Ekologia ogólna. wykład 11 Energia i materia w ekosystemie

Transkrypt

1 Ekologia ogólna wykład 11 Energia i materia w ekosystemie

2 Slajdy wykład 11/2

3 Druga zasada termodynamiki W układzie termodynamicznie izolowanym istnieje funkcja stanu, która nie maleje z czasem. Funkcja ta zwana jest entropią Zasada dotyczy układów w stanie równowagi. Inne definicje: Clausiusa Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byłoby pobranie ciepła ze zbiornika o temperaturze niższej i przekazanie go do zbiornika o temperaturze wyższej. Kelvina Nie jest możliwy proces, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie pewnej ilości ciepła ze zbiornika i zamiana go w równoważną ilość pracy. wykład 11/3

4 Druga zasada termodynamiki Skutek: układ dąży do stanu maksymalizacji entropii nie można ciepła zamieniać na pracę bez ograniczeń Potrzeba ciągłego dopływu energii z zewnątrz wykład 11/4

5 Piramida i sieć troficzna sieć troficzna piramida troficzna (Eltonowska) Jakie są zależności ekologiczne (kto kogo zjada)? Jak przepływa energia / materia w sieci troficznej? poziomy troficzne wykład 11/5

6 Przepływ energii, krążenie materii energia materia respiracja, ciepło producenci respiracja, ciepło roślinożercy respiracja, ciepło mięsożercy detrytusożercy mikroorganizmy materia nieorganiczna wykład 11/6

7 Rodzaje piramid Piramida biomasy ilość biomasy (materii w organizmie żywym) przechodząca między poziomami troficznymi lis wydra łasica ryby drap. gryzonie ryby, owady trawy fitoplankton Takie ujęcie może sprawiać, że poziom troficzny wydaje się zawierać więcej energii niż faktycznie np. biomasa w kościach ptaków nie przechodzi do następnego poziomu troficznego Piramida odwrócona: krótki czas życia autotrofów wykład 11/7

8 Rodzaje piramid Piramida produktywności Pokazuje, ile energii przechodzi między poziomami troficznymi lwy antylopy trawy Zalety Uwzględnia tempo produkcji w jednostce czasu - można porównać gatunki o różnej biomasie Pozwala na porównania między ekosystemami Wady Trzeba znać tempo produkcji biomasy Czasami trudno przypisać organizm do określonego poziomu troficznego Piramida energii nie może być odwrócona wykład 11/8

9 Stan biomasy SC (standing crop) stan biomasy = biomasa (i zawarta w niej energia) pozostająca w danym momencie w danym poziomie troficznym. Stan biomasy nic nie mówi o tempie produkcji, gdyż biomasa może się wymieniać lub trwać niezmieniona.

10 Krążenie materii materia producenci roślinożercy mięsożercy detrytusożercy mikroorganizmy materia nieorganiczna wykład 11/10

11 Produkcja pierwotna Produkcja pierwotna - tempo produkcji biomasy przez rośliny wyrażona: w jednostkach energii: dżule / m2 / dzień) w ilości węgla lub suchej masy organicznej (kg / ha/ rok) GPP - produkcja pierwotna brutto całkowita energia związana przez rośliny w procesie fotosyntezy NPP - produkcja pierwotna netto energia w tkankach roślin dostępna dla heterotrofów RA respiracja autotrofów NPP produkcja wtórna GPP wykład 11/11

12 Produkcja pierwotna NEP - produktywność ekosystemu netto Węgiel związany przez rośliny może wrócić do środowiska poprzez: oddychanie autotrofów (RA) oddychanie heterotrofów (RH) po zjedzeniu roślin RA + RH= RE (respiracja ekosystemu) GPP > RE ekosystem magazynuje węgiel działa jako ujście dla węgla GPP < RE ekosystem uwalnia węgiel działa jako źródło węgla wykład 11/12

13 Produkcja stężenie chlorofilu w oceanach vegetation index (spektrum absorpcji) Całkowitą produkcję pierwotną Ziemi szacuje się na 105 petagramów węgla (1015g) rocznie Pg produkują ekosystemy lądowe 48.3 Pg ekosystemy wodne wykład 11/13

