EKOSYSTEMY LĄDOWE WBNZ PRODUKCJA PIERWOTNA DEKOMPOZYCJA BILANS WĘGLA

Transkrypt

1 EKOSYSTEMY LĄDOWE WBNZ PRODUKCJA PIERWOTNA DEKOMPOZYCJA BILANS WĘGLA

2 PRODUKCJA PIERWOTNA

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

4 PRODUKCJA PIERWOTNA Respiracja PAR Pp brutto O 2 CO 2 Pp netto H 2 O Aniony kationy

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 = 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 żniwne metody dendrometryczne metody pośrednie Produkcja podziemna (BNPP) duży kłopot Aboveground Net Primary Production Belowground Net Primary Production

7 Zależności morfometryczne drzew

8 METODY ŻNIWNE 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 Pomiar PAR i fotosyntezy na kursie w r Puszcza Niepołomicka

12 POŚREDNIE METODY POMIARU PRODUKCJI PIERWOTNEJ ZALEŻNOŚĆ IR/R REFL. OD LAI ZALEŻNOŚĆ NPP OD LAI

13 Leaf Area Index = LAI

14 ZALEŻNOŚĆ PRODUKCJI NADZIEMNIEJ NETTO (ANPP) OD BIOMASY LIŚCI W LASACH PN AMERYKI

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

16 Landsat 7 LANDSAT 8 METODY SATELITARNE

17 Widmo promieniowania słonecznego

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

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

20 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)

21 Landsat 7 Landsat 8 (2013)

22 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

23 NIEBIESKIE

24 ZIELONOŻÓŁTE

25 CZERWONE

26 BLISKA PODCZERWIEŃ

27 PODCZERWIEŃ

28 PODCZERWIEŃ

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

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

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

32 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit

33 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit = 256

34 Rozdzielczość poziomu sygnału 8 bit

35 Rozdzielczość przestrzenna: 30 m 30 m

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

37

38

39 NASA: EOS Earth Observing System

40 START RAKIETY Z SATELITĄ TERRA

41 Terra orbita zbliżona do kolistej, solarnie-synchroniczna, nachylenie 98.2 o przecina równik dwa razy przy każdym okrążeniu o (czasu lokalnego) N S, oraz o S N

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

43 TERRA Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) (Japoński) Obrazy wysokiej rozdzielczości: pow. lądu, wody, lodu i chmur; 3 niezależne 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; umożliwia np. pomiar zawartości SO 2 w wyziewach wulkanicznych

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

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

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 różnica (wylesienie)

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

49

50 PRODUKCJA PIERWOTNA NETTO

51 Produktywność oceanu SeaWiFS Science,. 2002

52 Główny czynnik ograniczający NPP na lądzie: WODA

53 SZTUCZNIE NAWADNIANE POLA Kansas, USA

54

55 DLACZEGO WODA OGRANICZA NPP? n.p. 40 m

56 DLACZEGO WODA OGRANICZA NPP? Załóżmy NPP = 6 g m -2 d -1 6CO 2 +6H 2 O = C 6 H 12 O 6 +6O 2 108g 180g 3.6 g 6g Załóżmy ET = 3 mm d -1 = 3000 cm 3 m -2 d -1 n.p. 40 m 833 więcej niż potrzeba do syntezy biochemicznej.

57 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

58 NPP lasów borealnych Typ lasu n ANPP BNPP NPP BNPP/ NPP drzewa podszyt Picea sp Pinus sp Brzoza, olcha, topola, modrzew g C m -2 rok g SM = 2.4 g C

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

60 BNPP jako % ANPP BNPP jako % NPP GATUNKI DRZEW

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

62 GLOBALNE UŻYTKOWANIE ZIEMI Obszar zajęty przez Użytkowanie ( 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

63 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 Ryż Pozostałe g SM = 2.4 g C Tg = g = mln ton

64 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

65 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]

