Variabilidad de la productividad biológica marina en el Pacífico nororiental durante el último milenio
Variability of marine biological productivity in the northeastern Pacific over the past millennium
Miryam Juárez1, Alberto Sánchez1*, Oscar González-Yajimovich2
1 Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas (CICIMAR), Instituto Politécnico Nacional, Av. IPN S/N, Col. Playa Palo de Sta. Rita, CP 23096 La Paz, BCS, México. *Corresponding author. E-mail: alsanchezg@ipn.mx; alsanchezg13@gmail.com
2 Facultad de Ciencias Marinas, Universidad Autónoma de Baja California (UABC), Carretera Tijuana-Ensenada Km 103, CP 22800 Ensenada, BC, México
]]>Received October 2014,
accepted October 2014.
RESUMEN
En este trabajo se presentan nuevos datos de un registro de alta resolución de ópalo biogénico (OB), carbono orgánico (CO) y carbonato de calcio (CaCO3) en la costa occidental de Baja California Sur, México. En esta región, la variabilidad de la productividad biológica marina es dominada por la intensidad de los eventos El Niño y La Niña en diversas escalas de tiempo. Los contenidos de OB y CO disminuyeron durante el periodo de AD 1100 a 1400. En el periodo de AD 1400 al presente, el OB y CO aumentaron significativamente, lo cual indica condiciones permanentes de surgencia. El contenido de CaCO3 se correlacionó inversamente con el CO, y esto sugiere que los flujos de CO exportado son un factor significativo que controla la disolución de CaCO3 en el sedimento. El incremento en el OB y CO fue sincrónico con la disminución en el número de eventos de El Niño (6 ± 4 cada 100 años) para los últimos 600 años del milenio.
Palabras clave: ópalo biogénico, carbono orgánico, El Niño, La Niña, surgencia.
ABSTRACT
In this study we present new data of biogenic opal (BO), organic carbon (OC), and calcium carbonate (CaCO3) in a high-resolution record from the western coast of Baja California Sur, Mexico. The variability of marine biological productivity in this area is dominated by El Niño and La Niña events on different time scales. The BO and OC contents showed a decrease between AD 1100 and 1400. From AD 1400 to the present, BO and OC showed a significant increase, indicating permanent upwelling conditions. The CaCO3 content showed an inverse correlation with OC, which suggests that the exported OC fluxes are a significant factor controlling CaCO3 dissolution in the sediment. The increase in BO and OC was synchronic with a decline in the number of El Niño events (6 ± 4 every 100 years) over the last 600 years of the millennium.
]]> Key words: biogenic opal, organic carbon, El Niño, La Niña, upwelling.
Introducción
Las condiciones oceanográficas en el Pacífico nororiental tropical responden con distinta frecuencia e intensidad a la variabilidad de eventos climatológicos (Barron et al. 2003, Goni et al. 2006, Barron y Bukry 2007, Flores-Trujillo et al. 2009, Staines-Urías et al. 2009, Marchitto et al. 2010, Pérez-Cruz 2013, Ricaurte-Villota et al. 2013). La variabilidad de la productividad marina en el Pacífico nororiental durante el Holoceno ha sido explicada por varios mecanismos: (1) la posición del centro de alta presión subtropical (e.g., Goni et al. 2006, Pérez-Cruz 2013); (2) la posición relativa de la Zona de Interconvergencia Tropical y del monzón de Norteamérica (e.g., Goni et al. 2006, Staines-Urías et al. 2009, Pérez-Cruz 2013, Ricaurte-Villota et al. 2013); y (3) la actividad solar, sugerida como factor responsable exógeno de las condiciones atmosféricas y oceanográficas similares a las de El Niño o La Niña (e.g., Marchitto et al. 2010).
Los márgenes continentales de la península de Baja California se caracterizan por la alta actividad biológica marina, generada por la surgencia persistente de aguas subsuperficiales ricas en nutrientes (Escalante et al. 2013), y por una amplia zona deficiente de oxígeno (van Geen et al. 2003). Las surgencias y la alta productividad biológica marina promueven una columna de agua desnitrificante a profundidades subsuperficial e intermedia (e.g., Álvarez-Borrego 2012, Ricaurte-Villota et al. 2013, Deutsch et al. 2014). Durante el evento de El Niño (periodicidad de 4 a 7 años), se suprime la productividad biológica marina debido principalmente a la surgencia de agua pobre en nutrientes, entre otras características fisicoquímicas (Escalante et al. 2013).
Los paleoregistros del Holoceno tardío son relativamente escasos en la región tropical nororiental de México y están restringidos a la cuenca de Guaymas (Barron et al. 2003, Goni et al. 2006, Barron y Bukry 2007), la cuenca Alfonso (Staines-Urías et al. 2009, Pérez-Cruz 2013, Ricaurte-Villota et al. 2013) y la cuenca Pescadero (Flores-Trujillo et al. 2009, Staines-Urías et al. 2009) en el golfo de California, y a la cuenca Soledad (Marchitto et al. 2010, Deutsch et al. 2014) en el margen occidental de la península de Baja California. La variabilidad de la productividad marina y las condiciones de la columna de agua han sido asociadas a cambios en la actividad solar durante el Holoceno tardío. En la cuenca de Guaymas y la cuenca Alfonso, la producción de diatomeas y el flujo de sílice biogénico y otros indicadores (titanio y la razón bario/aluminio) incrementaron durante una baja actividad solar (Barron et al. 2003, Barron y Bukry 2007, Pérez-Cruz 2013, Ricaurte-Villota et al. 2013) debido a la migración hacia el norte de la alta presión subtropical, lo cual incrementó la eficiencia de los vientos del noroeste y, por tanto, la incidencia de surgencias en esta región del golfo de California (Goni et al. 2006, Barron y Bukry 2007).
En la región sur del golfo de California, el calentamiento progresivo del agua superficial durante los últimos 400 años fue relacionado con la migración hacia el norte de la Zona de Interconvergencia Tropical debido al incremento en la radiación solar (Staines-Urías et al. 2009). Incluso, el dinoflagelado Gymnodinium catenatum ha estado presente en la región sur del golfo de California desde 1483, y su abundancia relativa y absoluta es modulada positiva/negativamente por condiciones de La Niña/El Niño (Flores-Trujillo et al. 2009).
Marchitto et al. (2010) propusieron que la variabilidad de la temperatura del océano superficial está relacionada con la variabilidad de la actividad solar. Estos autores sugieren que los mínimos solares corresponden a condiciones oceanográficas cálidas similares a El Niño durante el Holoceno temprano y medio, pero no determinaron qué ocurrió en el margen occidental de la península de Baja California durante el Holoceno tardío y el último milenio. Esto deja al descubierto algunas preguntas sobre la variabilidad climática observada durante el Holoceno tardío a nivel global y cómo ésta ocurrió en el margen de Magdalena (Baja California sur, México) y se correlacionó con la variabilidad observada en la región tropical o extratropical en los últimos 1000 años. El objetivo del presente trabajo fue determinar la variabilidad de la productividad biológica marina, a partir del análisis de carbono orgánico, carbonato de calcio y ópalo biogénico, y su relación con la variabilidad en frecuencia e intensidad de los eventos de El Niño durante el último milenio, cuando ocurrieron dos eventos importantes de cambio climático global: el Óptimo Climático Medieval y la Pequeña Edad de Hielo.
Materiales y métodos
]]> El núcleo de sedimento del margen de Magdalena (multinúcleo MAGD-MC02, 42 cm; fig. 1) fue recolectado en octubre de 2009 a bordo del B/I New Horizon, y cubre aproximadamente los últimos 1000 años. Este núcleo fue muestreado a intervalos de 1 cm para obtener un registro de alta resolución de contenido de carbono orgánico, carbonatos y ópalo biogénico. El carbono orgánico se obtuvo con un analizador elemental Costech 410 en el Laboratorio de Espectrometría de Masas (CICIMAR-IPN). Los carbonatos fueron determinados con un coulómetro de dióxido de carbono (UIC Inc., modelo CM5014) en la Facultad de Ciencias Marinas (UABC). El ópalo biogénico fue determinado por el método espectrofotométrico azul de molibdeno utilizando la técnica de Mortlock y Froelich (1989).
Para determinar la edad del multinúcleo MAGD-MC02, se utilizó el modelo de edad desarrollado por van Geen et al. (2003) y Marchitto et al. (2010), que fue construido utilizando mediciones de radiocarbono (14C) por espectrometría de aceleración de masas en foraminíferos bentónicos (análisis realizados en el National Ocean Sciences Accelerator Mass Spectrometry Facility en Woods Hole, Massachusetts). Los datos de radiocarbono fueron convertidos en años calendario usando el programa de calibración CALIB 4.3 (Stuvier y Reimer 1993).
Resultados
Durante los últimos 1000 años del Holoceno tardío, el contenido de ópalo biogénico en el margen de Magdalena varió significativamente, y hubo un incremento gradual hacia el periodo reciente, con los valores mínimos en AD 1378, 1626, 1736 y 1824 (fig. 2a). Los máximos contenidos de ópalo biogénico ocurrieron en los últimos 300 años pero con una mayor variabilidad con respecto a los años previos (fig. 2a). Este incremento gradual del ópalo biogénico durante el Holoceno tardío es consistente con la tendencia en el aumento de carbono orgánico entre AD 1200 y 1750 (fig. 2b); sin embargo, la correlación directamente proporcional y significativa (R = 0.72, P < 0.001) entre el contenido de ópalo biogénico y el de carbono orgánico (fig. 3 a) se volvió inversamente proporcional y significativa (R = 0.58, P < 0.049) en los últimos 250 años del Holoceno tardío (figs. 2a, b; 3b).
El contenido de carbonates mostró muy poca variación, con un intervalo máximo de 34% y mínimo de 25%, a excepción de una disminución significativa de ~20% entre AD 1560 y 1692 (fig. 2c). El contenido de carbonates presentó una correlación inversamente proporcional y significativa con el contenido de ópalo biogénico (R = 0.70, P < 0.001; fig. 3c) y el de carbono orgánico (R = 0.47, P < 0.021; fig. 3e) entre AD 1144 y 1560. Después de la disminución significativa de carbonatos, la correlación del ópalo biogénico y los carbonatos fue directamente proporcional pero no significativa (R = 0.24, P = 0.419; fig. 3d), mientras que la correlación entre los carbonates y el carbono orgánico fue inversamente proporcional y significativa (R = 0.62, P < 0.018; fig. 3f).
]]>Discusión
Variabilidad de los componentes biogénicos
La disminución en el contenido de carbonato de calcio estuvo correlacionada con un incremento en la producción de ópalo biogénico entre AD 1144 y 1560. Con base en estas observaciones, el margen de Magdalena experimentó un cambio en la dominancia del plancton calcáreo u opalino durante este período. Esto ha sido observado en el Pacífico Tropical Oriental, donde el plancton opalino (principalmente diatomeas) incrementa considerablemente durante los eventos de surgencia y la producción de carbonatos es baja (Lyle et al. 1988, Thunell et al. 1995, Fisler y Hendy 2008) a causa de un cambio en la disponibilidad de nutrientes y/o cambios estacionales en las surgencias (Barron y Bukry 2007, Fisler y Hendy 2008, Marchitto et al. 2010, Barron et al. 2012). Sin embargo, los carbonates y el ópalo biogénico incrementaron desde AD 1692 al presente, lo cual contradice lo mencionado anteriormente.
Uno de los factores que controla el contenido de carbonatos en los sedimentos marinos es la disolución de carbonatos (Jahnke y Jahnke 2004, Morse 2005, Naik y Naidu 2008) que ocurre en el agua intersticial debido a la oxidación del carbono orgánico. Esta disolución es más intensa cuando está presente una capa bentónica fitodetrital, especialmente en regiones marginales del océano altamente productivas (Martin y Sayles 1999, de Villiers 2005); sin embargo, la hipótesis de la capa bentónica fitodetrital necesita ser evaluada en el área de estudio (Sánchez et al. 2013). En el margen de Magdalena, la disminución (el aumento) en el contenido de carbonatos se corresponde con el aumento (la disminución) en el contenido de carbono orgánico en el período de AD 1144 a 1560 (AD 1692 al presente). Esto sugiere que la variabilidad en el carbono orgánico exportado es responsable de la preservación y acumulación de carbonatos (Naik y Naidu 2010), y apoya la idea de una baja preservación de carbonatos por disolución.
La disolución de los carbonatos fue estimada utilizando la abundancia relativa de foraminíferos bentónicos y planctónicos (índice de disolución de foraminíferos [IDF], expresado como la relación entre los foraminíferos bentónicos y la suma de foraminíferos bentónicos y planctónicos; LaMontagne et al. 1996) debido a que los foraminíferos bentónicos son más resistentes a la disolución que los foraminíferos planctónicos (Ortiz et al. 2004). La correlación entre el IDF y el contenido de carbonato fue inversamente proporcional y significativa (R = 0.61, P < 0.001): los valores máximos de IDF se correspondieron con los contenidos mínimos de carbonatos (fig. 4). Esta evidencia apoya la sospecha de la pobre preservación y disolución de los carbonatos por efecto de la oxidación de la materia orgánica, derivada de la alta productividad marina exportada, y no por un cambio en la dominancia del plancton opalino o calcáreo durante este período.
Margen de Magdalena y su respuesta a El Niño durante el último milenio
]]> El registro sedimentario del margen de Magdalena mostró dos cambios significativos en la productividad biológica marina en el último milenio. En el primer cambio, durante el período de AD 1100 a 1350, el bajo contenido de ópalo biogénico y carbono orgánico indicaron una disminución en la productividad, lo cual sugiere condiciones poco favorables para el desarrollo de surgencias, una corriente de California débil y una baja presión de las Aleutianas fortalecida y/o más hacia el oriente, similares a las condiciones de El Niño. En el segundo cambio, los contenidos de ópalo biogénico y carbono orgánico mostraron un incremento constante a partir de AD 1400 al presente, y esto sugiere condiciones favorables para el desarrollo de surgencias debido al fortalecimiento de un centro de alta presión del Pacífico Norte y de la corriente de California y a una menor incidencia de eventos El Niño.La variabilidad de la productividad biológica marina en el Pacífico nororiental ha sido asociada al cambio en las condiciones fisicoquímicas de la columna de agua que son moduladas estacionalmente por el movimiento de los centros de alta y baja presión del Pacífico Norte y el movimiento de la Zona de Interconvergencia Tropical, e interanualmente durante los eventos de El Niño y La Niña. El último milenio estuvo caracterizado por cambios significativos en el número de eventos de El Niño. Durante los primeros 400 años, el promedio de eventos El Niño fue de 15 ± 7 cada 100 años, lo cual resulta contrastante con el promedio de 6 ± 4 eventos cada 100 años durante los últimos 600 años (Moy et al. 2002). Adicionalmente, el régimen moderado de El Niño, establecido desde hace 3000 años, es sensitivo a los cambios en las condiciones de frontera del clima, incluyendo-pero no limitado a- la insolación (Carré et al. 2014).