14 Produkcja pierwotna puszcza tropikalna tajga wilgotne lasy strefy umiark. suche lasy rozwinięte rolnictwo prymitywne rolnictwo pastwiska, trawy pustynie i tundry estuaria i rafy strefy prądów głębinowych strefy przybrzeżne otwarte wody oceanu puszcza tropikalna tajga wilgotne lasy strefy umiark. suche lasy rozwinięte rolnictwo prymitywne rolnictwo pastwiska, trawy pustynie i tundry estuaria i rafy strefy prądów głębinowych strefy przybrzeżne otwarte wody oceanu kcal/m2/rok % PPB Ziemi wykład 11/14

15 Produkcja pierwotna: wzorce Produkcja pierwotna maleje od równika ku biegunom las deszczowy 2 las liściasty strefy umiarkowanej 3 las iglasty strefy umiarkowanej 4 tajga 3000 g C / m / rok Istotne różnice między biomami w produkcji biomasy nad i pod ziemią g/m2/rok zimny step 2 step strefy umiarkowanej 3 zarośla strefy wilgotnej 4 sawanna 5 wilgotna sawanna wykład 11/15

16 Produkcja pierwotna: wzorce Produkcja pierwotna zmienia się w cyklu rocznym i wieloletnim wykład 11/16

17 Czynniki ograniczające PP Ekosystemy wodne światło na 20 m dociera max. 10% promieniowania nutrienty (azot i fosfor) azot z zanieczyszczeń zakwity W obszarach równikowych produktywność oceanów jest niższa niż na biegunach wykład 11/17

18 Czynniki ograniczające PP Sekwencja wpływu kluczowych substancji pokarmowych w Morzu Sargassowym wykład 11/18

19 Ekosystemy jeziorne strefy biotyczne litoral plankton nekton pelagial (strefa limnetyczna) bentos Stratyfikacja termiczna powyżej termokliny woda się nagrzewa i jest dobrze natleniona poniżej termokliny woda jest słabo natleniona i zimna epilimnon termoklina 4ºC 4ºC hipolimnon lato zima wykład 10/19

20 Ekosystemy jeziorne Rola fosforu fosfor w wodzie jest deficytowy, jego rozpuszczalność zależy od warunków tlenowych (lepiej rozpuszczalny bez tlenu) może być czasowo związany w osadach dennych uwalnianie z osadów zależy od pory roku jezioro eutroficzne jezioro oligotroficzne wykład 10/20

21 Czynniki ograniczające PP Ekosystemy lądowe Na lądzie temperatura i nasłonecznienie to (prawie) niezależne zmienne rzeczywista ewapotranspiracja miara promieniowania słonecznego + opady + temp = ilość wody trafiająca do atmosfery z roślin i z parowania z pow. ziemi długość sezonu wegetacyjnego opady temperatura wykład 10/21

22 Czynniki ograniczające PP Ekosystemy lądowe Na lądzie temperatura i nasłonecznienie to (prawie) niezależne zmienne rzeczywista ewapotranspiracja miara promieniowania słonecznego + opady + temp = ilość wody trafiająca do atmosfery z roślin i z parowania z pow. ziemi długość sezonu wegetacyjnego opady temperatura wykład 10/22

23 Zmienność PP Ekosystemy nie zawsze są w stanie równowagi i to może być ich naturalny stan Wielkość produkcji pierwotnej zmienia się w czasie i w przestrzeni ekosystemy mogą mieć strukturę mozaikową (np. las / łąka) dostępność biogenów i słońca zmienia się okresowo w wodzie są wiry, prądy i pływy Paradoks planktonu (Hutchinson) Jak w wodzie może być tak wiele gatunków, skoro (wydaje się ona) homogennym środowiskiem? wykład 11/23

24 Produkcja wtórna Problemy z oceną: nie wszystkie organizmy należą do jednego poziomu troficznego problem z detrytusem: pochodzący od roślin jest różny od tego pochodzącego z wyższych poziomów w szybko zmieniających się ekosystemach (np. wodnych) ocena produkcji wtórnej jest bardzo trudna wykład 11/24

25 Produkcja wtórna Ptaki i ssaki na utrzymanie organizmu (oddychanie, ciepło) zużywają 97-99% przyswajanej energii 45 wydaność pidukcji wtórnej (%) owadożerne ptaki drobne ssaki ryby owady społeczne inne bezkręgowce owady niespołeczne wykład 11/25

