Cykly živin v terestrických ekosystémech

Transkript

1 Cykly živin v terestrických ekosystémech Dostupnost živin = hlavním limitním faktorem produktivity terestrických ekosystémů Příjem živin rostlinami - řízen zásobou dostupných živin v půdě - difúzí (hlavní faktor řídící transport) - tokem (bohaté půdy, mikroprvky) - aktivním příjmem Pouze živiny v přímém kontaktu s živými buňkami Schopnost rostlin zvyšovat kapacitu příjmu živin 1 2 C- jehličnany D - opadavý les N temperátní e. s převahou fixátorů N T tropické lesy M = středomořské e. Spotřeba v korelaci s produkcí

2 Vliv narušení (disturbance) ekosystému na ztráty živin

3 Cyklus C

4 Ekologická stechiometrie Organizmy mají různé požadavky na živiny - souvisí se složením jejich biomasy: Přiklad pro N: Rostliny: C/N poměr vysoká variabilita! (listy C/N ~ 15-50) (kořeny vc/n ~ ) Živočichové: homeostatičtí (C/N ~ 6-10) Mikroby: variabilita ovlivněna složením společenstva ( bakterie C/N ~ 4-8) (houby C/N ~12-15)

5 Všechny biogeochemické cykly jsou změněny lidskou aktivitou Cyklus % změny* uhlík + 13 dusík +108 fosfor +400 síra +113 srážky + 16 sedimenty +200 Falkowski et al 2001 Science 290, * [100 x (porušený-přirozený)/přirozený]

6 Zjednodušený terestrický cyklus N Nitrifika ce Mrtvá org. hmota DON NH 4 + NO 3 - Mikrobní biomasa Půdní živočichové

7 Regulace mineralizace N Klasický pohled: Nové paradigma Schimel & Bennett (2004) Ecology 85: 591

8 Podíl lidské činnosti na fixaci N N fixace = přeměna N na reaktivní sloučeniny

9 Rozsah (nebezpečnost) vlivu N plynů závisí na speciaci N NH 3 atmosférický plyn, vysoce reaktivní, obvykle se vrací se srážkami jako NH 4 SO 4 NO atmosférický plyn, vysoce reaktivní. Významná role v tvorbě troposférického ozónu N 2 O atmosférický plyn, ne příliš reaktivní ale významný skleníkový plyn a a významná role v úbytku stratosférického ozónu

10 Vliv člověka výroba N hnojiv - Haberův proces používání minerálních hnojiv (hlavně N) zvýšení ze 14 miliónů tun v 1950 na 135 miliónů tun v současnosti Fritz Haber Nobelova cena v 1918 Haberův proces: Vysoká teplota a tlak 3 CH 4 + 6H 2 O 3CO H 2 4 N H 2 8 NH 3 Polovina průmyslově fixovaného N, který člověk během své historie aplikoval, bylo použito od roku Kates et al, 1990

11 Důsledky změn koloběhu N 1. Změna kvality vod - eutrofizace 2. Kyselé srážky (acid deposition) 3. Změna chemických reakcí v atmosféře

12 Vliv hospodaření na vyplavování N Vyplavování N do povrchových vod a jeho kolísání v čase je významně ovlivněno způsobem využití krajiny.

13 Vliv délky potravního řetězce Carcase - mrtvola

14 N dělá všechno Acidifikace SO x NO x NH x Eutrofizace NO x NH x PO 4 Aerosoly SO x NO x NH x Ozón (troposféra) NO x VOC CO UVB (stratosféra) NO x FCHC Cl Modifikováno podle Rodhe 2005 a jeho koncentrace se nesníží pokud neuděláme významné změny v zemědělství

15 ALE N je také živina Současný, legalizovaný scénář Maximální, technicky dosažitelná redukce, legalizovaný scénář

16 Vliv spadu síry a dusíku na živiny v půdě Atmosféra Sírany (SO 4 ) dusičnany(no 3 ) Amoniak (NH 4 ) Ca 2+ Al 3+ Vápník (Ca 2+ ) Hliník (Al 3+ ) NO 3 půda Mg 2+ Rozpustné sírany Mg 2+ voda Vyplavování živin a hliníku Ca 2+ Hořčík (Mg 2+ ) Rozpustné dusičnany Vyplavování živin a hliníku Pohyblivost a toxicita hliníku v půdě Snižování ph (acidifikace)

