Flujo vertical de materia particulada en la Cuenca Alfonso, Bahía de La Paz, durante 2002

Vertical flux of particulate matter in Alfonso Basin, La Paz Bay, during 2002

N Silverberg*, F Aguirre, S Aguíñiga y N Romero

Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas (CICIMAR-IPN), Av. Instituto Politécnico Nacional s/n, Col. Playa Palo de Sta. Rita, La Paz CP 23096, Baja California Sur. * E-mail: silverb@ipn.mx

Recibido en octubre de 2003.
Recibido en su forma actual en enero de 2005.
Aceptado en julio de 2005.

Resumen

Se instaló una trampa de sedimentos de series de tiempo Technicap (0.125 m²) anclándola a 50 m del fondo de la Cuenca Alfonso cada tres meses en 2002, con una resolución de 7-8 días. Bajo el estereoscopio, la nieve marina fue abundante y las pelotillas fecales variaron en abundancia, forma y tamaño (0.25-10 mm). Las diatomeas centrales fueron comunes todo el año, pero las diatomeas en cadenas fueron claramente abundantes solamente durante dos semanas en junio. Las muestras brutas fueron tamizadas (malla 1 mm) para separar nadadores y grandes partículas. Los más frecuentes nadadores fueron organismos gelatinosos, poliquetos, pterópodos y raramente crustáceos. Cada muestra fue dividida en diez fracciones iguales. Cuatro de éstas fueron lavadas para eliminar el agua de mar, secadas y pesadas para determinar el flujo de masa total. Estos flujos variaron entre 0.17 y 2.48 g m^-2 d^-1. Los valores máximos se presentaron en febrero mientras que los mínimos se observaron a mediados de abril y finales de junio. El flujo de masa medio (300 g m^-2 año^-1) es equivalente a una tasa de acumulación de sedimento de 0.4 mm año^-1, valor similar a algunos obtenidos por fechado de núcleos tomados de la cuenca. La fracción carbonatada fue determinada por culometría del carbono total antes y después de acidificación y fue considerable, con porcentajes entre 8% y 26%. El promedio (14.6%) fue similar a la concentración observada en los sedimentos superficiales. Las máximas contribuciones fueron evidentes en los periodos de enero, marzo, mayo, octubre y noviembre. El flujo medio de CaCO₃ fue de 0.128 g m^-2 d^-1, variando entre 0.036 y 0.304 g m^-2 d^-1, siendo los flujos más intensos en otoño e invierno. Los resultados sugieren que la contribución de carbonatos y el flujo de masa total son más importantes en la Cuenca Alfonso que en la Cuenca Guaymas.

Palabras clave: hundimiento de partículas, trampas de sedimentos de serie de tiempo, depositación.

Abstract

Key words: settling particles, time-series sediment trap, sedimentation.

Introducción

En la capa superficial del mar el carbono inorgánico disuelto es incorporado por el fitoplancton y subsecuentemente transformado por el zooplancton y otros procesos biológicos y no biológicos en agregados mayores de materia orgánica particulada (MOP), frecuentemente en forma de agregados mucosos y pelotillas fecales (Fowler y Knauer 1986, Alldredge y Silver 1988). Además de la MOP, este detritus que se hunde rápidamente transporta otros componentes como esqueletos de organismos planctónicos, minerales terrígenos y posiblemente contaminantes (Fowler y Knauer 1986, Silver y Gowing 1991, Romero et al. 2000). El flujo vertical (hundimiento) de las partículas depende de sus propiedades físicas, de la naturaleza del sistema trófico pelágico y en parte de la estructura física de la columna de agua, como la estratificación y la turbulencia (Wassman et al. 1994). Estas partículas grandes son relativamente raras, de 1-4 agregados por litro (Fellows et al. 1981), por lo que las técnicas usadas comúnmente para recolectar materia orgánica en suspensión (como las botellas Niskin) son inadecuadas para su recolección. En consecuencia, el uso de las trampas de sedimentos ha proliferado en las últimas 2 a 3 décadas como un medio para obtener información cuantitativa y cualitativa del flujo de partículas en hundimiento. En particular, los estudios de series de tiempo han revelado patrones de sedimentación como máximos flujos asociados con aportes terrígenos, estimulación de la productividad por el aporte de cenizas volcánicas ricas en hierro, y surgencias estacionales de aguas ricas en nutrientes (Thunell 1998, Wong et al. 1999, Takahashi et al. 2000). Las trampas de sedimento no sólo proporcionan información de las tasas de sedimentación, sino también información valiosa concerniente a los cambios tróficos de la comunidad pelágica. (p.ej. Romero et al. 2000). Excluyendo el tiempo para recobrar y reinstalar el instrumento, la serie de tiempo de la trampa proporciona una cobertura continua, incluyendo periodos en los que ningún barco está en el área. Subdividiendo cada muestra, el material está disponible para una amplia variedad de análisis, proporcionando información acerca de la naturaleza de los organismos en la columna de agua, la composición y las posibles fuentes de la materia orgánica y componentes minerales. Tales datos pueden también ser usados para evaluar e interpretar las tasas de acumulación y la química de los sedimentos subyacentes (Silverberg et al. 2000).

