EKOSYSTEMY LĄDOWE WBNZ PRODUKCJA PIERWOTNA DEOKOMPOZYCJA BILANS WĘGLA

Transkrypt

1 EKOSYSTEMY LĄDOWE WBNZ PRODUKCJA PIERWOTNA DEOKOMPOZYCJA BILANS WĘGLA

2 PRODUKCJA PIERWOTNA

3 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

4

5 MIARY STANU I TEMPA PRODUKCJI BIOMASY 1. Stan: g (kg) biomasy / m 2 [ha, km 2 ] 2. Produkcja: g [kg] biomasy / (m 2 [ha km 2 ] rok [doba, godz] PRZELICZENIA JEDNOSTEK 1 g s.m. ~ 5 g biomasy = 4.1 kcal = 17.2 kj 1 g węgla = 2.4 g s.m. (bo: C 6 H 12 O 6...) 1 kcal = 4,183 kj 1 g C = ok.. 10 kcal = 41 kj 1 J/sec = 1W = 86.4 kj/dobę

6 Pomiar produkcji pierwotnej netto w lasach Produkcja nadziemna (ANPP) metody Ŝniwne metody dendrometryczne metody pośrednie Produkcja podziemna (BNPP) duŝy kłopot Aboveground Net Primary Production Belowground Net Primary Production

7 ZaleŜności morfometryczne drzew

8 ZALEśNOŚĆ PRODUKCJI NADZIEMNIEJ NETTO (ANPP) OD BIOMASY LIŚCI W LASACH PN AMERYKI

9 METODY POMIARU BNPP 1. Biomasa podziemna 2. Rdzenie wrostowe (ingrowth cores) 3. Izotopy C 4. Bilans węgla 5. Bilans azotu 6. Minirizotrony (minirhisotrons)

10 POŚREDNIE METODY POMIARU PRODUKCJI PIERWOTNEJ: ZALEśNOŚĆ IR/R REFL. OD LAI ZALEśNOŚĆ NPP OD LAI

11 Leaf Area Index = LAI

12 Widmo promieniowania słonecznego

13 ZASADA ZDALNEGO POMIARU NDVI NDVI = (IR-R)/IR+R)

14 Zasada pomiaru NDVI NDVI (IR-R)/(IR+R)

15 NDVI = (IR-R)/IR+R)

16

17

18 BADANIA SATELITARNE Landsat 7

19 Platforma LANDSAT (od 1972) Spektrometr MSS, Thematic Mapper (TM) Rozdzielczość czasowa: 16 dni Rozdzielczość spektralna: 7 kanałów µm Rozdzielczość przestrzenna m niebieski m zielony m czerwony m podczerwień m podczerwień m termiczne m podczerwień Landsat 1, 1972 Scena 175 x 182 km Obecnie funkcjonują: Landsat 5 (1984) Landsat 7 (1999) Enhanced Thematic Mapper

20 NIEBIESKIE

21 ZIELONOśÓŁTE

22 CZERWONE

23 BLISKA PODCZERWIEŃ

24 PODCZERWIEŃ

25 PODCZERWIEŃ

26 PUSZCZA NIEPOŁOMICKA (Landsat, Aug.1992; bands 5+4+2)

27 PUSZCZA NIEPOLOMICKA LANDSAT IMAGE Aug IDRISI composit 7+5+2

28 landsat kanaly 4+3 (NDVI) PUSZCZA NIEPOLOMICKA NDVI Landsat bands 4&3

29 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit

30 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit = 256

31 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit

32 Rozdzielczość przestrzenna: 30 m 30 m

33 EOS Earth Observing System

34 START RAKIETY Z SATELITĄ TERRA

35 Terra orbita zbliŝona do kolistej, solarnie-synchroniczna, nachylenie 98.2 o przecina równik dwa razy przy kaŝdym okrąŝeniu o (czasu lokalnego) N S, oraz o S N

36 SATELITA TERRA aparatura pomiarowa: AQUA AURA ASTER CERES MISR MODIS MOPITT

37 TERRA Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) (Japoński) Obrazy wysokiej rozdzielczości: pow. lądu, wody, lodu i chmur; 3 niezaleŝne czujniki, razem 14 pasm spektralnych od widzialnego do dalekiej podczerwieni; rozdzielczość przestrzenna 15 m (widzialne), 30 m (bliska podczerwień), 90 m (daleka podczerwień); pracuje tylko w wybranych okresach; umoŝliwia np. pomiar zawartości SO 2 w wyziewach wulkanicznych (niewielkich rozmiarów)

