5. ÚČINEK 5.3. ÚČINEK NA ÚROVNI EKOSYSTÉMU SCÉNÁŘE TOK ENERGIE. Osnova. Osnova

Transkript

1 5. ÚČINEK 5.3. ÚČINEK NA ÚROVNI EKOSYSTÉMU SCÉNÁŘE Osnova Osnova pro popis ekosystému: q definice q struktura q tok energie q koloběh hmoty q řízení q vývoj Osnova Toxikant může ovlivňovat všechny aspekty ekosystému TOK ENERGIE Na úrovni ekosystému jsou dominantní nepřímé vlivy. Definovat lze pouze základní scénáře 1

2 TERMODYNAMICKÉ ZÁKONY 1. termodynamický zákon OBECNÉ ZÁKONITOSTI Princip zachování a přeměny energie: - energie nevzniká ani nezaniká, pouze se přeměňuje z jedné formy do druhé TERMODYNAMICKÉ ZÁKONY 2. termodynamický zákon Entropie = míra neuspořádanosti soustavy vysoká entropie = velká neuspořádanost, chaos nízká entropie = vysoká organizovanost ŽIVÉ ORGANISMY: - vysoce organizované soustavy mají nízkou entropii TERMODYNAMICKÉ ZÁKONY 2. termodynamický zákon Princip samovolného růstu entropie: - bez dodávání energie samovolně roste entropie soustavy (= klesá její organizovanost) živé organismy bez neustálé dodávky energie nejsou schopny udržet svoji organizovanost = nejsou schopny existence - při každé přeměně energie se část přemění do formy tepla FOTOSYNTÉZA Sluneční forma: základní zdroj energie elektromagnetické TOK ENERGIE V EKOSYSTÉMU Rostliny FOTOSYNTÉZA = přeměna energie elektromagnet. na energii chemické vazby Sumární rovnice: oxid uhličitý + voda fi cukr + kyslík 2

3 KONZUMENTI TOK ENERGIE A KOLOBĚH HMOTY vstup do potravních řetězců ENERGIE SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ ENERGIE CHEMICKÉ VAZBY ENERGIE TEPELNÁ SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ PRODUCENTI KONZUMENTI Rostliny základní zdroj energie pro ostatní organismy forma energie = energie chemické vazby obsažená v organické rostlinné hmotě JEDNOSMĚRNÝ TOK ENERGIE DESTRUENTI TEPLO ÚČINNOST PŘEMĚNY ENERGIE Vliv na producenty SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ TEPLO a) zásah dominantních producentů -převážná část toku energie je realizována malým počtem druhů PRODUCENTI BÝLOŽRAVEC MASOŽRAVEC -zásah může vést k rozpadu celého ekosystému ,1 J Řádová účinnost v každém stupni se ztratí ve formě tepla cca 90 % energie APLIKACE HERBICIDŮ VE VIETNAMSKÉ VÁLCE VIETNAMSKÁ VÁLKA Vietnamská válka: začátek námořními incidenty v Tonkinském zálivu konec podepsáním Pařížských dohod Kpodpoře vojenských akci použily USA velkoplošné aplikace herbicidů a defoliantů -celkem shozeno cca t 3 základní typy bojových látek: Agent Orange -směs 1 : 1 2,4 - D (2,4 dichlorfenoxyoctová kyselina) 2,4,5 - trichlorfenoxyoctová kyselina obsahoval vyšší obsahy 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin Agent White 2,4 - D + picloram Agent Blue kyselina kakodylová 3

4 APLIKACE HERBICIDŮ VE VIETNAMSKÉ VÁLCE Vliv na producenty rozsah postižených ploch: cca 10 % rozlohy deštných pralesů cca 35 % rozlohy mandragových lesů cca 3 % rozlohy obdělávané půdy dodnes patrné důsledky: pomalý zpětný růst v místech,která byla postříkána 3x - 4x rapidní další pokles úrodnosti půdy tam, kde došlo kpřeměně lesů na travnaté plochy a bambusové lesy pomalá a omezená možnost diverzifikované rekolonizace radikální pokles počtu živočichů dlouhodobé riziko teratogenních a karcinogenních účinků na živočichy a lidi b) zásah sekundárních producentů -cíl aplikací herbicidů proti plevelům -základním předpokladem je selektivnost herbicidu Vliv na producenty plevele herbicidy vyhubení plevelů vyhubení určitých druhů hmyzu -potrava pro mláďata křepelek Plevele výrazný pokles početnosti křepelek Vliv na konzumenty Vliv na destruenty -základní cíl při aplikaci pesticidů vzemědělství - řada negativních vlivů vdůsledku: především nepřímý vliv kontaminantů na půdní * nespecifického působení př. hubení včelstev při aplikaci insekticidů * přenosu v potravním řetězci př. Anglie, , aplikace heptachloru použit k moření osiva pšenice velká úmrtnost ptactva (na rozloze cca 600 ha lesa uhynulo 6000 holubů hřivnáčů velká úmrtnost lišek po snědení 3-6 mrtvých holubů umíraly do 1-2 týdnů potravní řetězec: obilí -holub - liška 4

5 Rozsah teplot ve vesmíru rozsah v miliónech C na Zemi relativně úzký rozsah -minimum cca 75 C východní Sibiř -maximum cca + 55 C Libyjská poušť GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ Rozsah teplot Teplota zásadně ovlivňuje vegetaci vlnová délka (m) Rozdělení podle vlnových délek Příklad: průměrná roční teplota hřebeny Krkonoš (2 C) jižní Morava (9 C) gama RTG ultrafialové světlo viditelné infračervené rádiové vlny klesá vlnová délka roste nebezpečnost pro organismy vlnová délka (m) Rozdělení podle vlnových délek gama RTG ultrafialové světlo viditelné infračervené mikrovlny mikrovlny rádiové vlny Infračervené tepelné vychází z každého předmětu, jehož teplota je vyšší než absolutní nula (- 273,15 C) vzniká při každé přeměně energie sluneční 5

6 Globální oteplování teplotní bilance Země -příjem energie slunečního -výdej tepla skleníkový efekt -vliv skleníkových plynů oxid uhličitý Radiačně aktivní plyny Nejdůležitější: oxid uhličitý metan oxid dusný halogenované uhlovodíky ozón Radiačně aktivní plyny PŘÍSPĚVĚK KE SKLENÍKOVÉMU EFEKTU Základní vlastnosti jsou uvedeny v následující tabulce: předindustriální konc. koncentrace 1994 přírůstek za rok CO ppm 358 ppm 1,5 ppm CH ppb 1720 ppb 10 ppb N 2 O 275 ppb 312 ppb 0,8 ppb CFC ppt 0 HCFC ppt 5 ppt CF ppt 1,2 ppt Příspěvek jednotlivých plynů k zesílení skleníkového efektu atmosféry, jejich radiační působení, závisí: na vlnové délce, které plyn absorbuje, na účinnosti absorpce na koncentraci plynu v atmosféře, na tom zda se absorpční pásma jednotlivých plynů překrývají. přírůstek za rok (%) 0,4 0,6 0, doba života v atmosféře (rok) Global Warming Potential (GWP) = potenciál plynů přispívat ke skleníkovému efektu (ve srovnání s oxidem uhličitým) plyn oxid uhličitý metan oxid dusný HCF-23 HCF-125 vzorec CO 2 CH 4 N 2 O CHF 3 C 2 HF 5 GWP 20 let GWP 100 let Oxid uhličitý RADIAČNĚ AKTIVNÍ PLYNY Koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře nebyla v historii Země konstantní, ale docházelo k častým výkyvům. Některé hodnoty: před lety, vrchol poslední doby ledové poslední tisíciletí (do 1750), stagnace industriální období -růst ppm ppm počátek 20.století cca současný roční přírůstek 315 ppm 350 ppm 356 ppm 1,5 ppm 6

7 RADIAČNĚ AKTIVNÍ PLYNY Zvýšení koncentrace od předindustriální éry (280 ppm) do současnosti (360 ppm) znamená přídavnou radiační energii pro systém troposféra - zemský povrch cca 1,6 W/m 2. Na nárůstu má nepochybně zásadní podíl člověk: spalování fosilních paliv výroba cementu a vápna (uvolňování oxidu uhličitého zuhličitanu vápenatého) změny ve využívání půdy (kácení lesů, vypalování savan...) RADIAČNĚ AKTIVNÍ PLYNY Metan vzniká při širokém spektru anaerobních procesů HLAVNÍ PŘÍRODNÍ ZDROJE mokřiny 30 % oceány termiti HLAVNÍ ANTROPOGENNÍ ZDROJE produkce a zpracování fosilních paliv pěstování rýže chov dobytka 70 % RADIAČNĚ AKTIVNÍ PLYNY RAŠELINIŠTĚ Koncentrace metanu vzrostla od přeindustriálního období zcca 700 ppb na 1720 ppb v roce 1994, což odpovídá přímému radiačnímu vlivu + 0,47 W/m 2. Kodstraňování metanu zatmosféry dochází: vdůsledku reakce shydroxylovými radikály vtroposféře transportem do stratosféry záchytem v půdě METAN nárůst koncentrace oxidu uhličitého nárůst koncentrace metanu RADIAČNĚ AKTIVNÍ PLYNY Koncentrace skleníkových plynů se vzájemně ovlivňují Příklad pozitivní zpětné vazby Zvýšení teploty atmosféry zvýšení produkce metanu odtávání bažin v severských oblastech zvýšení jejich metabolické aktivity HALOGENOVANÉ UHLOVODÍKY RADIAČNĚ AKTIVNÍ PLYNY řada halogenovaných uhlovodíků patří mezi radiačně aktivní plyny. jejich hlavní nebezpečí spočívá vdestrukci ozonosféry. halogenované uhlovodíky jsou používány v chladící technice, jako aerosolové rozprašovače, rozpouštědla, při výrobě plastických hmot. troposféře jsou prakticky inertní, ve stratosféře se pod vlivem slunečního (kratší než 0,22 mm) rozkládají a uvolňují atomy chlóru příp. flóru a brómu. velký nárůst emisí byl v 60. a 70. letech. Roční produkce CFC-11 a CFC-12 byla v roce t, v roce 1974 již t po přijetí Montrealského protokolu v roce 1987 se růst emisí značně zpomalil, avšak vzhledem k dlouhé době života jejich koncentrace v atmosféře stále roste. 7

8 RADIAČNĚ AKTIVNÍ PLYNY PŘÍSPĚVEK KE SKLENÍKOVÉMU EFEKTU Označení různých skupin halogenovaných uhlovodíků: CFC -fluoro-chlorové deriváty neobsahující vodík HCFC -deriváty obsahující vodík PFC -perfluorokarbony Příspěvek jednotlivých plynů k výslednému skleníkovému efektu (Europa s Environment, 1995) Celkové emise CO 2 (mil. tun uhlíku/rok) VÝVOJ EMISÍ SKLENÍKOVÝCH PLYNŮ Emise na hlavu Celkové emise KOLOBĚH HMOTY Celkové emise freónů CFC-11, CFC-12 (mil. kg/rok) (Europa s Environment, 1995) BIOGEOCHEMICKÉ CYKLY BIOGEOCHEMICKÉ CYKLY KOLOBĚH UHLÍKU 8

9 a) Koloběh uhlíku terestická půda odběr CO 2 fotosyntézou voda řeky, jezera, oceány KOLOBĚH UHLÍKU atmosféra dýchání organický C v odtokových vodách fotosyntéza a odběr. organismy využíváníkrajiny spalování fosilních paliv lidské aktivity vodní C3 VLIV NA KOLOBĚH HMOTY organismy se významně podílí na koloběhu hmoty na Zemi (biogeochemické cykly) vliv kontaminantu na organismy se odráží i ve změnách koloběhu hmoty teoreticky by bylo možné diskutovat koloběhy jednotlivých prvků -uvedeny budou pouze tyto příklady: koloběh organických látek koloběh dusíku horniny těžba fosilních paliv sedimenty oceánů (Begon, Harper, Wowsend: Ekologie, 1997) KOLOBĚH UHLÍKU CELULOSA 1. Koloběh organických látek hlavní koloběh živé hmoty, lze spojit s koloběhem uhlíku přímá vazba na tok energie v ekosystému 3 základní fáze: * syntéza organických látek z anorganických fotosyntéza - producenti * transport a transformace organických látek potravní řetězce - konzumenti * rozklad organických látek na anorganické probíhá vkaždém organismu - dýchání specializovaná činnost - destruenti koloběh může být narušen v kterémkoliv stupni antropogenní narušení koloběhu uhlíku kontaminanty * emise CO 2 a CO ze spalování fosilních paliv * kontaminace mořské hladiny ropnými látkami POLYSACHARID NA BÁZI GLUKOSY MOLEKULOVÁ VÁHA V ROZSAHU MOLEKULA CELULOSY OBSAHUJE GLUKOSOVÝCH JEDNOTEK NEJROZŠÍŘENĚJŠÍ ORGANICKÁ LÁTKA NA ZEMI ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ PRVEK BUNĚČNÝCH STĚN ROSTLIN VELMI ŠPATNĚ STRAVITELNÁ PRO BÝLOŽRAVCE TRÁVĚNÍ V VĚTŠINY BÝLOŽRAVCŮ ZAJIŠŤUJÍ SYMBIOTICKÉ MIKROORGANISMY (BAKTERIE, PRVOCI) PŘÍKLADY: SUDOKOPYTNÍCI BACHOŘCI (PRVOCI) MRAVENCI r. Atta HOUBY ROZKLÁDAJÍ PŘINESENÉ LISTÍ TERMITI PRVOCI VE STŘEVĚ (1 termitiště 0,5 mil. jedinců -spotřebují 5 tun dřeva ročně) KOLOBĚH DUSÍKU BIOGEOCHEMICKÉ CYKLY KOLOBĚH DUSÍKU 2. Koloběh dusíku dusík - základní biogenní prvek (syntéza bílkovin), jeho dostupnost ovlivňuje složení celých společenstev (nitrofilní a nenitrofilní ) přirozené obohacování půdy dusíkem - př. trnovník akát * čeleď bobovité -symbióza s nitrogenními bakteriemi * obohacování půdy sloučeninami dusíku podpora nitrofilních společenstev * vylučování fytoncidů změny druhového složení podrostu * expanzní dřevina, původ z Ameriky * vytlačování přirozených společenstev v xerotermních obl. * problémy např. CHKO Český kras 9

10 KOLOBĚH DUSÍKU KOLOBĚH DUSÍKU antropogenní obohacování půdy dusíkem * emise ze spalovacích procesu, značný vliv dopravy * aplikace průmyslových hnojiv * pastviny s velkou koncentrací dobytka * odpadní vody - čistění vsakováním sloučeniny dusíku budou patřit v dalších letech znejvýznamnějším kontaminantů * NH 4+, NO 3- eutrofizace vod * NO x -nárůst dopravy, fytotox. efekt, smog, zdraví obyvatel * NO skleníkový plyn b) Koloběh dusíku terestická půda rybářství voda řeky, jezera, oceány atmosféra využíváníkrajiny zemědělství, hnojiva spalování zvyšuje NO lidské aktivity vodní horniny sedimenty oceánů (Begon, Harper, Wowsend: Ekologie, 1997) EUTROFIZACE vodní květ sinic EUTROFIZACE v terestrickém ekosystému oligotrofní vody 10