66 Lasy deszczowe Typ lasu Położenie NPP (g sm m -2 rok -1 ) Równikowy Yangambi, Zair 3840 Równikowy Tajlandia 3720 Podrównikowy Wybrzeże 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 Najlepsza ocena (+ korzenie) 4344

67 ZMIENNOŚĆ OSZACOWAŃ NPP

68 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

69 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

70 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

71 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

72 Mapa produktywności lądów

73 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

75

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

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

79 Życie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko żywe organizmy NPP UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli BIOMASA (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoża paliw) SOC

80

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

82

83

84 MINIRHISOTRON

85 Etapy dekompozycji wymywanie fragmentacja przemiany chemiczne

86 TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)

87 Destruenci [pożary] grzyby bakterie mikrofauna mezofauna makrofauna ( ecosystem engineers )

88 Pożary jako ważny czynnik w dekompozycji materii organicznej Pożary 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) Pożary tajgi

89 Pożary lasów w Chinach 15.X.2004 MODIS (Aqua)

90 Pożary w Afryce, 2005 wypalanie terenów pod rolnictwo [MODIS (Aqua)]

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

92

93 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

94 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 dżdżownice, termity

95 APARAT TULLGRENA

96 APARAT TULLGRENA

97 MOKRE LEJKI DO WYPŁASZANIA FAUNY GLEBOWEJ

98 MOKRE LEJKI DO WYPŁASZANIA FAUNY GLEBOWEJ

99 WAZONKOWCE (ENCHYTRAEIDAE)

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

101

102

103

104

105 Diplopoda

106 Dendrobaena sp.

107 Lumbricus terrestris

108 SIEĆ TROFICZNA EKOSYSTEMU GLEBOWEGO korzenie nicienie fitofagiczne grzyby saprofityczne skoczogonki roztocze Cryptostigmata roztocze inne nicienie grzybożerne skoczogonki drapieżne roztocze nicieniożerne roztocze drapieżne detrytus dżdżownice wazonkowce nicienie drapieżne bakteriożerne nicienie bakterie wiciowce roztocze bakteriożerne ameby

109 SIEĆ TROFICZNA EKOSYSTEMU GLEBOWEGO Nicienie drapieżne Drapieżne mikrostawonogi Meso- i makro- Stawonogi saprofagiczne Pierwotniaki Nicienie zjadające bakterie Nicienie zjadające grzyby stawonogi zjadające grzyby mikrostawonogi saprofagiczne PRZERABIACZE ŚCIÓŁKI Bakterie Grzyby Baza pokarmowa Drapieżne mesoi makrostawonogi mrówki SIEĆ POKARMOWA MIKROORGANIZMÓW termity dżdżownice INŻYNIEROWIE EKOSYSTEMOWI

110 Pomiary tempa dekompozycji in situ

111 RESPIROMETR GLEBOWY ZASADA POMIARU Czujnik CO 2 C Komora Stężenie CO 2 Nachylenie = tempo uwalniania CO 2 Y = a + bx Czas Komputer

112

113 Pomiar tempa dekompozycji in situ

114

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

116 POBIERANIE PRÓBY GLEBOWEJ DO ANALIZ

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

118 Kwasy humusowe na powierzchni leśnej kałuży

119 TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)

120 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

121 SOIL RESPIRATION (MULTIPIER VALUE AT 10 o C WPŁYWTEMPERATURY NA RESPIRACJĘ GLEBY (Luo i Zhou 2006) R = ae kt Q 10 = R (T+10) /R T Temperature

122 SOIL RESPIRATION (MULTIPIER VALUE AT 10 o C WPŁYWTEMPERATURY NA RESPIRACJĘ GLEBY (Luo i Zhou 2006) R = ae kt Q 10 = R (T+10) /R T Q 10 = (R T2 /R T1 )[10/(T2-T1)] Temperature

