Agroekologie Globální a lokální cykly látek Fotosyntéza Živiny Rhizosféra Mykorhiza
Cyklus prvků transport prvků v prostoru uvolnění prvků nebo jejich sloučenin následný transport opětné zadržení prvku nebo sloučeniny lokální a globální cyklus prvků a látek
Lokální cyklus -přenos v malém území Původní Výrazně ovlivněn klimatickými podmínkami, především teplotou, srážkami a členitostí území. Současný Kromě klimatických podmínek výrazně ovlivněn lidskou činností.
Globální biogeochemický cyklus Přenos prvků (sloučenin) na obrovské vzdálenosti nerespektující politické a přírodní hranice Transport Difusí - ve směru koncentračního gradientu Hmotovým tokem využití proudění v plynné nebo kapalné fázi Pomocí Větru Proudící vody vodních toků Oceánských proudů
Dříve: přírodní katastrofy Sopečná činnost Rozsáhlé lesní požáry Povodně Globální cykly prvků Nyní: antropogenní činnost Rozvoj využití půdy Rozvoj zemědělství Významný rozmach průmyslu Změna způsobu života lidí Vliv cyklů na: Životní prostředí Chemické složení atmosféry
Hlavní cesty toku uhlíku (černá) a jejich narušení antropogenní činností (červená)
Tvorba biomasy Biomasa těla živých organismů vyjádřená: Hmotnostně na jednotku plochy, hmotnost suché hmoty (g.m -2 ; t.ha -1 ) Energeticky na jednotku plochy, nahromaděná energie (joule.m -2 ; MJ.m -2 ) Většinu biomasy tvoří rostliny primární producenti biomasy
Primární produktivita společenstva Rychlost produkce biomasy rostlinami (joule.m -2.den -1 ; kg.ha -1.rok -1 ) Hrubá celková energie vázaná fotosyntézou Čistá celková, snížená o ztráty respirací Sekundární produktivita společenstva Rychlost produkce biomasy heterotrofními organismy
Fotosyntéza Přeměna látek anorganického původu (CO 2, H 2 O, minerální živiny) s využitím světelné energie (kvanta) za vzniku organických látek uvolnění kyslíku Sacharidy Polysacharidy Proteiny Lignin Bílkoviny hν nco 2 + nh 2 O (CH 2 O) n + no 2 chlorof. Lipidy
Chlorofyll a chloroplasty rozhodující význam při produkci primární biomasy
Základní procesy a toky v cyklu uhlíku Primární suchozemské produkce ¾ 1,1 1,2.109 t.rok-1 biomasy Primárně mořská produkce ¾ 0,5 0,6.109 t rok-1 biomasy Celková primární produkce ¾ cca 1,7.109t.rok-1
Koncentrace atmosférického CO 2, naměřené v observatoři na Mauna Loa na Havajských ostrovech. Koncentrace sezónně kolísá a dlouhodobě ji neustále zvyšuje intenzivní spalování fosilních paliv (Bacastow a Keeling, 1981)
Vztah mezi tokem energie () a koloběhem živin vázaných v organické hmotě () a živin ve volném anorganickém stavu ()
Energie a hmota I Energie vstupuje s hmotou při fotosyntéze (vazba CO 2 ) pohybuje se s hmotou (bílkoviny, sacharidy, lipidy) využije se jako zdroj energie (uvolní se CO 2 ) končí těsná vazba energie a hmoty
Energie a hmota II Nevyužitá energie se přemění na teplo Nemůže se recyklovat (využívá se pouze jednou) CO 2 může být znovu využit Živiny se transformují, hromadí v biomase, která se následně rozkládá a živiny jsou opět k dispozici pro tvorbu biomasy
Primární biologická produkce Závisí na: aktivitě slunečního záření teplotě vhodné pro růst rostlin množství vody živinách (mocnost a úrodnost půdy, koncentrace v ovzduší ) škodlivých činitelích (škůdci, choroby) místních podmínkách
Závislost biologické produkce na zeměpisné šířce tropické > subtropické > mírné > severní Traviny a tundry Zemědělství
Definice prvku jako živiny Při zařazení prvku mezi živiny musí být splněny následující tři kritéria: Nedostatek prvku znemožní rostlině dokončit vývojový cyklus. Projev nedostatku je specifický pro sledovaný prvek. Prvek je přímo zapojen ve výživě dané rostliny buď jako součást základního metabolitu nebo jako regulátor enzymového systému.
Obsah vody (10 95 %) Obsah sušiny (90 5 %) Sušina spalitelný podíl popeloviny (95 99 %) (1 5 %) Základní živiny: C, H, O (%) Makroživiny: N, S P, K, Ca, Mg, S (%) Mikroživiny Složení rostlin B, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, Ni (ppm)
Výskyt živin Atmosféra: CO 2, N 2, SO 2, NO 2 Litosféra: Ca 2+, K +, Mg 2+, Fe 2+, Mn 2+,. Hydrosféra: NO 3-, H 2 PO 4-, HCO 3-, SO 4 2- Organická hmota (živá, mrtvá): všechny živiny v poměru, jak je organismy přijímají
Obsah prvků v lithosféře, půdě, organismech a v lidském těle v %. (Duchoň a Hampl, 1959) Prvek Litosféra Půda Organismus Liské tělo O 49,13 55,00 70,00 63,00 H 1,00 5,00 10,50 9,00 C 0,10 1,00 18,00 20,20 N 0,01 0,15 0,30 3,00 Si 25,75 20,00 0,15 0,08 Al 7,51 7,00 0,02 0,001 Fe 5,10 2,00 0,02 0,01 Ca 3,39 2,00 0,50 2,00 K 2,50 1,00 0,30 0,25 Mg 2,35 1,00 0,07 0,027 P 0,08 0,10 0,17 0,95 Cl 0,048 0,10 0,04 0,08 S 0,048 0,40 0,05 0,16
Charakteristika organismů dle výskytu prvků Živé organismy C, N, H Neživé látky Si, Al, Fe, Ca, K, Mg Bez rozdílu obsahu O
Základní vztahy v příjmu živin v systému půda a rostlina CO 2 ODBĚR ