Capacidad de carga

La capacidad de carga de un entorno es el tamaño máximo de población de una especie biológica que puede sustentar ese entorno específico, dado el alimento, el hábitat, el agua y otros recursos disponibles. La capacidad de carga se define como la carga máxima del medio ambiente, que en ecología de poblaciones corresponde al equilibrio poblacional, cuando el número de muertes en una población es igual al número de nacimientos (así como la inmigración y la emigración). El efecto de la capacidad de carga sobre la dinámica de la población se modela con una función logística. La capacidad de carga se aplica a la población máxima que un entorno puede soportar en ecología, agricultura y pesca. El término capacidad de carga se aplicó a algunos procesos diferentes en el pasado antes de finalmente aplicarse a los límites de población en la década de 1950. La noción de capacidad de carga para los seres humanos está cubierta por la noción de población sostenible.

A escala global, los datos científicos indican que los humanos están viviendo más allá de la capacidad de carga del planeta Tierra y que esto no puede continuar indefinidamente. Esta evidencia científica proviene de muchas fuentes. Se presentó en detalle en la Evaluación de Ecosistemas del Milenio de 2005, un esfuerzo de colaboración que involucró a más de 1.360 expertos en todo el mundo. La contabilidad de la huella ecológica y la investigación interdisciplinaria sobre los límites planetarios para el uso seguro de la biosfera por parte de los seres humanos proporcionan informes detallados más recientes. El Sexto Informe de Evaluación sobre Cambio Climático del IPCC y el Primer Informe de Evaluación sobre Biodiversidad y Servicios Ecosistémicos de IPBES, grandes resúmenes internacionales del estado del conocimiento científico sobre la alteración del clima y la pérdida de biodiversidad, también respaldan esta opinión.

Un examen temprano detallado de los límites globales se publicó en el libro de 1972 Limits to Growth, que ha dado lugar a comentarios y análisis de seguimiento. Una revisión de 2012 en Nature realizada por 22 investigadores internacionales expresó su preocupación de que la Tierra pueda estar "acercándose a un cambio de estado" en el que la biosfera puede volverse menos hospitalaria para la vida humana y en el que la capacidad de carga humana puede disminuir. Esta preocupación de que la humanidad pueda estar pasando más allá de los "puntos de inflexión" para el uso seguro de la biosfera ha aumentado en los años siguientes. Las estimaciones recientes de la capacidad de carga de la Tierra oscilan entre dos y cuatro mil millones de personas, dependiendo de cuán optimistas sean los investigadores sobre la cooperación internacional para resolver problemas de acción colectiva perversos. Estas estimaciones afirman que cuantas más personas buscamos sustentar, más modesto debe ser su nivel de vida promedio.

Orígenes

En términos de dinámica demográfica, el término 'capacidad de carga' no fue utilizado explícitamente en 1838 por el matemático belga Pierre François Verhulst cuando publicó por primera vez sus ecuaciones basadas en la investigación sobre la modelización del crecimiento de la población.

Los orígenes del término "capacidad de carga" son inciertos, con fuentes que afirman que se usó originalmente "en el contexto del transporte marítimo internacional" en la década de 1840, o que se utilizó por primera vez durante experimentos de laboratorio con microorganismos en el siglo XIX. Una revisión de 2008 encuentra que el primer uso del término en inglés fue un informe de 1845 del Secretario de Estado de los EE. UU. al Senado de los EE. UU. Luego se convirtió en un término usado generalmente en biología en la década de 1870, siendo más desarrollado en el manejo de la vida silvestre y el ganado a principios del siglo XX. Se había convertido en un término básico en ecología utilizado para definir los límites biológicos de un sistema natural relacionado con el tamaño de la población en la década de 1950.

Los neomaltusianos y los eugenistas popularizaron el uso de las palabras para describir el número de personas que la Tierra puede soportar en la década de 1950, aunque los bioestadísticos estadounidenses Raymond Pearl y Lowell Reed ya lo habían aplicado en estos términos a las poblaciones humanas en la década de 1920.

Hadwen y Palmer (1923) definieron la capacidad de carga como la densidad de ganado que podría pastar durante un período definido sin dañar el pastizal.

