Abiotické faktory prostředí ve vztahu k produktivitě agroekosystémů, mikroklima porostů

Transkript

1 Abiotické faktory prostředí ve vztahu k produktivitě agroekosystémů, mikroklima porostů 1. Radiační bilance Bilance energie záření - všech zisků a ztrát energie krátkovlnné (dopadající a odražené) a dlouhovlnné (vyzařované) radiace se nazývá radiační bilance (R n ), jinak bilance energetická (ne zcela totožná s bilancí tepla): a) za jasného letního dne v malých zeměpisných šířkách R n = H + λe + B, kde H je tok zjevného tepla, λe tok latentního tepla, B tok tepla pod aktivní povrch porostu Rn B E = H, kde H/λEjetzv. Bowenův poměr β (1 + ) λe λ b) za zataženého dne či ve velkých zeměpisných šířkách 1

2 H + λe = zjevné a latentní teplo Metoda Bowenova poměru R n = H + λe R n radiační bilance [J/m 2 ] β = H / λe R n E = λ.(1 + β) H zjevné teplo [J/m 2 ] E evapotranspirace [kg/m 2 ] λ výparné teplo [2500 kj/kg H 2 O] Čili: dokážeme-li zjistit hodnotu Bowenova poměru, dokážeme lehce vypočítat skutečný výpar. 2

3 Princip měření Bowenova poměru t 2 t 1 β = γ e 2 e 1 kde γ = psychrometrická konstanta 66Pa/ C 3

4 Disipace energie bilance záření ve vlhkém tropickém klimatu (Brazilie, Vietnam), v tropickém suchém klimatu (Egypt, Afrika) a mírném klimatu (Francie, Rusko). 4

5 Beerův zákon Φ = Φ 0 ( ) e kχ, kde k = koeficient extinkce (u rostlin poměr zastíněné plochy listů k celkové listové ploše) χ = dráha paprsku (u rostlin kumulativní LAI)

6 7

7 Základní veličiny Záření - obvykle používaná čidla k měření globálního záření [Rg] termočlánkový pyranometry: diodový 8

8 Základní veličiny spektrum citlivosti pyranometru: termočlánkového diodového 9

9 Základní veličiny bilancoměry (spektrální citlivost pro všechny vlnové délky, [R n ]) 10

10 2. Teplota Teplotní klima porostu dáno disipací energie, jejíž hlavní zóna leží v úzkém pásu aktivního povrchu (v horkém letním dni o více jak 4 C teplejší vzduchu v lesích, o více jak 6 C teplejší vzduchu na lukách mírného pásma). pod uzavřeným rostlinným krytem půda nepřijímá ani nevydává tolik energie diurnální kolísání teploty je poměrně malé čím hlubší vrstva půdy, tím nižší je amplituda teploty a později je dosaženo extrémů

11 Rozmezí teplot pro udržení života optimální, minimální a maximální hodnoty. Suchozemské cévnaté rostliny tzv. eurytermní se širokým rozpětím teplot (-5 až +55 C) Vodní rostliny mívají úzké rozpětí teplot pro přežití, nazývají se stenotermní. U nadzemních částí rostlin bývá teplotní optimum pro dlouživý růst prýtů mezi C u rostlin tropických a C u všech ostatních rostlin. Teplotní rozmezí pro růst kořenů bývá obvykle širší, minimum pro růst kořenů dřevin mírného pásma leží mezi 2 5 C, rostliny teplejších oblastí počínají aktivitu kořenů při vyšších teplotách (rod Citrus kolem 10 C). Ozimé, dvouleté rostliny a některé dřeviny vyžadují projít obdobím chladu (-3 až +13 C), aby vykvetly tzv. jarovizaci. Plody a semena vyžadují ke zrání a klíčení více tepla než vegetativní části rostlin, na stanovištích s kratším vegetačním obdobím roste význam vegetativního způsobu rozmnožování. 12

12 Základní veličiny Odporová čidla: Pt100, Ni100, termistory - přesné - reprodukovatelné - malý dyn.rozsah Výjimka - termistory: -menšípřesnost - horší reprodukovatelnost - velký dyn. rozsah 13