17 Cykly živin v terestrických ekosystémech Dostupnost živin = hlavním limitním faktorem produktivity terestrických ekosystémů Příjem živin rostlinami - řízen zásobou dostupných živin v půdě - difúzí (hlavní faktor řídící transport) - tokem (bohaté půdy, mikroprvky) - aktivním příjmem Pouze živiny v přímém kontaktu s živými buňkami Schopnost rostlin zvyšovat kapacitu příjmu živin 1 2 C- jehličnany D - opadavý les N temperátní e. s převahou fixátorů N T tropické lesy M = středomořské e. Spotřeba v korelaci s produkcí

18 Emise SO 2, NO X a NH 4 v bývalém Československu (kg/ha/rok) Evropa

19

20

21 Cyklus P - srovnání s cyklem N E = eroze a odnos

22 Cyklus P v půdě rostliny C, N, P ORGANICKÝ MINERÁLNÍ Primární P (CaPO 4 ) Apatit Půdní organická hmota C, N, P Sekundární P Hydroxyapatit Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 PO 4 3- Mikroby C, N, P Mineralizace Imobilizace P vázaný na hydroxyoxidy

23 Koloběh Ca a Pb

24 Koloběh S a K

25 Cyklus C a živin ve vodě Platí stejné principy jako v suchozemských ekosystémech X zcela jiné řídící ekologické faktory, dynamika (rozdílem mezi fyzikálními vlastnostmi vody a vzduchu) Cílem: ukázat podobnost a rozdílnost se suchozemskými systémy Strukturní a funkční diverzita vodních ekosystémů srovnatelná se suchozemskými Oceány (pelagické systémy), řeky, jezera a nádrže, mokřady (litorální systémy)

26 Litorál je mělká oblast poblíž břehů jezer (oceánů), ve které světlo prochází až na sedimenty dna a ve které dominují makrofyta. Pelagiál (limnetická zóna) je oblast volné vody mimo litorál, ve které světlo obvykle neproniká až na dno.

27 Základní vlastnosti vody a vzduchu, které ovlivňují ekosystémové procesy vlastnost voda vzduch poměr koncentrace O 2 (ml l -1 ) :30 difúzní koeficient (mm s -1 ) O 2 0, ,98 1:8000 CO 2 0, ,55 1:9000 hustota (kg l -1 ) 1 0, :1 viskozita (mpa s) 1 0,02 50:1 tepelná kapacita (cal l -1 ( C) -1 ) , : primární producenti ve vodě fytoplankton, v eufotické vrstvě (dostatečně prosvětlená vrstva; oceány - do 200m, sladké vody několik cm až několik metrů) míchání vrstev pelagické a litorální zóny

28 vodní ekosystémy jiný vztah velikosti těla a potravy velikost těla a generační doba organismů v oceánech a na souši. piko- a nano- plakton vodní organismy často filtrátoři, cca 100x větší než potrava herbivoři v pelagickém systému účinnější přeměna živin než u suchozemských herbivorů (menší podíl strukturních látek ve fytoplanktonu).

29 trofické pyramidy v suchozemském a vodním ekosystému ve vodním ekosystému má většina biomasy krátkou dobou obratu a je rychle konzumována

30 velikost vodních organismů determinuje jejich potravní strategii Reynoldsovo číslo = (délka *rychlost)/kinematická viskozita plavání a filtrace energeticky příliš náročné příjem potravy difuzí inertia = setrvačnost

31 charakteristika oceánu a pevniny veličina oceány kontinenty povrch (% Zemského povrchu) objem oživené zóny(% zemského povrchu) 9,5 0,5 živá biomasa (10 15 v g C) živá biomasa (g m -2 ) 5, mrtvá organická hmota (10 3 g m -2 ) 5,5 10 čistá primární produkce NPP (g C m -2 r -1 ) doba zdržení C v živé biomase (rok ) 0,08 11,2 660 x 5 x Fytoplankton nepotřebuje k zajištění potřebné fotosyntetické kapacity tak velkou biomasu jako rostliny na souši:

32 vodní organismy adaptace na nízkou koncentraci kyslíku a anaerobní podmínky vodní organismy obvykle menší náklady na osmoregulaci než suchozemské organismy suchozemské organismy adaptace na sucho a obrana dehydrataci Oceány malá produktivita - pouze 40% NPP na Zemi v otevřených oceánech - není limitace C, ale N a P příčina různé zdroje C: (H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 HCO H + CO H + ) nízké ph ph ~ 8 vysoké ph otázka: jak se vyjadřuje salinita a jaké procesy odnímají hlavní ionty z mořské vody)