38 Erupcja wulkanu Kilauea (Hawaje) 30.X.2001 Kombinacja obrazu wielospektralnego w zakresie widzialnym (sztuczne kolory) i w podczerwieni cieplnej); 42 x 44 km ujście gazów Pu'u O'o TERRA (Aster)

39 AURA OMI (Ozone Monitoring Instrument) Wybuch wulkanu Rabaul, 7. października 2006 Dwutlenek siarki w wyziewach wulkanicznych

40 ASTER, TERRA sztuczne kolory kombinacja czerwieni, bliskiej podczerwieni i zieleni

41 rozdz. 15m TERRA

42 ASTER Postępujące wylesianie Puszczy Amazońskiej stanie Mato Groso w Brazylii. Kolor czerwony oznacza pokrycie terenu roślinnością widać znaczne obszary po wylesienniu zupełnie nagie

43 Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) TERRA 9 kamer pod róŝnymi kątami, 4 pasma spektralne; pomiar reflektancji nadirowej i czarnego nieba (wielokierunkowej) badania właściwości roślinności, rozproszenia światła na aerozolach itp..

44 Zmiany pokrycia roślinnością (Namibia/środkowa Angola) MISR (Terra); top of atmosphere (góra) directional hemispherical reflectance (dół)

45 Gęstość optyczna atmosferycznego aerozolu 2001/2002 (MISR)

46 TERRA Moderate Resolution Imaging Spectro- Radiometer (MODIS) wielospektralny radiometr skanujący (w poprzek trasy) z 36 pasmami (od widzialnych do podczerwieni cieplnej) rozdzielczość przestrzenna: 1km, 500m, 250m pomiary procesów biologicznych (NDVI, EVI) i fizycznych na lądzie i na pow. oceanu; w zasadzie ciągły pomiar Pp całej planety

47 Wylesienie puszczy amazońskiej w stanie Mato Grosso w Brazylii TERRA - MODIS róŝnica (wylesienie)

48

49 MODIS, 24.III.2003 pixel=1 km pixel = 250 m

50 TERRA Measurements of Pollution in the Troposphere (MOPITT) pomiary tlenku węgla i metanu w troposferze metodą spektroskopii korelacyjnej

51 TERRA MOPITT Rozmiesczenie tlenku węgla CO pochodzącego ze spalania paliw, 2004

52 INNE PLATFORMY i SKANERY ENVISAT (Europejska Agencja Kosmiczna) LANDSAT (USA) Quick Bird (Digital Globe Corporation) NOA (USA) - AVHRR

53 WorldView-2 LAND INFO Worldwide Mapping, LLC Spatial Resolution Panchromatic.46 meter GSD at Nadir.52 meter GSD at 20 degrees off-nadir Multispectral 1.84 meters GSD at Nadir 2.08 meters GSD at 20 degrees off-nadir Dynamic Range 11-bits per pixel Mission Life 7.25 years Revisit Time 1.1 days at 1m GSD or less 3.7 days at 20 degrees off-nadir or less (0.52 meter GSD) Orbital Altitude 770 km Nodal Crossing 10:30 am

54 Spectral Range Panchromatic: nm Multispectral: nm (coastal) nm (blue) nm (green) nm (yellow) nm (red) (red edge) (near IR-1) nm (near IR-2) Swath Width 16.4 km at nadir Off-Nadir Imaging Nominally +/- 45 degrees off-nadir = 1,355 swath width Higher angles selectively available

55 50cm and 2m Satellite Imagery - Pricing per square kilometer. 50cm Panchromatic, 2m Multispectral (4-Band) or 50cm 3-band PS (color) Image Library (Archive)...$14 Select Tasking (New)...$20 50cm 4-band Pan-Sharpened or Bundle (50cm Pan + 4-Band 2m MS) Image Library (Archive)...$17 Select Tasking (New)...$23 Minimum order area for archive imagery = 25 sq. km. Minimum order cost for new Select Tasking collection = $1,800 USD Cloud Cover specification for Select Tasking orders is 15% or less 20% educational discount for any non-commercial study or research

56 ENVISAT (Europejska Agencja Kosmiczna) Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography (SCIAMACHY): NO 2 w troposferze, średnia 2003

57 Kanał Panamski III Landsat 7 NDVI

58 Wyspa Barro Colorado 29. III satelita QuickBird (Digital Globe Corporation) rozdz. <1m

59

60 Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) Satelity: NOAA (9, 10, 12, 14); od 1978 r Szerokopasmowy; 4 (5) kanałów spektralnych: widzialne, bliska podczerwień, daleka podczerwień. Rozdz. spektralna 1.1 km lub 1.1 x 4 km

61 Sea-Viewing Wide Field-of-view Sensor SeaWiFS Satelita OrbView-2 (VIII. 1997) Rozdzielczość spektralna 1.1.km 8 pasm spektralnych (6 w zakresie widzialnym, 2 w bliskiej podczerwieni) produkty: np. chlorofil a

62 StęŜenie chlorofilu w oceanie k. Islandii (mg/m 2 ) SEAWIFS Obraz panchromatyczny Chlorofil (przetworzony z NDVI

63 SeaWIFS, 3.VII.2001

64 Google Earth.lnk

65 Tabela wybranych wartości NPP (sucha masa) na lądach Lasy równikowe Lasy umiarkowane Tajga Sawanna, Stepy itp. Inne Razem lądy g /(m 2.rok) t/rok

66 NPP Arktyki (Roy et al. 2001) NPP (g m -2 rok -1 ) Materia organ. (kg m -2 ) Świat Nadz. Podz. Razem Rośliny Gleba Razem kg krzewy krzewinki turzyce wilg półpust tundra pólp pust Suma [Sucha masa]

67 NPP lasów borealnych Typ lasu n ANPP BNPP NPP BNPP/ NPP drzewa podszyt g C m -2 rok -1 Picea sp ±28 96 ± ± Pinus sp ±16 10 ±5 95 ± Brzoza, olcha, topola, modrzew ±56 43 ± ± ± g SM = 2.4 g C

68 NPP lasów borealnych Typ lasu n ANPP BNPP NPP BNPP/ NPP drzewa podszyt g SM m -2 rok -1 Picea sp ± ± ± Pinus sp ±38 24 ± ± Brzoza, olcha, topola, modrzew ± ± ± ±

69 BNPP jako % NPP BNPP jako % ANPP GATUNKI DRZEW

70 NPP W LASACH STREFY UMIARKOWANEJ 25 NPP Mg C ha -1 rok gatunki drzew g SM = 2.4 g C

71 GLOBALNE UśYTKOWANIE ZIEMI Obszar zajęty przez Grunty orne w tym zmeliorowane Uprawy trwałe Pastwiska trwałe Lasy i zadrzewienia Inne (skały, pustynie, lodowce) Wody śródlądowe Cały obszar UŜytkowanie ( m 2 ) 13,5 2,44 1,0 33,9 41,2 40,8 3,5 133,9

72 PpUprawa upraw (razem: (10 12 m ) Pg(Tg C/rok C -1 ) = 7% całej Drobnoziarniste Gruboziarniste Produkcja pierwotna upraw Obszar 4.89 Pp lądów) 2.13 NPP suma 1437 g SM = 2.4 g C NPP/obszar (g C m -2 rok -1 ) Oleiste + orzechy Cukrowe Strączkowe Owoce Bulwy i korzenie Warzywa Herbata, kawa, tytoń Przyprawy Inne RAZEM Pszenica RyŜ Pozostałe

73 PRODUKCJA PIERWOTNA UPRAW: razem: 3.5 Pg C/rok = 7% całej Pp lądów g SM = 2.4 g C peta = 10 15

74 Tropikalne sawanny i murawy Typ roślinności Obszar (Mkm 2 ) Biomasa (Pg) Biomasa (kg m -2 ) NPP (Pg rok -1 ) NPP (g m -2 rok -1 ) Tropikalne suche lasy Tropikalne sawanny Sukulenty i cierniste zarośla Zadrzewienia półpustynne Gorące stepy i zadrzewienia RAZEM tropikalne peta = [sucha masa]

75 Lasy deszczowe Typ lasu Równikowy Równikowy Podrównikowy Sezonowy las deszczowy Las nizinny, Dipterocarpus Sezonowy las deszczowy Las wiecznie zielony Las deszczowy tropikalny Las deszczowy tropikalny Las deszczowy ŚREDNIA Najlepsza ocena (+ korzenie) Tajlandia j.w. Kade, Ghana San Carlos, Wenezuela modelowanie modelowanie PołoŜenie Yangambi, Zair WybrzeŜe Kości Słoniowej Pasoh, Malajzja Manaus, Brazylia (model) g SM = 2.4 g C NPP (g C m -2 rok -1 ) x 100 = g/m 2.rok 1120 ±

76 Lasy deszczowe Typ lasu Równikowy Równikowy Podrównikowy Sezonowy las deszczowy Las nizinny, Dipterocarpus Sezonowy las deszczowy Las wiecznie zielony Las deszczowy tropikalny Las deszczowy tropikalny Las deszczowy ŚREDNIA Najlepsza ocena (+ korzenie) PołoŜenie NPP (g sm m -2 rok -1 ) Yangambi, Zair 3840 Tajlandia 3720 WybrzeŜe Kości Słoniowej j.w Pasoh, Malajzja 3600 Kade, Ghana 3000 San Carlos, Wenezuela 1440 modelowanie 2520 modelowanie 1630 Manaus, Brazylia (model) 3744 x 100 = g/m 2.rok 2688 ±

77 ZMIENNOŚĆ OSZACOWAŃ NPP

78 ZMIENNOŚĆ OSZACOWAŃ NPP (gcm -2 rok -1 ) Typ roślinności n Średnia SD Min. Max Tundra Pustynia Step/preria Las borealny (tajga) Las równikowy Las podzwrotnikowy Las strefy umiarkowanej Mokradła Sawanna Łącznie

79 Proporcje lądowej produkcji pierwotnej BNPP/NPP BIOM Nadziemne (g m -2 ) Podziemne (g m -2 ) Podz./suma (%) Razem (g m -2 ) Lasy równikowe Lasy strefy umiarkowanej Tajga Zarośla śródziemnomorskie Sawanny i stepy tropikalne Stepy strefy umiarkowanej Pustynie Tundra Uprawy

80 Tajga GLOBALNE ROZMIESZCZENIE BIOMASY I NPP g SM = 2.4 g C Pustynie Tundra Uprawy Lodowce RAZEM Biom Lasy równikowe Lasy strefy umiarkowanej Zarośla śródziemnomorskie Sawanny i stepy tropikalne Stepy strefy umiarkowanej Obszar (10 6 km 2 ) Pula C (Pg C) Suma NPP (Pg C rok -1 )

81 PRODUKTYWNOŚĆ DOBOWA Biom Czas trwania sezonu wegetacyjnego (dni) Dobowa NPP (g m -2 d -1 ) LAI NPP na jednostke pow. liści (g m -2 d -1 ) Lasy równikowe 365 6,8 6 1,14 Lasy strefy umiarkowanej 250 6,2 6 1,03 Lasy borealne 150 2,5 3,5 0,72 Zarośla śródziemnomorskie ,5 Tropikalne sawanny i stepy 200 5,4 5 1,08 Stepy strefy umiarkowanej ,5 1,43 Pustynie 100 2,5 1 2,5 Tundra 100 1,8 1 1,8 Uprawy 200 3,1 4 0,76

82 Mapa produktywności lądów

83 BILANS ENERGETYCZNY BIOSFERY CAŁKOWITA PRODUKCJA OCEANÓW: ton C/ rok = ton s.m. / rok = J / rok = MW CAŁKOWITA PRODUKCJA LĄDÓW: ton s.m. / rok = J / rok = MW RAZEM BIOSFERA: J / rok = MW (inne źródła: MW) ENERGIA ZE SŁOŃCA (PhAR): MW Pp = % PhAR

84 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

85 Alokacja węgla w ekosystemie lądowym Dopływ C fotosynteza transport poziomy (wiatr, powodzie; ptaki morskie-kormorany; nawoŝenie obornikiem)

86 Alokacja węgla w ekosystemie respiracja fotosynteza 1 rok Tempo rotacji biomasy respiracja 100 lat SOC ryzosfera ściółka gleba 3-40 lat wody podziemne

87 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy NPP UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli BIOMASA (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw) SOC

88

89 Soil Organic Carbon (SOC) Opad ściółki (listowie i in. cz. nadziemne) Obumieranie cz. podziemnych

90

91

92 MINIRHISOTRON

93 Etapy dekompozycji wymywanie fragmentacja przemiany chemiczne

94 TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)

95 Destruenci [poŝary] grzyby bakterie mikrofauna mezofauna makrofauna ( ecosystem engineers )

96 PoŜary jako waŝny czynnik w dekompozycji materii organicznej PoŜary lasów i torfowisk na Borneo w 1997 r: ( km 2 ) uwolnione 2.6 mld t C (ok.. 40% rocznej emisji CO 2 z paliw kopalnych) PoŜary tajgi