13 Termoelektrická čidla: Cu-Ko, Fe-Ko, Ni-Fe, (typ T, J, K, ) - přesné - reprodukovatelné - malé výstupní napětí 14

14 Infrateploměry - teplota povrchu 15

15 3. Vlhkost a voda v prostředí Voda hraje klíčovou roli v životě na Zemi. Neustále probíhá výměna vody mezi souší, moři a atmosférou hydrologický cyklus: 1. Výpar 2. Kondenzace 3. Transport 4. Srážky 5. Infiltrace 6. Povrchový stok a podpovrchový odtok a akumulace 16

16 Změny skupenství vody: Proces Změny skupenství Spotřeba (-) nebo produkce (+) tepla kondenzace pára - voda 2500 J/g vypařování voda - pára J/g tuhnutí vody voda - led 333 J/g tání ledu led - voda -333 J/g desublimace pára - led 2833 J/g sublimace led - pára J/g Skupenství vody závisí na její vnitřní energii: 333 Jg -1 se uvolňuje při tuhnutí vody 2500 Jg -1 je zapotřebí k výparu (přesněji λ = ,36t Jg -1 ) 17

17 Tlak nasycené vodní páry: c2t E = c1 exp... Tetens; c1 = 6,1078; c2 = 17,558; c3 = 241,88 c3 + t e Psychrometrická rovnice: c3 ln c1 e = E - j = E - (t t ) tg β = E - (t t )γ τ = e ( c2 ln ) kde (t t ) = psychrometrická diference, c1 tg β = psychrometrická konstanta (značená γ) ρ = 2 10 e M a = RT e E τ E E d = E - e j = E - e τ t t β Monteith,

18 Vlhkost se do atmosféry dostává výparem a může být ve stavu: a) rovnováhy b) nerovnováhy s převahou kondenzace c) nerovnováhy s převahou výparu Obecný průběh vodní bilance během roku: (1) srážky, (2) potentiální evapotranspirace, (3) skutečná evapotranspirace, (4) nadlepšení, (5) deficit, (6) využití půdní vláhy a (7) doplnění půdní vláhy (dle Thornthwaite and Mather, 1955, The water balance, Publ. Climatol. 8, 9 86 ) Výpar lze stanovit: a) potenciální: měřením (Picheho výparoměr, výparoměr GGI3000 ) empirickými metodami (dle Turca, Priestley-Taylora, Linacrea, Thornthwaita ) kombinovanými metodami (metoda Penman-Monteithova, kombinovaná metoda Penmanova) b) aktuální: měřením (pomocí lyzimetru, klimatizovanými komorami ) metodou vodní bilance fyzikálními metodami (metoda energetické bilance 19 - Bowenova, metoda eddy correlation, stanovení transpirace)

19 Základní veličiny Srážky - tipping bucket - princip 20

20 Základní veličiny Srážkoměr Met One 370 Srážkoměr SR03 Srážkoměr ARG100 21

21 Základní veličiny Vzdušná vlhkost princip měření metoda hygroskopická (vlasové vlhkoměry, hygrografy) metoda psychrometrická (psychrometry ventilované aspirační a neventilované) měřiče rosného bodu infraanalyzátory kapacitní vlhkoměry 22

22 4. Cirkulace vzduchu, větrný profil Přímý vliv na rostliny: desikace zakrňování deformace poškození a vykořenění eroze - větrolamy přenos škůdců a šíření semen Teorie turbulentní difuze. 23

23 Základní veličiny Vítr Směr a rychlost x vektor rychlosti 24

24 5. Periodicita klimatické rytmy, fenologie rotacezemě spolu s náklonem zemské osy způsobuje periodické změny množství disponibilní energie během dne (diurální změny - diurnální fotoperiodicita, termoperiodicita) i roku (sezónní fotoperiodicita, termoperiodicita, hydroperiodismus) diurnální rytmus má vliv na: procesy spojené s fotosyntetickou asimilací aktivitu dýchání disimilaci propustnost protoplasmy a transport látek růstové procesy fáze vývoje jedince mají svoji posloupnost, probíhající podle geneticky zakódovaných norem za spoluúčasti fytohormonů v součinnosti s vlivy prostředí (nucené - aitionomické a vrozené - autonomické přerušení růstu rostlin, fyziologické hodiny s predormancí, dormancí a postdormancí) cyklus rašení, kvetení, tvoření a zrání plodů a stárnutí v závislosti na počasí sleduje fenologie tzv. fenofáze závisí v první polovině roku na teplotách, resp. překročení určitých teplotních hranic (u časně kvetoucích druhů nižších, u pozdně kvetoucích vyšších), v druhé polovině roku nabývají na významu spíše teplotní sumy - aktivních, efektivních teplot - než prahové hodnoty, spolu s dalšími vlivy, jako jsou fotoperioda, zásoba vody, živin k podrobnější analýze vlivu faktorů prostředí slouží fenometrie, popisující kvantitativně růstové charakteristiky, kupř. kambiální růst prostřednictvím dendrometrie 25

