso seco por ano. No mar, a produtividade primária líquida deve estar entre 50 a 60 x 109 toneladas por ano. Podemos perceber que, embora os oceanos cubram dois terços da superfície terrestre, eles são responsáveis por apenas um terço de toda a produtividade primária global. É importante ressaltar que a distribuição da produtividade primária não é homogênea. Ela depende principalmente da radiação solar. De maneira geral, as zonas tropicais são as regiões onde ocorrem as maiores taxas de produtividade primária. Entretanto, existem outros fatores que limitam a produtividade primária, como a água, nutrientes e temperaturas adequadas. Muitas áreas continentais recebem radiação solar abundante, mas carecem de água (por exemplo, muitas regiões desérticas). Com exceção das zonas de ressurgência, a maior parte das áreas oceânicas é deficiente em nutrientes minerais. A produtividade secundária pode ser definida como a taxa de produção de biomassa nova por organismos heterótrofos. Os heterótrofos dependem dos autótrofos direta ou indiretamente para o seu suprimento de matéria e energia. Em outras palavras, a produtividade secundária depende da produtividade primária. 14

19 E COLOGIA Grandes investimentos estão sendo feitos para desenvolver modelos globais de vegetação que possam fazer previsões sobre a produtividade primária. Ao incorporar os fatores que limitam a produtividade primária líquida, estes modelos podem acessar os efeitos das mudanças climáticas globais. Algumas das alterações associadas às mudanças climáticas são o aumento da temperatura, o aumento da precipitação e o aumento da concentração de gás carbônico. Todos estes fatores podem alterar a produção primária terrestre. De maneira bastante generalista, se a produção primária tende a aumentar, então as florestas possuem um importante papel na absorção do gás carbônico atmosférico excedente. LIGANDO AS IDEIAS Como a produtividade primária está relacionada com a latitude? Verifique a latitude de sua região e identifique a presença de organismos produtores em seu entorno. Reflita sobre a produtividade primária em sua região. Anote suas considerações em seu "Caderno de Estudo e Práticas". 1.7 CICLO DE NUTRIENTES Devido à sua natureza, a energia que entra num ecossistema não pode ser reciclada. Ela é disponibilizada como radiação solar, fixada pela fotossíntese, passada para os outros níveis tróficos e dissipada na forma de calor. Por outro lado, os nutrientes químicos que compõem a biomassa, apenas mudam a forma de suas moléculas, e podem ser usados novamente e repetidamente reciclados. A Figura 1.3 esquematiza a relação entre fluxo de energia e ciclo de materiais em um ecossistema. Perceba o papel fundamental dos decompositores na ciclagem de nutrientes. Note também que nem todos os nutrientes liberados na decomposição são necessariamente usados novamente pelos autótrofos. 15

20 E COLOGIA Figura 1.3 Relações entre o fluxo de energia (setas cinzentas) e ciclagem de nutrientes. Os nutrientes na forma de matéria orgânica estão representados pelas setas pretas e os nutrientes na forma inorgânica estão representados pelas setas cinza-claro. A ciclagem de nutrientes nunca é perfeita: parte dos nutrientes pode ser carreada para fora do sistema com a chuva e parte pode ser perdida para a atmosfera, como é o caso do nitrogênio e do enxofre que possuem fases gasosas. Também existe a possibilidade de novas entradas de nutrientes, seja a partir de minerais dissolvidos na chuva ou derivados da rocha matriz. 1.8 PIRÂMIDES DE ENERGIA, DE NÚMEROS E DE BIOMASSA Um mecanismo para expressar a estrutura de uma comunidade são as pirâmides, como as pirâmides de energia, de números ou de biomassa. Uma pirâmide de energia consiste em representar graficamente as taxas de fluxo energético entre vários níveis tróficos (Figura 1.4). O fluxo de energia através de cada 16