97 PoŜary lasów w Chinach 15.X.2004 MODIS (Aqua)

98 PoŜary w Afryce, 2005 wypalanie terenów pod rolnictwo [MODIS (Aqua)]

99 Grzyby Ogromna róŝnorodność gatunkowa (np gat. w ubogim lesie!) biomasy destruentów (tyleŝ respiracji) w lesie; ok. 50% w murawach grzybnia: sieć transportowa inicjalna dekompozycja biomasy roślinnej (otwieranie komórek) rozkład ligniny

100

101 Bakterie Dominują w ryzosferze Dekompozycja DOC i resztek zwierzęcych biofilm polisacharydowy Szybko rosnące gram - Wolno rosnące Actinomycetes gram+ (lignina) konsorcja bakteryjne 50-80% bakterii w glebie: nieaktywne

102 Fauna glebowa mikrofauna <0.1 mm pierwotniaki, nicienie, wrotki, (Acari) mezofauna < 2 mm Acari, Collembola, Diplura, Enchytraeidae makrofauna chrząszcze, pajęczaki, mięczaki, wije, skorupiaki ecosystem engineers dŝdŝownice, termity

103 APARAT TULLGRENA

104 MOKRE LEJKI DO WYPŁASZANIA FAUNY GLEBOWEJ

105 WAZONKOWCE (ENCHYTRAEIDAE)

106 Morulina sp. (Collembola) Onychiurus sp. (Collembola) Campodea sp. (Diplura) P o r c e l i Porcellio o sp. (Isopoda)

107

108

109

110

111

112 Dendrobaena sp.

113 Lumbricus terrestris

114 SIEĆ TROFICZNA EKOSYSTEMU GLEBOWEGO korzenie nicienie fitofagiczne grzyby saprofityczne skoczogonki roztocze Cryptostigmata roztocze inne nicienie grzyboŝerne skoczogonki drapieŝne roztocze nicienioŝerne roztocze drapieŝne detrytus dŝdŝownice wazonkowce nicienie drapieŝne bakterioŝerne nicienie bakterie wiciowce roztocze bakterioŝerne ameby

115 SIEĆ TROFICZNA EKOSYSTEMU GLEBOWEGO Nicienie drapieŝne DrapieŜne mikrostawonogi Meso- i makro- Stawonogi saprofagiczne Pierwotniaki Nicienie zjadające bakterie Nicienie zjadające grzyby stawonogi zjadające grzyby mikrostawonogi saprofagiczne PRZERABIACZE ŚCIÓŁKI Bakterie Grzyby Baza pokarmowa DrapieŜne mesoi makrostawonogi mrówki SIEĆ POKARMOWA MIKROORGANIZMÓW termity dŝdŝownice INśYNIEROWIE EKOSYSTEMOWI

116 Pomiary tempa dekompozycji in situ

117 Pomiar tempa dekompozycji materii organicznej in vitro Nie ma odpowiednika dla zdalnych, wielkoskalowych pomiarów produkcji

118 POBIERANIE PRÓBY GLEBOWEJ DO ANALIZ

119 Produkty dekompozycji Kwasy humusowe (lasy), nierozpuszczalne Kwasy huminowe Kwasy fulwowe (rozpuszczalne)

120 Kwasy humusowe na powierzchni leśnej kałuŝy

121 TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)

122 TEMPO DEKOMPOZYCJI ŚCIÓŁKI LEŚNEJ x t =x 0 e -kt x t /x 0 = e -kt t 95 =? x t /x 0 = 0.05 t 95 = ln(0.05)/-k = /-k = ok. 3/k Typ lasu grab lipa dąb dodgewood klon czerwony chestnut oak świerk sosna buk Tempo dekompozycji k t

123 ZaleŜność tempa dekompozycji (% ubytku s.m. w pierwszym roku) od rzeczywistej ewapotranspiracji (mm)

124 Wzorzec przestrzenny tempa dekompozycji ściółki (% ubytku s.m.w pierwszym roku) na terytorium U.S.A.

125 Średni czas zatrzymania materii organicznej i pierwiastków odŝywczych w ściółce ekosystemów leśnych Typ lasu Czas zatrzymania (lata) Mat. org. N P K Ca Mg Tajga Las iglasty Las liściasty Macchia Las deszczowy CZAS ZATRZYMANIA = MASA W ŚCIÓŁCE. MASA W ROCZNYM OPADZIE

126 Akumulacja materii organicznej w róŝnych ekosystemach Typ ekosystemu Tundra Tajga Las iglasty Las liściasty Las deszczowy Tempo akumulacji [g C m -2 rok]

127 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

128

129 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

130

131

132

133