La baja productividad marina observada en la primer parte del registro sedimentario del margen de Magdalena coincide con una temperatura del océano superficial más cálida frente a Oregón y California. Esto indica una migración de aguas subtropicales pobres en nutrientes hacia la costa y una disminución en la incidencia de surgencias frente a California, excepto en cuenca Santa Bárbara, donde las surgencias de primavera fueron más intensas (Barron y Anderson 2011). La asociación de foraminíferos planctónicos experimentó un cambio significativo durante los últimos 2000 años en cuenca Santa Bárbara (Fisler y Hendy 2008) y cuenca Soledad (Wilsbacher 2007). La presencia de especies subtropicales (Globigerinoides ruber y G. rubescens) que coexisten con Neogloboquadrina pachyderma y Globigerina quinqueloba sugiere la ocurrencia de eventos cálidos anómalos análogos a un estado de El Niño. A partir de la reflectancia espectral difusa, trazador geoquímico del depósito de carbono orgánico (Ortiz et al. 2004), se logró identificar una recurrencia de eventos El Niño y La Niña durante el Holoceno tardío en la región oriental del Pacífico Norte (Cortina y Herguera 2014).
La presencia y abundancia de G. quinqueloba está asociada a una alta producción de diatomeas (Kincaid et al. 2000, Sautter y Thunell 1991) en el océano durante un estado de La Niña (Black et al. 2001). En el último milenio, la dominancia de G. quinqueloba respecto a Globigerina bulloides ocurre cuando masas de agua subpolar con alto contenido de nutrientes y baja concentración de clorofila son advectadas en el Sistema de la Corriente de California (Fisler y Hendy 2008). Este mecanismo de fertilización del océano superficial ha sido propuesto para explicar cómo ocurre el incremento en el contenido de ópalo biogénico debido a la advección de masas de agua de estas regiones mediante la fuga de ácido ortosilícico (Brzezinski et al. 2002, Matsumoto et al. 2002, Matsumoto y Sarmiento 2008) hacia regiones limitadas por este nutriente; esto promueve una alta producción de diatomeas a lo largo del Pacífico nororiental en una escala de tiempo glaciar-interglaciar (Arellano-Torres et al. 2011). Este mismo mecanismo de fertilización del océano superficial es considerado como responsable del incremento en el contenido de ópalo biogénico en el margen de Magdalena en los últimos 600 años.
El incremento constante en el contenido de ópalo biogénico y carbono orgánico para el margen de Magdalena (fig. 2a, b) confirma que en los últimos 600 años se presentaron condiciones oceanográficas similares a las de un evento La Niña en el Pacífico oriental. En efecto, el incremento observado en los indicadores de la productividad biológica marina se corresponde con una disminución en el número de eventos de El Niño registrado para la laguna Pallcacocha en Ecuador (Moy et al. 2002) a partir de AD 1400 (fig. 5). Estos registros en conjunto soportan la evidencia de que el Pacífico nororiental ha mantenido condiciones en la columna de agua similares a las condiciones durante La Niña en el Holoceno tardío, así como en los últimos 600 años, interrumpidas por algunos eventos extremos de El Niño.
La variabilidad observada en el contenido de carbonato de calcio sugiere que la preservación y acumulación de este componente biogénico en los sedimentos del margen de Magdalena es dependiente del carbono orgánico exportado, y apoya la idea de una intensa disolución de carbonatos entre AD 1560 y 1692. Por tanto, la sucesión de grupos planctónicos no explica la variabilidad del carbonato de calcio en los sedimentos. Los registros del contenido de ópalo biogénico y carbono orgánico en los sedimentos del margen de Magdalena sugieren que la productividad biológica marina ha incrementado significativamente desde AD 1400 hasta el presente, y este incremento es concurrente con la disminución en el número de eventos El Niño. El aumento en la productividad biológica marina puede ser soportado por la advección de masas de agua con alto contenido de nutrientes de regiones subpolares vía el Sistema de la Corriente de California.
Agradecimientos
Este trabajo fue financiado por el Instituto Politécnico Nacional (IPN, proyectos SIP20130541 y SIP20140132 a AS) y parcialmente por la UABC (programa UABC 401/1/C/ 76/17 a OGY). MJ fue apoyada por una beca del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y una beca del IPN (BEIFI).
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