21 E COLOGIA nível trófico sempre deve diminuir conforme o nível trófico aumenta. Portanto, a pirâmide de energia nunca pode estar invertida. Figura 1.4 A) Pirâmide de energia para Silver Springs, Florida, em kcal/m 2 /ano. Fonte: modificado a partir de Odum, Por vários motivos, a taxa de fluxo de energia através de um dado nível trófico diminui conforme aumenta o nível trófico. Analisando as pirâmides de energia, percebemos que a produtividade dos herbívoros é invariavelmente menor do que a produtividade das plantas das quais estes se alimentam. Isto acontece porque as transferências de energia nunca são 100% eficientes, então nem toda a energia contida numa presa será disponível para um predador. Parte desta energia é perdida na conversão dos tecidos da presa em tecidos do predador. Parte da energia da presa não é sequer assimilada pelo predador, que corresponde ao material não digerível que será disponibilizado para os decompositores. A eficiência da transferência de energia entre níveis tróficos também é reduzida devido a táticas de fuga da presa, ou de defesas químicas das plantas, cada organismo de cada nível trófico consome boa parte de sua energia disponível em suas próprias atividades metabólicas, reduzindo a quantidade de energia disponível para os níveis tróficos superiores. Grande parte da energia de um sistema é simplesmente dissipada na forma de calor. Este comportamento da energia determina muitas das propriedades de um ecossistema, tais como o número total de níveis tróficos e a proporção de predadores e de presas. Calcula-se que apenas uma fração correspondente a 10 a 20% da energia existente em qualquer nível trófico estará disponível para o nível trófico imediatamente superior. 17

22 E COLOGIA Um resultado desta rápida redução na disponibilidade de energia é que os animais dos níveis tróficos mais altos são, em geral, muito mais raros do que aqueles de níveis tróficos inferiores. Além disso, a diminuição da energia disponível impõe um limite máximo para o número de níveis tróficos possíveis, que geralmente é de no máximo cinco ou seis níveis tróficos. Outras representações de pirâmides ecológicas são a pirâmide de número de indivíduos (Figura letras B e C) e a pirâmide de biomassa (Figura letras D e E). Figura 1.5 B) Pirâmide de números para uma pradaria, em número de indivíduos para 0,1 hectare; C) Pirâmide de números hipotética para uma floresta temperada, em número de indivíduos para 0,1 hectare; D) Pirâmide de biomassa para o Canal da Mancha, em peso seco por m 2 ; E) Pirâmide de biomassa para floresta tropical, em peso seco por m 2. Fonte: modificado a partir de Odum, A pirâmide de número de indivíduos é composta pelo conjunto das densidades de indivíduos de cada nível trófico. Já a pirâmide de biomassa representa a quantidade de biomassa por metro quadrado ou por metro cúbico em cada nível trófico. As unidades usuais das pirâmides de energia são calorias/m 2 /ano (Figura 1.3), enquanto as pirâmides de número de indivíduos são expressas por número/m2 e as de biomassa gramas de peso seco/m 2 ou m 3. 18

23 E COLOGIA Perceba que as pirâmides de número e de biomassa representam medidas instantâneas, e não taxas, pois não apresentam uma dimensão temporal. Por isso, elas podem aparecer invertidas e, portanto, podem apresentar as densidades e/ou biomassa mais baixas nos níveis tróficos inferiores. Uma pirâmide invertida de número ocorre, por exemplo, quando uma única árvore suporta um número muito maior de insetos fitófagos. Uma pirâmide invertida de biomassa pode ser observada quando uma biomassa pequena de presas com alta taxa de renovação suporta uma biomassa maior de predadores com taxa de renovação mais lenta. Esse tipo de pirâmide é comumente encontrado em ecossistemas aquáticos, nos quais os produtores primários (fitoplâncton) são pequenos e se dividem com rapidez, enquanto os consumidores primários (zooplâncton) são maiores e de vida mais longa (Figura 1.5, letra D). 1.9 CADEIAS E TEIAS ALIMENTARES Qualquer comunidade pode ser representada por uma teia alimentar. A teia alimentar é simplesmente um diagrama de todas as relações tróficas existentes entre as espécies componentes da comunidade. Uma teia alimentar geralmente é composta por muitas cadeias alimentares, cada uma das quais representando uma única via da teia alimentar. As teias alimentares, ou cadeias alimentares, descrevem relações funcionais entre as espécies de uma comunidade, enfatizando as conexões entre as populações. A análise das teias alimentares é útil, por exemplo, quando reconhecemos que nem todos os produtores são consumidos por todos os herbívoros da comunidade. A Figura 1.6 apresenta uma teia alimentar hipotética e simplificada, bem como as relações tróficas existentes entre as espécies que compõem esta comunidade. 19

24 E COLOGIA Figura 1.6 Teia alimentar hipotética. Esta comunidade é composta por quatro espécies de plantas, oito espécies de insetos e quatro espécies de aves. As plantas correspondem ao primeiro nível trófico. Cinco espécies de insetos são herbívoras, correspondendo ao segundo nível trófico, junto com uma espécie de pássaro que se alimenta de grãos, sendo, portanto, herbívora. O terceiro nível trófico é constituído por três espécies de insetos que se alimentam dos insetos herbívoros. No quarto nível trófico há dois pássaros insetívoros, e no quinto nível trófico há uma ave de rapina, que é um predador de topo. Nem sempre uma espécie preda num único nível trófico. Os pássaros insetívoros, por exemplo, alimentam-se tanto de insetos do terceiro nível trófico como de insetos do segundo nível trófico. A análise de teias alimentares pode mostrar particularidades nas relações funcionais entre as espécies. 20

25 E COLOGIA Observe que na Figura 1.6, embora os insetos carnívoros 1 e 2 estejam no mesmo nível trófico, o primeiro depende de apenas uma espécie para a sua alimentação, enquanto o segundo apresenta hábitos mais generalistas. Perturbações ambientais que causem alterações na abundância da espécie de inseto herbívoro 1 surtirão efeitos diferentes sobre estas duas espécies de insetos carnívoros. LIGANDO AS IDEIAS Procure esquematizar como é a teia alimentar na qual você se situa localmente. Registre o esquema em seu "Caderno de Estudo e Práticas" e comente as particularidades que foram identificadas. 21

26 E COLOGIA DESTAQUES DOS TEMAS ESTUDADOS 1.- Ecossistema pode ser considerado como um sinônimo de comunidade, enfatizando a participação dos componentes abióticos. 2.- Descritivamente, os componentes do ecossistema são as substâncias inorgânicas, os compostos orgânicos, o regime climático, e os organismos produtores, consumidores e decompositores. 3.- Os principais ecossistemas ou biomas brasileiros são a Floresta Amazônica, a Mata Atlântica, os Pinheirais, o Manguezal ou mangue, a Caatinga, o Pantanal, os Campos e os Cerrados. 4.- Os componentes bióticos dos ecossistemas podem ser categorizados em diferentes níveis tróficos. 5.- O primeiro nível trófico é representado pelos produtores primários ou autótrofos. 6.- Os organismos que não são produtores primários são chamados de heterótrofos. 7.- Os herbívoros, ou consumidores primários, constituem o segundo nível trófico. 8.- Os carnívoros que se alimentam de consumidores primários constituem o terceiro nível trófico. 9.- Os carnívoros que se alimentam de consumidores secundários constituem o quarto nível trófico e, assim, sucessivamente Um componente essencial de qualquer ecossistema são os organismos decompositores, que disponibilizam os materiais novamente para a teia alimentar O comportamento da energia nos sistemas naturais está regido pelas leis da termodinâmica. Os organismos mantêm estados complexos e organizados de energia em comparação com os seus arredores Sem um fluxo contínuo de entrada de energia um organismo não pode sobreviver por muito tempo A fotossíntese é o processo fundamental do qual depende a grande maioria dos organismos vivos para captar energia A fotossíntese consiste em transformar moléculas de dióxido de carbono e água em moléculas orgânicas mais complexas (glicose), água e oxigênio, na presença de clorofila e luz solar A produtividade primária corresponde à energia solar armazenada pela atividade fotossintética ou quimiossintética. 22

27 E COLOGIA 16.- A produtividade secundária pode ser definida como a taxa de produção de biomassa nova por organismos heterótrofos A ciclagem de nutrientes nunca é perfeita: parte dos nutrientes pode ser carreada para fora do sistema com a chuva e parte pode ser perdida para a atmosfera Uma pirâmide de energia consiste em representar graficamente as taxas de fluxo energético entre vários níveis tróficos. CONSTRUINDO CONCEITOS Neste tópico foram destacados os principais temas abordados na disciplina. Agora é o momento de você fazer uma revisão de seus aprendizados, realizando anotações em seu "Caderno de Estudos e Práticas". Depois terminada sua revisão responda à questão abaixo e registre sua resposta no "Caderno". Qual a relação entre os ecossistemas e a gestão de recursos hídricos em minha região? 23

28 E COLOGIA 24

29 CADERNO DE ESTUDOS E PRÁTICAS 25

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31 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS 2 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS OBJETIVOS DO CAPÍTULO Destacar a formação e os diferentes tipos de lagos, enfatizando a ciclagem dos nutrientes e o processo de eutrofização. OBJETIVO DE APRENDIZADO: Conhecer a dinâmica formação dos lagos e reservatórios e suas dinâmicas ambientais naturais e os impactos das interferências antrópicas. 27

32 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS 2.1 ORIGEM E FORMAÇÃO DOS LAGOS A geomorfologia é o ramo da ciência que procura estabelecer a origem dos lagos. Atualmente, o conceito mais aceito para descrever a origem e formação dos lagos é o conceito estabelecido por Davis, em 1882, o qual classificava a origem dos lagos segundo o predomínio de processos construtivos, destrutivos ou obstrutivos, ou seja, um processo construtivo ocorre em uma escala geológica de tempo, enquanto os processos destrutivos atuam de forma localizada e em curto período de tempo, como é o caso de uma explosão vulcânica; já o processo obstrutivo está associado a represamentos de cursos d'água, provocados, por exemplo, por derramamento de lava ou por erosão eólica. Von Sperling (1999) destaca que a origem dos lagos está associada à ocorrência de fenômenos naturais, de natureza geológica, ou de natureza antrópica devido a atuações provocadas pelo homem. Com relação à origem natural dos lagos, afirma o autor, existem causas bastante conhecidas que levaram à formação destes ambientes, sendo as origens mais comuns àquelas vinculadas a fenômenos glaciais (movimentação ou derretimento de gelo formado durante o período glacial), vulcânicos (explosões, derramamento de lava) ou tectônicos (movimentação da crosta terrestre). Já os lagos, formados a partir de ações antrópicas, são conhecidos como represas, reservatórios ou barragens, sendo estes formados artificialmente mediante o barramento de rios. Dentre as diferentes origens dos lagos, destacam-se as mais representativas (VON SPERLING, 1999): I - Lagos de origem tectônica - está associada a movimentações que ocorreram na crosta terrestre, conduzindo ao estabelecimento de dois fenômenos principais: a) depressões formadas por movimentos de elevação e abaixamento da camada superficial com a finalidade de manutenção do equilíbrio isostático, conhecidos como movimentos epirogenéticos (Figura 2.1); b) falhas decorrentes de descontinuidades da crosta terrestre (Figura 2.2). 28

33 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Figura 2.1 Origem tectônica dos lagos devido aos movimentos epirogenéticos. Fonte: adaptado de Von Sperling, Figura 2.2 Origem tectônica de lagos devido a falhas tectônicas. Fonte: adaptado de Von Sperling, II - Lagos de origem vulcânica - qualquer cavidade vulcânica, desde que não possua nenhuma drenagem natural, acaba ao longo do tempo transformando-se em um lago devido ao acúmulo de água proveniente da chuva. Os lagos com gênese vulcânica podem ser formados através de dois processos, quais sejam: a) represamento de águas de rios por meio de lava vulcânica (magma) solidificada (Figura 2.3); b) explosões vulcânicas, com conseqüente criação de depressões e cavidades (Figura 2.4). 29