26 ciepło, oddychanie Produkcja wtórna E. przyswojona: utrzymanie wzrost rozmnażanie energia z niższego poziomu troficznego odchody Energia przyswojona jest zużywana na: procesy życiowe (oddychanie, utrzymanie temp. ciała itp.) wzrost ciała rozmnażanie produkcja dostępna dalej w szeregu troficznym wykład 11/26

27 Przepływ energii Na poziomie osobnika Na poziomie ekosystemu I=przyswojona A=asymilacja NU=niewykorzystane R=respiracja P=produkcja B=biomasa wykład 11/27

28 Przepływ energii efektywność konsumpcji (CE) CE = In /Pn Ile % ogólnej produkcji dostępnej na danym poziomie troficznym (P n-1) jest przyswajanej na kolejnym poziomie troficznym (In). Reszta jest wydalana. wykład 11/28

29 Przepływ energii efektywność asymilacji (AE) AE = An /In 100 Ile % energii przyswojonej a poziomie troficznym In wykorzystywanych jest na wzrost/funkcjonowanie. Reszta jest wydalana. Roślinożercy % Mięsożercy do 96 % wykład 11/29

30 Przepływ energii efektywność produkcji (PE) PE = Pn /An 100 Ile % przyswojonej energii (An) jest przerabianych na nową biomasę (Pn). Reszta jest wydalana. Ssaki, ptaki % Ryby % (hodowla) Bezkręgowce 10-30% wykład 11/30

31 Przepływ energii Efektywność transferu energii między poziomami troficznymi: CE AE PE W różnych ekosystemach wynosi od 2 do 24% (średnio 10%) wykład 11/31

32 Dekompozycja destruenci - organizmy odżywiające się szczątkami innych, rozkładają związki złożone na proste saprofity destruenci zaliczani do roślin i grzybów detrytusożercy, saprofagi - organizmy odżywiające się martwą materią organiczną z gleby / osadu wykład 11/32

33 Dekompozycja w wodach Przeprowadzana głównie przez bakterie planktonowe Glony mają inny skład niż rośliny! zamiast celulozy: alginiany, hemiceluloza itp. lipidy (np. u okrzemek) do 1.5mg w litrze wody morskiej sapropel luźna zawiesina szczątków organicznych i mineralnych przy dnie powstaje w warunkach beztlenowych w morzach i głębokich jeziorach wykład 11/33

34 Dekompozycja na lądzie Rozkład z aktywnym udziałem mikroorganizmów kwasy humusowe związki mineralne, węgiel Słabo rozkładają się woski roślinne i żywice W ekosystemach lądowych 2x więcej materii organicznej jest związanej w detrytusie niż w żywej biomasie wykład 11/34

35 Tempo dekompozycji Akumulacja materii organicznej gc/m2/rok 10 8 aktywn tundra tajga las iglasty str. um. las liściasty str. um. las deszczowy wykład 11/35

36 Tempo dekompozycji Czas zatrzymania materii i pierwiastków lata 60 materia org. 50 azot 40 fosfor potas ,2 0 tundra tajga ,3 las iglasty str. um. 3, ,4 las liściasty str. um ,6 1 las deszczowy wykład 11/36

37 Przepływ energii przez różne ekosystemy las respiracja respiracja łąka respiracja respiracja roślinożercy destruenci roślinożercy destruenci NPP martwa materia NPP martwa materia plankton staw respiracja respiracja respiracja respiracja roślinożercy destruenci destruenci RŻ NPP martwa materia NPP martwa materia z ekosystemów lądowych wykład 11/37

38 Przepływ energii przez różne ekosystemy Produkcja pierwotna lasy i zarośla namorzyny trawy (sawanny) bagna łąki podwodne rzeki makroglony ekos.bentosowe fitoplankton % NPP konsumowany przez roślinożerców % NPP (gc/m2/dzień) wykład 11/38

39 Przepływ energii przez różne ekosystemy % NPP przekształcanej w detrytus % NPP zatrzymywanej jako detrytus % NPP eksportowany lasy i zarośla namorzyny trawy (sawanny) bagna łąki podwodne rzeki makroglony ekos.bentosowe fitoplankton % % % wykład 11/39