Fue utilizado por primera vez en el contexto de la gestión de la vida silvestre por el estadounidense Aldo Leopold en 1933, y un año después por el estadounidense Paul Lester Errington, especialista en humedales. Usaron el término de diferentes maneras, Leopold en gran parte en el sentido de animales de pastoreo (diferenciando entre un "nivel de saturación", un nivel intrínseco de densidad en el que viviría una especie, y la capacidad de carga, la mayoría de los animales que podrían estar en el campo) y Errington definiendo 'capacidad de carga' como el número de animales por encima del cual la depredación se volvería 'pesada' (esta definición ha sido rechazada en gran medida, incluso por el propio Errington). El importante y popular libro de texto sobre ecología de 1953 de Eugene Odum, Fundamentals of Ecology, popularizó el término en su significado moderno como el valor de equilibrio del modelo logístico de crecimiento de la población.

Matemáticas

La razón específica por la que una población deja de crecer se conoce como factor limitante o regulador.

Alcanzar la capacidad de carga mediante una curva de crecimiento logístico

La diferencia entre la tasa de natalidad y la tasa de mortalidad es el aumento natural. Si la población de un organismo determinado está por debajo de la capacidad de carga de un entorno determinado, este entorno podría soportar un aumento natural positivo; si se encuentra por encima de ese umbral, la población normalmente disminuye. Así, la capacidad de carga es el número máximo de individuos de una especie que puede soportar un ambiente.

El tamaño de la población disminuye por encima de la capacidad de carga debido a una variedad de factores que dependen de la especie en cuestión, pero puede incluir espacio insuficiente, suministro de alimentos o luz solar. La capacidad de carga de un ambiente varía para las diferentes especies.

En el álgebra ecológica estándar, como se ilustra en el modelo Verhulst simplificado de dinámica de población, la capacidad de carga está representada por la constante K:

dNdt=rN()1− − NK){displaystyle {frac {}=rNleft(1-{frac} {N}}right)}

dónde

• N es el tamaño de la población,
• r es la tasa de crecimiento intrínseco
• K es la capacidad de carga del medio ambiente local, y
• dN/dt, el derivado de N con respecto al tiempo t, es la tasa de cambio en la población con el tiempo.

Por lo tanto, la ecuación relaciona la tasa de crecimiento de la población N con el tamaño de la población actual, incorporando el efecto de los dos parámetros constantes r y K. (Tenga en cuenta que la disminución es un crecimiento negativo). La elección de la letra K proviene del alemán Kapazitätsgrenze (límite de capacidad).

Esta ecuación es una modificación del modelo Verhulst original:

dNdt=rN− − α α N2{displaystyle {frac {dN}=rN-alpha N^{2}

En esta ecuación, la capacidad de carga K, NAlternativa Alternativa {displaystyle No., es

NAlternativa Alternativa =rα α .{displaystyle No. }}

Se trata de un gráfico de cambio demográfico utilizando el modelo de curva logística. Cuando la población está por encima de la capacidad de carga disminuye, y cuando está por debajo de la capacidad de carga aumenta.

Cuando el modelo de Verhulst se traza en un gráfico, el cambio de población a lo largo del tiempo toma la forma de una curva sigmoidea, alcanzando su nivel más alto en K. Esta es la curva de crecimiento logístico y se calcula con:

f()x)=L1+e− − k()x− − x0),{displaystyle f(x)={frac {L}{1+e^{-k(x-x_{0}}}}}}}

dónde

• e es la base de logaritmo natural (también conocida como el número de Euler),
• x₀ es x valor del punto medio del sigmoide,
• L es el valor máximo de la curva,
• K es la tasa de crecimiento logístico o la empinada de la curva y
• f()x0)=L/2.{displaystyle f(x_{0}=L/2}

La curva de crecimiento logístico muestra cómo la tasa de crecimiento de la población y la capacidad de carga están interconectadas. Como se ilustra en el modelo de curva de crecimiento logístico, cuando el tamaño de la población es pequeño, la población aumenta exponencialmente. Sin embargo, a medida que el tamaño de la población se acerca a la capacidad de carga, el crecimiento disminuye y llega a cero en K.

Lo que determina la capacidad de carga de un sistema específico implica un factor limitante; esto puede ser el suministro disponible de alimentos o agua, las áreas de anidación, el espacio o la cantidad de desechos que se pueden absorber sin degradar el medio ambiente y disminuir la capacidad de carga. Cuando los recursos son finitos, como en el caso de una población de Osedax en una caída de ballenas o de bacterias en una placa de petri, la población volverá a descender hasta cero una vez que se hayan agotado los recursos, y la curva alcanzará su apogeo. en K. En sistemas en los que los recursos se reponen constantemente, la población alcanzará su equilibrio en K.

Hay software disponible para ayudar a calcular la capacidad de carga de un entorno natural determinado.

Ecología de poblaciones

La capacidad de carga es un concepto comúnmente utilizado por los biólogos cuando intentan comprender mejor las poblaciones biológicas y los factores que las afectan. Cuando se trata de poblaciones biológicas, la capacidad de carga puede verse como un equilibrio dinámico estable, teniendo en cuenta las tasas de extinción y colonización. En biología de poblaciones, el crecimiento logístico supone que el tamaño de la población fluctúa por encima y por debajo de un valor de equilibrio.

Numerosos autores han cuestionado la utilidad del término cuando se aplica a poblaciones silvestres reales. Aunque útil en teoría y en experimentos de laboratorio, la capacidad de carga como método para medir los límites de población en el medio ambiente es menos útil ya que a veces simplifica demasiado las interacciones entre especies.

Agricultura

Es importante que los agricultores calculen la capacidad de carga de sus tierras para que puedan establecer una carga ganadera sostenible. Por ejemplo, el cálculo de la capacidad de carga de un potrero en Australia se realiza en Dry Sheep Equivalents (DSE). Un solo DSE es de 50 kg Merino, oveja seca u oveja no gestante, que se mantiene en una condición estable. No solo las ovejas se calculan en DSE, la capacidad de carga para otro ganado también se calcula utilizando esta medida. Un ternero destetado de 200 kg de raza estilo británico ganando 0,25 kg/día es 5,5 DSE, pero si el mismo peso del mismo tipo de ternero estuviera ganando 0,75 kg/día, se mediría en 8 DSE. El ganado no es todo igual, sus DSE pueden variar según la raza, las tasas de crecimiento, los pesos, si es una vaca ('dam'), novillo u buey ('bullock' en Australia), y si está destetando, embarazada o 'mojada' (es decir, lactante).

En otras partes del mundo se utilizan diferentes unidades para calcular la capacidad de carga. En Reino Unido el paddock se mide en LU, unidades de ganado, aunque existen diferentes esquemas para ello. Nueva Zelanda utiliza LU, EE (equivalentes de oveja) o SU (unidades de stock). En USA y Canadá el sistema tradicional utiliza unidades animales (AU). Una unidad franco-suiza es la Unité de Gros Bétail (UGB).

Verano de vacas lecheras en los Alpes Suizos en Valais Cantón

En algunos países europeos, como Suiza, el pasto (alm o alp) se mide tradicionalmente en Stoß, donde un Stoß equivale a cuatro Füße (pies). Un sistema europeo más moderno es Großvieheinheit (GV o GVE), que corresponde a 500 kg de peso vivo de ganado. En agricultura extensiva 2 GV/ha es una carga animal común, en agricultura intensiva, cuando el pastoreo se complementa con forraje extra, las tasas pueden ser de 5 a 10 GV/ha. En Europa, las tasas de carga promedio varían según el país, en 2000 los Países Bajos y Bélgica tenían una tasa muy alta de 3,82 GV/ha y 3,19 GV/ha respectivamente, los países vecinos tienen tasas de alrededor de 1 a 1,5 GV/ha, y más al sur Los países europeos tienen tasas más bajas, siendo España la que tiene la tasa más baja de 0,44 GV/ha.

Este sistema también se puede aplicar a espacios naturales. El pastoreo de megaherbívoros a aproximadamente 1 GV/ha se considera sostenible en los pastizales de Europa central, aunque esto varía ampliamente según muchos factores. En ecología se considera teóricamente (es decir, sucesión cíclica, dinámica de parches, hipótesis de megaherbívoros) que una presión de pastoreo de 0,3 GV/ha por parte de la vida silvestre es suficiente para dificultar la forestación en un área natural. Debido a que las diferentes especies tienen diferentes nichos ecológicos, por ejemplo, los caballos pastan pasto corto, el ganado pasto más largo y las cabras o los ciervos prefieren ramonear arbustos, la diferenciación de nichos permite que un terreno tenga una capacidad de carga ligeramente mayor para un grupo mixto de especies, de lo que tendría. si hubiera una sola especie involucrada.

Algunos esquemas de nicho de mercado exigen tasas de ganado más bajas que las que se pueden pastorear al máximo en un pasto. Para comercializar unos' productos cárnicos como 'biodinámicos', se exige un Großvieheinheit más bajo de 1 a 1,5 (2,0) GV/ha, con algunas granjas que tienen una estructura operativa que usa solo 0,5 a 0,8 GV/ha.

La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación ha introducido tres unidades internacionales para medir la capacidad de carga: unidades de ganado de la FAO para América del Norte, unidades de ganado de la FAO para el África subsahariana y unidades de ganado tropical.

Otro método más aproximado y menos preciso para determinar la capacidad de carga de un potrero es simplemente mirar objetivamente la condición de la manada. En Australia, el sistema estandarizado nacional para calificar las condiciones del ganado se realiza mediante la puntuación de la condición corporal (BCS). Un animal en muy malas condiciones se califica con un BCS de 0, y un animal extremadamente saludable se califica con 5: los animales pueden calificarse entre estos dos números en incrementos de 0,25. Se deben puntuar al menos 25 animales del mismo tipo para proporcionar un número estadísticamente representativo, y la puntuación debe realizarse mensualmente; si el promedio cae, esto puede deberse a una carga animal por encima de la capacidad de carga del potrero o a que es demasiado baja. forraje. Este método es menos directo para determinar las tasas de carga animal que observar la pastura en sí, porque los cambios en la condición de la población pueden retrasarse con respecto a los cambios en la condición de la pastura.

Pesca

Una pesquería al atardecer en Cochin, Kerala, India.

En la pesca, la capacidad de carga se utiliza en las fórmulas para calcular los rendimientos sostenibles para la gestión pesquera. El rendimiento máximo sostenible (MSY) se define como "la captura promedio más alta que se puede obtener continuamente de una población explotada (= población) en condiciones ambientales promedio". El RMS se calculó originalmente como la mitad de la capacidad de carga, pero se ha perfeccionado a lo largo de los años y ahora se considera aproximadamente el 30 % de la población, según la especie o la población. Debido a que la población de una especie que cae por debajo de su capacidad de carga debido a la pesca se encontrará en la fase exponencial de crecimiento, como se ve en el modelo de Verhulst, la captura de una cantidad de pescado igual o inferior al RMS es un rendimiento excedente que puede cosecharse de forma sostenible sin reducir el tamaño de la población en equilibrio, manteniendo la población en su máximo reclutamiento. Sin embargo, la pesca anual puede verse como una modificación de r en la ecuación, es decir, el entorno se ha modificado, lo que significa que el tamaño de la población en equilibrio con la pesca anual está ligeramente por debajo de lo que K sería sin ella.

Tenga en cuenta que matemáticamente y en términos prácticos, el RMS es problemático. Si se cometen errores e incluso se captura una pequeña cantidad de peces cada año por encima del RMS, la dinámica de las poblaciones implica que la población total eventualmente disminuirá a cero. La capacidad de carga real del medio ambiente puede fluctuar en el mundo real, lo que significa que, en la práctica, el RMS puede variar de un año a otro (los rendimientos sostenibles anuales y el rendimiento medio máximo intentan tener esto en cuenta). Otros conceptos similares son el rendimiento sostenible óptimo y el rendimiento económico máximo; ambas son tasas de captura por debajo del RMS.

Estos cálculos se utilizan para determinar las cuotas de pesca.

Humanos

La capacidad de carga humana es una función de cómo vive la gente y la tecnología a su disposición. Las dos grandes revoluciones económicas que marcaron la historia humana hasta 1900 (las revoluciones agrícola e industrial) aumentaron considerablemente la capacidad de carga humana de la Tierra, de 5 a 10 millones de personas en el año 10000 a. C. a 1500 millones en 1900. Las inmensas mejoras tecnológicas de los últimos 100 años —en química aplicada, física, informática, ingeniería genética y más— han aumentado aún más la capacidad de carga humana de la Tierra, al menos a corto plazo. Sin el proceso de Haber-Bosch para la fijación de nitrógeno, la agricultura moderna no podría sustentar a 8 mil millones de personas. Sin la Revolución Verde de las décadas de 1950 y 1960, la hambruna podría haber sacrificado a un gran número de personas en los países más pobres durante las últimas tres décadas del siglo XX.