11 AGROEKOSYSTÉMY Pastviny v alpínském pásmu KRKONOŠE BUDNÍ HOSPODÁŘSTVÍ pastva ovcí a koz v alpínském pásmu nad hranicí les je běžnou praxí rizika: eutrofizace prostředí, eroze půdy, vliv na flóru a faunu rozhodujícím faktorem je hustota zvířat a intenzita využívání pastviny DŮSLEDKY Vykácení 30% ploch kleče Pohyb dobytka destrukce původního pokryvu hnojení (statková i průmyslováhnojiva) eutrofizace odmítání organické hmoty ochuzování půd vznik komunikací změna vodního režimu ZÁSADY ZMĚNY V KOLOBĚHU HMOTY (N, P, H 2 O) Dnešní horské louky se vzácnými rostlinami (violka sudetská, zvonek český, jestřábník oranžový) DŮSLEDEK LIDSKÉHO HOSPODAŘENÍ EUTROFIZACE RAŠELINIŠŤ BUDNÍ HOSPODÁŘSTVÍ STOLETÍ Počátek 19. stol -asi bud ks hovězího dobytka ks koz EUTROFIZACE HORSKÝCH EKOSYSTÉMŮ př. VYSOKÉ TATRY TOMANOVÁ DOLINA NEDOSTATEK ŽIVIN (N) + KLIMATICKÉ PODMÍNKY EMISE POMALÉ MIKROBIOLOGICKÉ PROCESY HROMADĚNÍ VRSTEV RAŠELINÍKU (až 60 cm vrstvy) (společenstvo Sphagno-Empetrum) NÁHRADA LIKVIDACE KYSELÉ DEŠTĚ ZVÝŠENÝ PŘÍSUN DUSÍKU ROSTL. SPOLEČENSTVA Oreochloetumdistichae ZMĚNA HYDROLOGICKÝCH POMĚRŮ RETENČNÍ SCHOPNOSTI ROSTL. SPOLEČENSTVA Oreochloetumdistichae URYCHLENÍ ROZKLAD. PROCESŮ LETNÍCH PRŮTOKŮ POVODNÍ 11

12 ZMĚNY V DEKOMPOZIČNÍM ŘETĚZCI společenstvo CALAMAGROSTIS VILLOSAE KYSELÉ DEŠTĚ PŘÍSUN DUSÍKU př. CHVOSTOSKOCI rok počet jedinců [jedn/m 2 ] počet druhů ZVÝŠENÁ PRIMÁRNÍ PRODUKCE ZVÝŠENÝ ODPAD NÁRŮST POČETNOSTI PŮDNÍ FAUNY KOLOBĚH FOSFORU a) Koloběh fosforu atmosféra lidské aktivity BIOGEOCHEMICKÉ CYKLY KOLOBĚH FOSFORU terestická půda hnojiva rybářství voda řeky, jezera, oceány odpadnívody odlesňování vodní horniny sedimenty oceánů (Begon, Harper, Wowsend: Ekologie, 1997) KOLOBĚH SÍRY BIOGEOCHEMICKÉ CYKLY KOLOBĚH SÍRY c) Koloběh síry sopečná činnost terestická půda tříšť mořské vody voda řeky, jezera, oceány atmosféra SO 2 ze spalování fosilních paliv lidské aktivity vodní horniny sedimenty oceánů (Begon, Harper, Wowsend: Ekologie, 1997) 12

13 BIOGEOCHEMICKÉ CYKLY KOLOBĚH VÁPNÍKU HRANICKÁ PROPAST ZÁKLADNÍ ÚDAJE GEOLOGIE q NPR Hůrka u Hranic q na pravém břehu Bečvy u Hranic na Moravě q vyhlášena 1952 q rozloha 37,45 ha q součástí rezervace je Hranická propast q podklad: -devonské vápence -kulmské břidlice - částečně překryté terciérními sedimenty q vápencová část je reliktem fosilního krasového kužele VZNIK KRASOVÝCH JEVŮ Základní princip: q rozpouštění vápence kyselinou uhličitou (= oxid uhličitý + voda) Dva zdroje oxidu uhličitého: q v dešťových srážkách ve většině krasových oblastí -rozpouštění z povrchu VZNIK HRANICKÉ PROPASTI q působení termálních minerálních vod z hlubin země q rozpouštění vápence zespodu q z minerálních vod Hranická propast -rozpouštění zespoda Minerální vody 13