25 Fotoperioda ovlivňuje kvetení, vzcházení semen, opad listí, podzimní barvení listů. Hlavním fotoreceptorem rostlin je pigment fytochrom, mající formu s absorbcí záření 660 nm, převažující v noci a 730 nm vlnové délky, převažující přes den, mající biologicky aktivní účinky. Dle převahy jednotlivých forem a z ní plynoucího období přechodu vegetativní fáze v generativní rozlišujeme krátkodenní (chryzantéma) a dlouhodenní (jahoda) rostliny. 26

26 6. Vliv vnějších faktorů na výměnu CO 2 27

27 Méně obvyklé veličiny Výměna CO 2 /H 2 O infraanalyzátor plynů LI-COR analyzátor LI

28 7. Vodní bilance porostů vodní bilance: Kolísání obsahu vody v rostlině ovlivňuje koncentraci buněčných šťáv a vodní potenciál buněk, který se zvyšuje při narůstání WSD. Rostliny buďto snášejí velký osmotický tlak buněčných šťáv bez poškození (euryhydrické), nebo dochází při jeho nepatrném zvýšení k poruchám životních funkcí u rostlin stenohydrických. Podle schopnosti rostlin vyrovnávat výkyvy v zásobení vodou rozdělujeme rostliny na poikilohydrické (bakterie, sinice, řasy, houby, lišejníky, některé cévnaté výtrusné rostliny s malými buňkami bez centrální vakuoly) a homoiohydrické (s vakuolizovanými buňkami, které se dovedou přizpůsobit nedostatku vody, ale nesnáší vysušení kutikula, průduchy, kořenový systém) izohydrické hydrostabilní, schopné vyrovnávat denní výkyvy vodní bilance průduchy v součinnosti s bohatým kořenovým systémem (stromy, trávy, stínomilné rostliny, sukulenty) anizohydrické hydrolabilní, u nichž dochází k velkým ztrátám vody a zvyšování vodního potenciálu (euryhydrické cévnaté rostliny, poikilohydrické rostliny a byliny slunných stanovišť) 29

29 Vliv zásobení vodou na transpiraci: 1 neomezena, 2 polední částečné uzavření průduchů, 3 polední úplné uzavření průduchů, 4 úplné přerušení stomatární transpirace, pouze kutikulární transpirace, 5 omezení kutikulární transpirace smrštěním membrán

30 Sezónní chod transpirace na stanovištích s rozličnými režimy zásobení vodou: 1 celoroční, 2 sucho v druhé půli léta (lesostepi), 3 letní sucho (stepi), 4 pozdní prohřátí půdy (tundra, vysokohorské polohy) 31

31 Méně obvyklé veličiny Půdní vlhkost čidla VWC [%] 32

32 Méně obvyklé veličiny Sací tlak [Pa] - půda Sádrové bločky 227/223 max -15 bar Tenziometr max -1 bar Watermark max -2 bar 33

33 Méně obvyklé veličiny v potoce Pohyb vody Metoda tepelné bilance je založena na rozdělení přivedené energie na složku konduktivní a složku ohřevu proudící vody, protékající měřištěm, podle vztahu: (1)P = Q dt c w + dt z kde P je příkon energie [W], Q je průtok vody [kg.sec -1 ], dt je gradient teploty v měřišti [K], c w je měrné teplo vody [J.kg -1.K -1 ] a "z" je koeficient tepelné ztráty v měřišti [W.K -1 ]. v kmenech stromů ve větvích 34

34 35