33 Teplotní stratifikace v jezerech a nádržích

34 fotosyntéza vodních org. stejná jako u suchozemských organismů, ale ve vodě světlo zachycováno vodou, suspendovanými částicemi a řasami, na souši přímo porostem účinnost fotosyntézy podobná, 5-25%, maximum fotosyntézy v 10 m hloubce, chování podobné jako u zastíněných rostlin větší diverzita fotosyntetických pigmentů prostupnost světla v různých hloubkách lesa, otevřeného oceánu a oceánu při pobřeží

35 ve vodních ekosystémech v hloubkách převažuje modré světlo v suchozemských červené B-modrý, G-zelený, Y-žlutý, R-červený, W-bílý vodní organismy na rozdíl od suchozemských fotosyntéza v anaerobním prostředí s využitím redukovaných sloučenin síry (život v horkých sirných pramenech a v sedimentu, pouze malá část bilance C

36 dostupnost živin v oceánech eufotická vrstva - chudá na živiny, prostorově oddělená od zdroje živin ze dna hlavní limitace v otevřeném oceánu P (zvětráváním a transportem v řekách, v prachu) zvýšení dostupnosti P nárůst fixace N dokud P není opět limitující N:P v oceánech = (Redfieldův poměr, relativně konstantní) (ukazuje relativní požadavek na živiny a na to, že oba prvky jsou limitující) hlavní limitace na pobřeží N (denitrifikace v anaerobním sedimentu) stopové prvky Fe, Mo = kofaktory nitrogenázy, často limitace produktivity oceánu limitace jinými živinami než C nepravděpodobnost přímé reakce oceánů na nárůst CO 2 limitace produktivity také převahou vyžírání fyptoplanktonu nad nárůstem

37 Vzestupné proudy a vynášení živin Obrovské cirkulující buňky v hlavních oceánských bazénech (oceánské pouště v severním Pacifiku a Severnim Atlantiku, limitace N a P)

38 POC (N)= particulate org. C (N) DOC(N) = dissolved org. C(N) 5-20% GPP koloběh C a N v oceánu - hlavní zásobníky a toky

39 Jezera široké rozmezí od pelagických až po mokřadní ekosystémy hluboká jezera uprostřed strukturou podobná mořským ekosystémům, litorál (pobřeží) podobné mokřadům struktura a funkce jezer závislost na původu: ledovcová jezera - většinou propojena malými vodními toky jezera říčního původu mělká, periodické spojení s řekou tektonická jezera velká, hluboká, izolovaná (např. Bajkal) řízení NPP většinou není limitace C důležitost vertikálního míchání jako v moři limitace P ve většině jezer (koncentrace N v jezerech většinou o řád vyšší než v oceánech) vstup živin z okolních suchozemských ekosystémů - eutrofizace přeměny C a živin - ve středu hlubokých jezer podobnost s oceánem, v litorálu s mokřadem

40 Tekoucí vody Produktivita řek řízena interakcí s terestrickým ekosystémem Vstup detritu, Přístup světla Zdroje organické hmoty a energie Primární producenti Hrubý opad Jemné částice Rozpuštěné organické látky Jejich podíl a důležitost závisí kudy a jak rychle řeka teče

41 CPOM (hrubá partikulovaná org.hmota) Horní tok P/R <1 Střední tok FPOM (jemná partikulovaná org.hmota) P/R >1 Dolní tok P/R <1

42 Koncept říčního kontinua Relativní hodnoty CPOM/FPOM P/R<1 P/R>1 Biologická diverzita Šířka toku P/R<1 Řád toku Vypůjčeno z Vrba, Obecná limnologie CPOM - coarse particulate organic matter FPOM fine particulate organic matter

43 Tok živin v řece koncept spirálního toku živin (Nutrient Spiralling Concept) C 1 ročně N,P N,P Vypůjčeno z Vrba, Obecná limnologie

44 Přeměny C a živin v mokřadu

45 Přirozené zdroje metanu - severské mokřady

46 Přirozené zdroje mokřady v tropickém pásmu - okolo 70% globálních emisí Delta řeky Ganga, Bangladéš a Indie Delta řeky Okavango, Botswana

47 Anaerobní podmínky emise metanu ~55% metanu ze zaplavených půd (mokřadů přirozených nebo obhospodařovaných) Emise metanu z povrchu nebo aerenchymem a stéblynapř. rýže, rákos

48 Tvorba metanu metanogeneze CH 3 COOH CO 2 + CH 4 CO H + CH 4 Mokřady, skládky, bachor.všude podobná reakce, archaebakterie?? Listy rostlin až 20% celkové produkce metanu (Nature, 2006) Spotřeba (sink) metanu Oxidace v půdě (5%) metanotrofní bakterie, ve všech půdách s ph>4, aerobní proces, spotřebuje se většina vytvořeného metanu, Atmosféra (90%) reakce s OH radikály (viz dříve) Stratosféra (5%)