La sedimentación del material particulado es frecuentemente controlada por fenómenos biológicos (nieve marina, agregación por exopolímeros o "TEP", compactación como pelotillas fecales, autoagregación por células del fitoplancton así como el hundimiento de partículas biogénicas individuales (Alldredge y Silver 1988, Silver y Gowing 1991). Además, en las inmediaciones de zonas desérticas como la Península de Baja California, la sedimentación puede estar dominada por partículas biogénicas, ya que no hay ríos permanentes y el drenaje está limitado a los periodos de lluvias fuertes asociadas a tormentas y huracanes (Van Andel 1964, Baba et al. 1991). En el sureste del Golfo de California, fuera de la Bahía de La Paz, la capa mínima de oxígeno (<0.3 mL L^-1) se extiende desde cerca de los 200 m hasta 1000 m de profundidad. Dentro de la bahía, en la Cuenca Alfonso, las concentraciones decrecen de 0.3 mL L^-1 a 180 m hasta 0.1 mL L^-1 a 380 m (Monreal-Gómez et al. 2001). La presencia de esta zona limita la ocurrencia de organismos nadadores, los cuales pueden distorsionar el contenido de material recuperado en las trampas de sedimento, particularmente por la adición de sus cuerpos una vez en contacto con las soluciones preservativas.

La Bahía de La Paz se encuentra ubicada en el margen suroriental de la Península de Baja California y es el cuerpo de agua más grande frente al Golfo de California, cubriendo un área de 2600 km² (fig. 1). En su porción sur es somera pero gradualmente se hace profunda hacia el norte, más abruptamente a partir de los 200 m para formar la Cuenca Alfonso, con una profundidad máxima de 420 m (Cruz-Orozco et al. 1989, 1996). La depresión y corrientes más lentas sobre el piso oceánico, la hacen un ambiente depositacional natural. Es considerada una área productiva, pero sólo recientemente se han llevado a cabo estudios dirigidos a comprender los procesos oceanográficos que regulan la productividad primaria dentro de la bahía (Reyes-Salinas 1999, Martínez-López et al. 2001). Análogamente, el estudio de los fenómenos físicos es igualmente reciente (Zaitsev et al. 1998, Salinas-González 2000) y no es suficiente para entender algunos de los factores que controlan la producción primaria. El forzamiento atmosférico, por ejemplo, que controla entre otras cosas el grosor de la capa de mezcla superficial, aún tiene que ser cuantificado. El objetivo principal de este estudio fue obtener información de las variaciones de periodo corto y la dinámica de las partículas en la Bahía de La Paz por al menos un año, y de éstas, interpretar los patrones dentro del ecosistema pelágico.

La recolección de muestras de series de tiempo se llevó a cabo usando una trampa de sedimentos Technicap modelo PPS-3, de 0.125 m² de abertura, con un motor programable y 12 botellas recolectoras de 250 mL de capacidad. La instalación de la trampa se realizó en Cuenca Alfonso (24°39' N, 110°36' W) a 360 m de la superficie. En el extremo opuesto se colocaron tres boyas que proporcionaban 160 kg de flotabilidad para mantener la orientación vertical.