34 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Figura 2.3 Origem vulcânica de lagos devido ao represamento promovido pelo magma Fonte: adaptado de Von Sperling, Figura 2.4 Origem vulcânica de lagos devido as explosões criando depressões e cavidades. Fonte: adaptado de Von Sperling, III - Lagos de origem glacial - esta é a origem mais comum dos lagos, principalmente para aqueles situados em regiões de clima temperado. Os efeitos da erosão e sedimentação, provenientes da movimentação do gelo, provocaram a formação de milhares de depressões sobre a superfície do planeta, as quais posteriormente se encheram de água. Um dos tipos mais freqüentes de origem glacial de lagos ocorre em vales barrados por morainas, que são sedimentos transportados 30

35 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS por geleiras (Figura 2.5); outro tipo é aquele proveniente de erosão pelo gelo em regiões montanhosas, provocando a formação de vales profundos. Figura 2.5 Lagos formados a partir de sedimentos transportados por gelerias. Fonte: adaptado de Von Sperling, IV - Lagos originários de deslizamentos de material mineral - consiste no barramento de cursos d'água devido ao deslizamento súbito de material não consolidado (rochas, lodo ou gelo) (Figura 2.6). Este fenômeno ocorre principalmente em terrenos montanhosos, que apresentam fortes declividades. A freqüência de chuvas de grande intensidade ou mesmo de terremotos provoca o deslocamento de material mineral e a consequente formação do lago. 31

36 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Figura 2.6 Lagos formados por deslizamentos. Fonte: adaptado de Von Sperling, V - Lagos formados por atividade de rios - as atividades de rios são responsáveis pela formação de distintos tipos de lagos, seja pela deposição de sedimentos, por inundação de várzeas ou por fechamento de meandros. Quando ocorre uma intensa deposição de sedimentos ao longo do leito de um rio, pode ser facilitada uma elevação do seu nível na região de entrada dos afluentes, acarretando assim a formação de lagos. Quando o rio, em função do relevo local, apresenta muitos meandros é também possível que a conjunção de processos de deposição (margem interna) e erosão (margem externa) provoque o fechamento destes meandros, acarretando assim a formação de lagos (Figura 2.7). 32

37 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Figura 2.7 Lagos formados por fechamento de meandros. Fonte: adaptado de Von Sperling, VI - Lagos de origem costeira - são formados por distintos processos geológicos que ocorrem na região próxima ao litoral. Genericamente tais ambientes recebem a denominação de lagunas, as quais eventualmente podem até possuir ligação direta com o mar, o que evidentemente descaracteriza a sua condição própria de lago. Um dos principais processos formadores de lagunas é originário de sedimentos transportados por correntes marinhas, provocando ao longo do tempo o isolamento de uma enseada (Figura 2.8). 33

38 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Figura 2.8 Lagos formados por isolamento de enseadas. Fonte: adaptado de Von Sperling, VII - Lagos de origem orgânica - são originários de processos de deposição de material orgânico, principalmente plantas e galhos de árvores, provocando o barramento de rios e a criação de ambientes lacustres. VIII - Lagos derivados de escavações artificiais - podem ser originados de ações executadas pelo homem sobre o terreno, resultando em escavações artificiais que são posteriormente preenchidas com água de origem atmosférica, superficial ou subterrânea. Um dos exemplos mais comuns desta ação antrópica é a atividade de mineração (Figura 2.9). 34

39 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Figura 2.9 Lagos formados a partir de mineração. Fonte: adaptado de Von Sperling, LIGANDO AS IDEIAS Existe(m) lago(s) em seu município? A partir dos elementos estudados no capítulo, identifique sua(s) origem(ns). Registre em seu Caderno de Estudos e Práticas. 2.2 DINÂMICA AMBIENTAL DOS LAGOS A dinâmica presente em lagos é influenciada, principalmente, pela radiação solar, sendo que, em determinadas épocas do ano os lagos, apresenta uma ampla variação de temperatura entre as camadas superficiais e as camadas profundas. Esta variação na temperatura promove variação na densidade da massa de água nas duas camadas distintas, sendo este fenômeno denominado de estratificação térmica. Braga et al (2004) destacam que a radiação solar, ao penetrar na água, sofre um decaimento exponencial e a faixa do espectro solar que corresponde às ondas longas, ou seja, a parcela de radiação infravermelha responsável pela transmissão de calor é absorvida quase que totalmente logo abaixo da superfície, estando praticamente 35