49 Fakta o metanu Koncentrace se zdvojnásobila od před-industriálního období (nyní okolo 1.7 ppm) Po CO 2 H 2 O, nejvíce se vyskytující skleníkový plyn 20 až 30-krát účinnější než CO 2 Přežívání v atmosféře 9 let

50 Zdroje metanu Odhad v globální anthropogenní emise metanu to 477 Teragramů (Tg)/rok,

51 Globální gradient v koncentraci metanu Soustavně vyšší na severní polokouli

52 Hydráty metanu Krystalická pevná látka tvořená molekulami metanu, které jsou obklopeny molekulami vody, Stabilní díky působení tlaku a teploty, ale o kontrola stability a tvorby málo poznatků Globálně v hydrátech metanu může být vázáno 2x více C než v dosud využívaných zásobách paliv. Uvolňování těchto zdrojů souvislost s kolísáním klimatu v historii Země?? Využití jako zdroje energie??? Oblasti akumulace: Hlubinné oblasti podél pobřeží (hluboká vnitřní moře a jezera, pobřeží kontinentů, aktivní tektonická pásma) Kontinenty v polárních oblastech

53 Rozšíření hydrátů metanu

54 Globální koloběhy

55

56 Pouze přirozený cyklus C Globální cyklus uhlíku oceán Toky v g za rok, zásobníky v g V anglickém textu, desetinná čárka vždy odděluje tisíce

57 Celkové zásobníky C Gt C Gt C Porovnání suchozemského a oceánského zásobníku ALE pouze té části, která je důležitá v krátkodobém koloběhu

58 Množství CO 2 v atmosféře se zvyšuje o 3,2 Gt C ročně Bilance C v atmosféře (v Gt C rok -1, 1Gt = 1Pg = g) Čistá výměna = vstup + výstup + vnitřní výměna Respirace rostlin a půdy = 110 spalování fosilních paliv = 6,3 Spalování biomasy = 1,6 + fotosyntéza = oceány = -1,7 3,2 = 117,9 + (- 112,7) 3,2 = 5,2 Výměna v atm.= 0! Chybí 2 Gt C ročně!!!

59 Vliv člověka na výměnu (tok) C mezi zásobníky Spalování fosilních paliv porušení rovnováhy krátkodobého koloběhu 1.6 Gt 1.6 Gt Jak víme, že CO 2 pochází ze spalování?

60 Emise CO 2 z průmyslu tisíce tun Emise CO 2 ze zemědělství tisíce tun

61 rozložení emisí CO2

62 Česká republika Průměr bohaté části světa Světový průměr Průměr chudé části světa

63

64 Možnosti snížit tok C do atmosféry

65 Globální cyklus kyslíku Proč nedojde k odčerpání CO 2 a zvyšování O 2 v atmosféře?

66 Globální cyklus dusíku Z hlediska lidské činnosti: NH 3, N 2 O, NO x Toky v g za rok

67 Zvýšený vstup vlivem lidské činnosti 1 Mt = 10 6 t! Propojení s cyklem C denitrification Vyplavování N Ind.fix.= fixovaný v průmyslu Bio.fix.= biologicky fixovaný DN = rozpuštěný PON = partikulovaný organický N

68 Globální cyklus fosforu Vnitřní cykly DP = rozpuštěný P, Wet-dry fallout = částice P v dešti Polutant = nadbytek P spojený s antrop.z. Vstup společně s N a C

69 Permafrost area

70

71

72 Predikce snížení plochy permafrostu v aktivní povrchové vrsrvě (~ 3 m hloubky) během 100 let Scénář vysokých emisí redukce plochy o 2 miliony km 2 Scénář nízkých emisí redukce o 1,5 milionu km 2 -Zvýšení odtoku o 28% do roku 2100 (od roku 1930 do současnosti se odtok vody zvýšil o 7%) -Zvýšení emisí skleníkových plynů

73

74

75 Methane of biological origin! (a)-background - young 14 C ages; mostly produced in surface lake sediment; Holocene age peat (d); low CH 4 concentration (b) point-source; deeper in lake sediment, higher conc CH 4 ; older ages than (a), common bubble tubes and are emitted through single small holesat the sediment surface, in winter trapped in ice (c) hotspot ebullition- fixed points; extremely high ebullition rates maintain open hole lake ice throughout winter, high CH 4 concentration (up to 90%), ancient 14 C age ( years); from great depth of lake thaw bulb (e) from pleistocene aged organics in yedoma (f)