El anclaje fue instalado y subsecuentemente recuperado y reinstalado nuevamente durante enero, abril, julio y noviembre de 2002 y febrero de 2003. Los intervalos entre muestreos fueron de aproximadamente tres meses proporcionando 12 muestras que representaban 7-8 días de recolección. Debido a problemas con el motor, en enero de 2003 sólo se muestrearon 10 botellas por lo que la décima botella muestreó durante 47 días. Las botellas recolectoras se llenaron con una solución de formaldehído al 4% que se preparaba con agua de mar filtrada (a través de filtros de 0.45 μm) a la que se le agregaba sal (NaCl) de alta pureza para obtener una salinidad de 40 ups. La densidad resultante evitaba el intercambio con el agua de mar del ambiente dentro de la trampa misma. La solución se amortiguó con NaH₂PO₄H₂O y Na₂HPO₄ de acuerdo a Galingher y Kozloff (1971); sin embargo, el pH determinado en las muestras fluctuó entre 6.05 y 6.9.

En el laboratorio se colocó una alícuota de 1 mL en una caja de Petri para ser primero observada con un estereoscopio; éste contaba con una cámara de video acoplada con la que se tomaron algunas imágenes del aspecto general del material recolectado y de las partículas más conspicuas. Después de que la alícuota se regresó a la muestra original, ésta se pasó a través de un tamiz con una luz de malla de 1000 μm con el fin de eliminar todos los agregados grandes y el zooplancton. La fracción retenida de cada muestra fue separada y guardada en frascos de 20 mL para su análisis posterior. Después del tamizado las muestras se dividieron en 10 fracciones mediante un fraccionador rotatorio para proveer 10 submuestras iguales. Estas submuestras se recolectaron en tubos de 50 mL tratados con HCl al 10%. Cuatro de los tubos, pesados previamente, fueron centrifugados eliminando por decantación la solución preservativa. A continuación las muestras se lavaron con agua desmineralizada, para eliminar las sales, centrifugando y decantando la solución nuevamente. Las muestras se secaron en un horno durante al menos 48 h a ~50°C. Después de que los tubos se aclimataron a temperatura ambiente en un desecador, se pesaron para calcular la masa del material. El cálculo de los flujos de masa totales (F) se hizo mediante la siguiente ecuación:

donde P es el peso medio, en gramos, de los cuatro tubos multiplicado por 10, ya que cada tubo representa un décimo de la muestra y multiplicando nuevamente por 8 debido a que la abertura de la trampa es de un 1/8 de m², y por último dividido entre el número de días (T) que estuvo la botella recolectando material.

Se utilizó uno de estos tubos con material seco para la determinación preliminar del contenido de carbonatos. Aproximadamente 2 mL de HCl al 10% se agregaron a las muestras contenidas en los tubos previamente pesados. Una vez finalizada la efervescencia las muestras se lavaron con 20 mL de agua desmineralizada, se centrifugaron y el sobrenadante fue decantado. Este procedimiento se repitió una vez más para asegurar la completa disolución, y la diferencia por pérdida de peso sirvió como una estimación preliminar del contenido de carbonato de calcio.

Un gran número de estos resultados preliminares fueron muy altos, posiblemente asociados a los errores del método gravimétrico. Para verificar, la mayoría de las muestras de reserva fueron analizadas por un método independiente en el Laboratorio de Química Oceánica del Instituto Shirsov de Oceanología en Moscú. El carbono inorgánico se determinó por la diferencia entre los contenidos de carbono total y carbono orgánico (Ljutsarev 1987). La veracidad de las mediciones fue controlada por el uso de estándares de sedimento y la precisión, determinada por algunas muestras por triplicado, la cual presentó un error estándar de ±8.5%.

Se examinó una muestra de sedimento superficial (recuperada del muerto de los anclajes) de alta porosidad, color café, para compararla con el material de la trampa de sedimentos.

Examinando algunas submuestras, se hizo una estimación gruesa de la contribución de varios componentes.