40 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS extinta a um metro de profundidade. Essa rápida absorção de radiação resulta numa significativa diferença de temperatura entre a superfície e o fundo dos lagos. O perfil vertical de temperatura, portanto, tende a adquirir a forma mostrada na figura 2.10, e o lago tende a dividir-se em três camadas distintas de diferentes temperaturas. Figura 2.10 Perfil vertical de temperatura de um lago estratificado. Fonte: adaptado de Braga et al, O perfil vertical de temperatura de um lago estratificado demonstra na camada superior da coluna líquida, também chamada de epilímnio, uma água mais quente (com temperatura aproximadamente uniforme) e mais turbulenta. Já a camada inferior que fica junto ao fundo do lago, conhecida como hipolímnio, a água é mais fria e níveis baixos de turbulência. A camada intermediária (metalímnio), por sua vez, é um plano imaginário que passa pelo ponto de máximo gradiente no perfil vertical de temperatura - termoclina (Braga et al, 2004; Thomas et al, 1996). 36

41 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS São raros os lagos que permanecem estratificados durante o ano todo, afirmam Braga et al (2002), sendo que no outono a temperatura da superfície cai e iguala-se à temperatura do fundo, e nesse momento forças externas, tais como o vento, podem misturar as camadas superiores e inferiores. Os principais fatores que interferem nos processos de mistura e, portanto, na formação, estabilidade e duração da estratificação térmica são (Braga et al., 2004): - transferência de calor pela interface ar-água; - mistura advectiva gerada pela movimentação das vazões de entrada e saída; - mistura provocada pela turbulência induzida pelo vento. A importância da estratificação térmica num lago reside na interferência que a temperatura possui sob os processos químicos e biológicos atuantes neste lago. Braga et al (2004) e Thomas et al (1996) reforçam que a estabilidade induzida pela estratificação inibe os processos de transporte de calor e massa no lago, causando assim problemas relativos à qualidade da água; além do que, num lago estratificado, o local de produção do oxigênio é o epilímio, junto à superfície e praticamente coincidindo com a zona de luz, ou também conhecida como eufótica. O local de consumo para a decomposição da matéria orgânica, por sua vez, dá-se na região do fundo - hipolímnio (Figura 2.11). 37

42 DINÂMICA DE LAGOS E RESERVATÓRIOS Figura 2.11 Processo de produção e consumo de oxigênio em um lago estratificado. Fonte: adaptado de Braga et al, Quando acontece a estratificação, a concentração de oxigênio no hipolímnio diminui e, à medida que se aproxima de zero, profundas transformações químicas passam a ocorrer devido à passagem de um ambiente oxidante para um ambiente redutor. A água do hipolímnio anóxico (sem presença de oxigênio dissolvido, mas com oxigênio presente em moléculas de nitrato, sulfato, entre outros) apresenta baixo potencial de redução, levando à liberação do ferro e do manganês a partir do sedimento do fundo e a concentrações crescentes de fosfato, amônia, silicatos, carbonatos, íons de cálcio e gás sulfídrico. No epilímnio, o fitoplâncton utiliza o CO 2 no processo de fotossíntese, em parte retirado da solução em equilíbrio de bicarbonato de cálcio, o que induz a precipitação de carbonato de cálcio. Assim, verifica-se uma menor alcalinidade no período de estratificação no epilímnio devido à diminuição dos bicarbonatos e à precipitação do carbonato. No hipolímnio, altos níveis de dióxido de carbono produzido pelo processo de respiração resultam em grandes quantidades de bicarbonato de cálcio e ácido carbônico em solução (Braga et al, 2004). Braga et al (2004) reforçam, ainda, que a qualidade da água em um lago ou um reservatório depende da altura das tomadas e da época do ano, ou seja, pode ter 38