EKOSYSTEMY LĄDOWE WBNZ PRODUKCJA PIERWOTNA DEKOMPOZYCJA BILANS WĘGLA

Transkrypt

1 EKOSYSTEMY LĄDOWE WBNZ PRODUKCJA PIERWOTNA DEKOMPOZYCJA 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 PRODUKCJA PIERWOTNA Respiracja PAR Pp brutto O 2 CO 2 Pp netto H 2 O Aniony kationy

5 1. Stan: MIARY STANU I TEMPA PRODUKCJI BIOMASY 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 = J 1 g C = ok.. 10 kcal 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 METODY śniwne METODY DENDROMETRYCZNE

9 Pomiar fotosyntezy POMIAR TEMPA FOTOSYNTEZY 6CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 CPY-4 Canopy Assimilation Chamber

10

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

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

13 Leaf Area Index = LAI

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

15 Landsat 7 LANDSAT 8 METODY SATELITARNE

16 Widmo promieniowania słonecznego

17 ZASADA ZDALNEGO POMIARU NDVI R IR Roślinność REFLEKTANCJA Goła gleba IR - R Widzialne Bliska podczerwień DŁUGOŚĆ FALI

18 IR R IR R Zasada pomiaru NDVI NDVI = (IR R)/(IR+R)

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 km Obecnie funkcjonują: Landsat 5 (1984) (2013) Landsat 7 (1999) Landsat 8 (2013)

20 Landsat 8 kanały spektralne Spectral Band Wavelength Resolution Operational Land Imager (OLI) Band 1 - Coastal / Aerosol µm 30 m Band 2 - Blue µm 30 m Band 3 - Green µm 30 m Band 4 - Red µm 30 m Band 5 - Near Infrared µm 30 m Band 6 - Short Wavelength Infrared Band 7 - Short Wavelength Infrared µm 30 m µm 30 m Band 8 - Panchromatic µm 15 m Band 9 - Cirrus µm 30 m Thermal InfraRed Sensor (TIRS) Band 10 - Long Wavelength Infrared Band 11 - Long Wavelength Infrared µm 100 m µm 100 m

21 NIEBIESKIE

22 ZIELONOśÓŁTE

23 CZERWONE

24 BLISKA PODCZERWIEŃ

25 PODCZERWIEŃ

26 PODCZERWIEŃ

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

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

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

30 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit

31 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit = 256

32 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit

33 Rozdzielczość przestrzenna: 30 m 30 m

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

35

36

37 EOS Earth Observing System

38 START RAKIETY Z SATELITĄ TERRA

39 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

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

41 TERRA Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) (Japoński) Obrazy wysokiej rozdzielczości: pow. lądu, wody, lodu i chmur; 3 niezaleŝne czujniki, 14 pasm spektralnych (widzialnego daleka podczerwień); 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

42 ASTER (Land use) Minnesota Kansas NW Germany Bolivia Thailand Brasil (cerrado)

43 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)

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

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

46 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..

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

48 Gęstość optyczna atmosferycznego aerozolu 2001/2002 (MISR)

49 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

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

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

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

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

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

55 Kanał Panamski III Landsat 7 NDVI

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

57

58 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 2009 (WV-3: 2014) 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

59

60 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

61

62 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

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

64 Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) Satelity: NOAA (9, 10, 19); r (meteorologiczne) Szerokopasmowy; 4 (5) kanałów spektralnych: widzialne, bliska podczerwień, daleka podczerwień. Rozdz. przestrzenna 1.1 km lub km National Oceanic and Atmospheric Administration

65

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

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

68 SeaWIFS, 3.VII.2001

69 Google Earth.lnk

70 Tabela wybranych wartości NPP (sucha masa) na lądach g /(m 2.rok) 10 9 t/rok Lasy równikowe Lasy umiarkowane Tajga Sawanna, Stepy itp Inne Razem lądy 117.5

71 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]

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

73 NPP lasów borealnych Typ lasu n ANPP BNPP NPP BNPP/ NPP drzewa podszyt Picea sp ±67 Pinus sp ±38 Brzoza, olcha, topola, modrzew ±134 g SM m -2 rok ±55 24 ± ± ± ± ± ±

74 BNPP jako % NPP BNPP jako % ANPP GATUNKI DRZEW

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

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

77 Uprawa Produkcja pierwotna upraw Obszar (10 12 m 2 ) NPP suma (Tg C rok -1 ) NPP/obszar (g C m -2 rok -1 ) Drobnoziarniste Gruboziarniste Oleiste + orzechy Cukrowe Strączkowe Owoce Bulwy i korzenie Warzywa Herbata, kawa, tytoń Przyprawy Inne RAZEM Pszenica RyŜ Pozostałe g SM = 2.4 g C Tg = g = mln ton

78 PRODUKCJA PIERWOTNA UPRAW: razem: 3.5 Pg C/rok = 8.4 Pg s.m./rok = 7% całej Pp lądów g SM = 2.4 g C peta = Pg = g = mld ton

79 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]

80 Lasy deszczowe Typ lasu PołoŜenie NPP (g sm m -2 rok -1 ) Równikowy Yangambi, Zair 3840 Równikowy Tajlandia 3720 Podrównikowy WybrzeŜe Kości Słoniowej Sezonowy las deszczowy j.w Las nizinny, Dipterocarpus Pasoh, Malajzja 3600 Sezonowy las deszczowy Kade, Ghana 3000 Las wiecznie zielony San Carlos, Wenezuela 1440 Las deszczowy tropikalny modelowanie 2520 Las deszczowy tropikalny modelowanie 1630 x 100 = g/m 2.rok Las deszczowy Manaus, Brazylia (model) 3744 ŚREDNIA 2688 ± 10.1 Najlepsza ocena (+ korzenie) 4344

81 ZMIENNOŚĆ OSZACOWAŃ NPP

82 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

83 BIOM Proporcje lądowej produkcji pierwotnej BNPP/NPP 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

84 GLOBALNE ROZMIESZCZENIE BIOMASY I NPP g SM = 2.4 g C Biom Obszar (10 6 km 2 ) Pula C (Pg C) Suma NPP (Pg C rok -1 ) Lasy równikowe Lasy strefy umiarkowanej Tajga Zarośla śródziemnomorskie Sawanny i stepy tropikalne Stepy strefy umiarkowanej Pustynie Tundra Uprawy Lodowce 15.5 RAZEM

85 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

86 Mapa produktywności lądów

87 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

88 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)

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

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

91 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

92

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

94

95

96 MINIRHISOTRON

97 Etapy dekompozycji wymywanie fragmentacja przemiany chemiczne

98 TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)

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

100 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

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

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

103 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

104

105 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

106 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

107 APARAT TULLGRENA

108 MOKRE LEJKI DO WYPŁASZANIA FAUNY GLEBOWEJ

109 WAZONKOWCE (ENCHYTRAEIDAE)

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

111

112

113

114

115 Diplopoda

116 Dendrobaena sp.

117 Lumbricus terrestris

118 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

119 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

120 Pomiary tempa dekompozycji in situ

121 Pomiar tempa dekompozycji in situ

122

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

124 POBIERANIE PRÓBY GLEBOWEJ DO ANALIZ

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

126 Kwasy humusowe na powierzchni leśnej kałuŝy

127 TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)

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

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

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

131 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

132 Akumulacja materii organicznej w róŝnych ekosystemach Typ ekosystemu Tempo akumulacji [g C m -2 rok] Tundra 0.2 Tajga Las iglasty Las liściasty Las deszczowy

133 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

134

135 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

136

137

138

139