123 WPŁYWTEMPERATURY NA RESPIRACJĘ GLEBY (Luo i Zhou 2006) SOIL RESPIRATION (MULTIPIER VALUE AT 10 o C R = ae kt Q 10 = R (T+10) /R T Q 10 = (R T2 /R T1 )[10/(T2-T1)] Temperature

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

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

126 Średni czas zatrzymania materii organicznej i pierwiastków odżywczych 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

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

128 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

129

130 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

131

132

133

134 METAN CH4 Metanogeneza (oddychanie beztlenowe: C akceptor elektronów) CO H 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2

135 TERMITES

136 Nasutitermes sp.

137 Nasutitermes sp.

138 African buffalo(masai Mara, Kenia) Zebu cattle (Pantanal Mato Grosso do Sul, Brasil) PRZEŻUWACZE BAKTRIANS (Gurwan Turuu, Mongolia)

139 Klatrat metanu

140 Methane clathrate

141 Hesiocaeca methanicola (Polychaeta) symbioza z bakteriami metanotroficznymi występuje na złożach klatratu metanu (głębokość 700 m)

142 BILANS METANU W BIOSFERZE (nowe dane) W epoce przedindustrialnej: 233 mln t/r Mokradła 168 Spalanie biomasy 20 Termity 20 Oceany 15 Clatrat 10 Keppler & Roeckman Świat Nauki, Kwiecień 2007 Obecnie: 600 mln t/r Pola ryżowe Produkcja energii Przeżuwacze Mokradła Klatraty Oceany 15 Termity Spalanie biomasy Wysypiska śmieci i oczyszczalnie ścieków Report IPCC, Sept.2013 Roślinność ?

143 Atmospherae Increment: 17 Tg CH 4 /y volcanos Oxidation in atm. xidation n soil Biomass burning Rice fields bydło GLOBALNY BILANS METANU Wg. 5. RAPORTU IPCC 2013 Fluxes: TgCH 4 /rok Storage: TgCH 4 1 Tg = 1 x g = mln t wetlands termites fuels landfils Gas deposits Hydraty w zmarzlinie < Clathrates 2-8 mln

144 The life of the biosphere = redox cycle of carbon DEPOSITION (ocean, sediments) DEPOZYCJA ( ocean, osady) energy gia CO 2 energy gia REDUCTION Only living organisms REDU KC JA t ylko żyw e or ganizm y OXIDATION Organism: quickly; Abiotic processes: slowly UTLENI ANI E or ganizm y: szybko pr ocesy abiot yczne: powoli (CH 2 O) n DEPOSITION (fossil fuels) DEPOZYCJA ( złoża paliw)

145 erosion 80= =108, ,7=107,2+11,6 78,4=60,7+17,3 Atmosphere: ,1 0,3 7,8 1,1 Increment: 4 Pg C/rok photosynthesis respiration 1,0 2,6 1,7 2,3 0,7 vulcanoes Fossil fuels, cement GLOBALNY BILANS WĘGLA vegetation gleby permafrost RAPORT IPCC 2013 gas Fluxes: PgC/rok Stores: PgC 1 Pg = 1 x g = mld t Land use change Degas. Inland waters. rivers 0,9 coal , oil Ocean surface depths ,2 sediments biota 3 2 DOC 700

146 erosion 80= =108, ,7=107,2+11,6 78,4=60,7+17,3 Atmosphere: Increment: 4 Pg C/rok 9,7 0,1 0,3 7,8 1,1 1,0 9,7-1,6-4,3 = 3,8 photosynthesis -4,3 2,6 1,7 respiration -1,6 2,3 0,7 vulcanoes Fossil fuels, cement GLOBALNY BILANS WĘGLA vegetation gleby permafrost RAPORT IPCC 2013 gas Fluxes: PgC/rok Stores: PgC 1 Pg = 1 x g = mld t Land use change Degas. Inland waters. rivers 0,9 coal , oil Ocean surface depths ,2 sediments biota 3 2 DOC 700

147