Sin embargo, los éxitos tecnológicos recientes se han producido con graves costos ambientales. El cambio climático, la acidificación de los océanos y las enormes zonas muertas en las desembocaduras de muchos de los grandes ríos del mundo son una función de la escala de la agricultura contemporánea y las muchas otras demandas que 8 mil millones de personas hacen al planeta. Los científicos ahora hablan de que la humanidad supera o amenaza con superar los 9 límites planetarios para el uso seguro de la biosfera. Los impactos ecológicos sin precedentes de la humanidad amenazan con degradar los servicios de los ecosistemas de los que dependen las personas y el resto de la vida, lo que podría disminuir la capacidad de carga humana de la Tierra. Las señales de que hemos cruzado este umbral son cada vez mayores.

El hecho de que la degradación de los servicios esenciales de la Tierra sea obviamente posible, y que ocurra en algunos casos, sugiere que 8 mil millones de personas pueden estar por encima de la capacidad de carga humana de la Tierra. Pero la capacidad de carga humana es siempre una función de un cierto número de personas que viven de cierta manera. Esto fue resumido por la ecuación IPAT de Paul Ehrlich y James Holdren (1972): impacto ambiental (I) = población (P) x riqueza (A) x las tecnologías utilizadas para satisfacer las demandas humanas (T). IPAT ha encontrado una confirmación espectacular en las últimas décadas dentro de la ciencia del clima, donde la identidad de Kaya para explicar los cambios en las emisiones de CO2 es esencialmente IPAT con dos factores tecnológicos separados para facilitar su uso.

Esto sugiere a los optimistas tecnológicos que los nuevos descubrimientos tecnológicos (o el despliegue de los existentes) podrían continuar aumentando la capacidad de carga humana de la Tierra, como lo ha hecho en el pasado. Sin embargo, la tecnología tiene efectos secundarios inesperados, como hemos visto con el agotamiento del ozono estratosférico, la deposición excesiva de nitrógeno en los ríos y bahías del mundo y el cambio climático global. Esto sugiere que 8 mil millones de personas pueden ser sostenibles durante unas pocas generaciones, pero no a largo plazo, y el término "capacidad de carga" implica una población que es sostenible indefinidamente. También es posible que los esfuerzos para anticipar y manejar los impactos de nuevas y poderosas tecnologías, o para dividir los esfuerzos necesarios para mantener los impactos ecológicos globales dentro de límites sostenibles entre más de 200 naciones, todas persiguiendo sus propios intereses, puedan resultar demasiado complicado de lograr a largo plazo.

Se pueden afirmar con confianza dos cosas con respecto a la capacidad de carga de la Tierra, según la Gran Aceleración del uso de energía y materiales, la generación de desechos y la degradación ecológica posterior a la Segunda Guerra Mundial. Primero, las expansiones en la capacidad de carga humana se han producido a expensas de muchas otras especies que ocupan la Tierra en la actualidad. Entre 1970 y la actualidad, las poblaciones de vertebrados salvajes han disminuido un 60 %; Es posible que se hayan producido disminuciones igualmente pronunciadas entre los insectos y las plantas vasculares, aunque la evidencia es más incompleta. Por lo tanto, nuestros esfuerzos exitosos para aumentar la capacidad de carga humana se han producido a expensas de la capacidad de la Tierra para sustentar otras especies. A medida que convertimos el hábitat y los recursos para nuestro propio uso, otras especies han disminuido drásticamente, hasta el punto de que los biólogos conservacionistas hablan de una incipiente extinción masiva de especies.

En segundo lugar, las expansiones en la riqueza per cápita y los aumentos concomitantes en el consumo per cápita, el uso de recursos y la generación de desechos tienden a disminuir el número total de personas que se pueden sostener a largo plazo. En igualdad de condiciones, una población más rica, que vive más lujosamente, tiene una capacidad de carga menor que una población más pobre y más abstemia. A medida que aumenta la riqueza, la población debe disminuir para permanecer dentro de cualquier capacidad de carga teórica, y viceversa.