Resultados

Las observaciones estereoscópicas del material recolectado nos permitieron determinar qué componentes se presentan en cada muestra y su abundancia relativa durante el periodo de recolección. Las partículas predominantes fueron la nieve marina y las pelotillas fecales (fig. 2). Estas últimas varían en forma (algunas de ellas muy alargadas debido a que aún se conservaban intactas antes del fraccionamiento de las muestras) y abundancia entre muestras, indicando que las poblaciones de zooplancton cambiaban en este ambiente. Las diatomeas centrales (v.g. Coscinodiscus) estuvieron presentes todo el año, mientras que las diatomeas formando cadenas fueron evidentemente abundantes sólo en un periodo de dos semanas, durante junio (fig. 2). También se encontraron, entre otros organismos, foraminíferos, pterópodos y gasterópodos. La fracción >1 mm consistió de grandes crustáceos decápodos y ostrácodos, casas de larváceos, pterópodos y comúnmente nieve marina de consistencia gelatinosa.

Los flujos de masa totales calculados para 2002 e inicios de 2003 (tabla 1) mostraron variaciones significativas entre meses y aún de una semana a otra, con un mínimo de 0.17 g m^-2 d^-1 y un máximo de 2.48 g m^-2 d^-1. Los mínimos se presentaron a mediados de abril y finales de junio, mientras que los máximos sucedieron al inicio de marzo y mediados de noviembre (fig. 3a). El flujo medio fue de 0.82 g m^-2 d^-1.

De acuerdo con los resultados parciales por el método de culometría, la proporción de carbonatos de calcio varió entre 8% y 26% (fig. 3b), con un promedio de 14.6%. Los máximos aparecen frecuentemente a intervalos de 58 a 59 días (durante la tercera semana de enero, en marzo y mayo, la segunda semana de octubre y la tercera de noviembre de 2002, y la primera de enero de 2003; ver tabla 1). La gama de flujos varió entre 0.03 y 0.30 g m^-2 d^-1, con un promedio de 0.128 g m^-2 d^-1 (fig. 3c). Los flujos máximos (semanas tercera de enero, primera y cuarta de febrero, tercera de mayo, primera de octubre, cuarta de noviembre y cuarta de enero de 2003) no siempre corresponden a los máximos de concentración, a causa de las variaciones en el flujo de masa total. Los flujos más altos de carbonatos (>0.20 g m^-2 d^-1) se presentan en invierno y otoño.

Bajo el campo de disección, el sedimento recolectado de los muertos, alrededor del 30% consistió de una masa de partículas minerales de grano fino y otro 30% consistió de material fino, aparentemente agregado por materia orgánica. De las partículas identificables a baja magnificación, las testas de foraminíferos bentónicos parecidos a Bolivina subaduena conformaron alrededor del 10% de la muestra, mientras otro 10% fueron principalmente esqueletos incompletos o quebrados de formas de foraminíferos globulares o esféricos. Las valvas de diatomeas céntricas (Coscinodiscus y Thalassiosira) conformaron otro 10%. El 10% remanente estuvo constituido de formas más raras de foraminíferos, algunos aglutinados, algunos parecidos a Melonis parkerae, otros a la forma aplanada de Epistominela, algunos a la ovoide espiral de Chilostomella ovoidea -junto con pterópodos de conchas muy gastadas y una mezcla de pelotillas fecales rotas y partes de cuerpos de zoo-plancton. A una alta magnificación, usando un microscopio invertido, alrededor del 30% del material de grano fino parecen ser granos minerales menores que 25 μm y otro 15% fueron agregados de gránulos de color verde. Las valvas de Coscinodiscus de diámetro variable (60-250 μm) contabilizaron 30%, además de valvas más pequeñas (20-40 μm) de Thalassiosira que hicieron otro 5%. El 20% remanente del material de grano fino estuvo formado de esqueletos dispersos de diatomeas penadas (Amphora, Nitszchia), radiolarios, tintínidos, silicoflagelados y posiblemente cocolitos. Sobre todo, el material biogénico, particularmente el calcáreo, fue abundante en el sedimento superficial.

Discusión

El flujo de masa en promedio fue de 300 g m^-2 año^-1. Suponiendo que en el sedimento profundo no hay pérdida de masa por diagénesis y, como por abajo de los primeros 40 cm en los núcleos la compactación de los sedimentos finos resulta con un 50% de contendido de agua (Berner 1980, Silverberg et al 1986), la tasa actual de acumulación de sedimento en Cuenca Alfonso está calculada en 0.4 mm año^-1. Esto coincide con tasas de acumulación ya publicadas, que fueron obtenidas de perfiles de exceso de ²¹⁰Pb en núcleos de sedimentos de la Cuenca Alfonso por Nava-Sánchez (1997), Pérez-Cruz (2000) y Rodríguez-Castañeda, (2001), que son de 0.5, 0.4 y 0.63 mm año^-1, respectivamente.

La concentración del carbonato de calcio varió por un factor de tres, entre 8% y 26%. Las altas proporciones de carbonatos asociadas con bajos flujos totales han sido relacionadas a los periodos oligotróficos en varias cuencas de la margen del Oceáno Pacífico (Ziveri y Thunell 2000, Silverberg et al. 2004), durante los cuales el nanoplancton de cocolitofóridos prolifera a expensas de las diatomeas silíceas. Aún están por determinarse las proporciones de cocolitofóridos, foraminíferos y diatomeas en el material que se hunde, pero las continuas contribuciones de moderadas a altas de carbonatos en Cuenca Alfonso, aun durante el evidente florecimiento de cadenas de diatomeas en junio, sugieren un régimen diferente para la Bahía de La Paz.

La evidencia estereoscópica indica que la materia orgánica también es una componente significativa. Si el flujo de la masa total en promedio es 0.83 g m^-2 d^-1 y el flujo de CaCO₃ es 0.12 g m^-2 d^-1 , la diferencia de 0.70 g m^-2 d^-1 debería de corresponder al material terrígeno, sílice biogénico y materia orgánica.

Estudios previos han mostrado máximos de clorofila a, que indican florecimientos de fitoplancton en abril y mayo (Reyes-Salinas 1999, Martínez-López et al. 2001), mientras que Verdugo-Díaz (2004) mostró máximos en el otoño, una variación considerable de clorofila a y de la composición de las especies en función del nivel de luz. Claramente, los factores que controlan el ritmo y composición de los florecimientos fitoplanctónicos en Bahía de La Paz merecen una revisión más profunda.

Del registro paleoceanográfico de un núcleo de caja de la Cuenca Alfonso, Bernal-Franco (2001) describió tendencias inversas entre el carbono orgánico y el contenido de calcita en los últimos 1000 años. Sin embargo, desde 1650 ambos porcentajes de carbono orgánico y CaCO3 se han ido incrementando. El horizonte más reciente que ha sido examinado, muestra un 20% de contenido de calcita, pero González-Yajimovich (2004) muestra una concentración de 12% en la superficie de un núcleo de la cuenca. El promedio en nuestras trampas fue de 14%.

En un estudio de seis años que Thunell (1998) realizó con trampas de sedimentos en la Cuenca de Guaymas, que tiene 2000 m de profundidad y está situada al norte del Golfo de California central, también se observó abundante material biogénico en las partículas sedimentarias, pero el sílice biogénico (asociado a la mezcla por mareas y de surgencias que impulsaron la producción del fitoplancton) fue el componente dominante en lugar del carbonato de calcio. El promedio de los flujos de CaCO3 en la Cuenca Alfonso (0.128 g m^-2 d^-1) es mucho más grande que el 0.05 g m^-2 d^-1 determinado en la Cuenca de Guaymas (Ziveri y Thunell 2000). Además, el flujo medio de masa total en la Cuenca de Guaymas fue de 139 g m^-2 año^-1, que es considerablemente menor a los 300 g m^-2 año^-1 que registramos en Cuenca Alfonso.

Los resultados de este estudio muestran que el flujo de partículas en Cuenca Alfonso varió de manera significativa en intensidad y composición en una escala de semanas. Podemos decir que el flujo total de masa encontrado para 2002 es relativamente alto (>0.8 g m^-2 d^-1, entre cuencas áridas y subtropicales. Además, el componente de carbonato de calcio formó una proporción sustancial a lo largo del año. Estas características y la falta de dominancia de diatomeas sugieren que el flujo de partículas es controlado por factores diferentes a los observados en la Cuenca Guaymas.

Agradecimientos

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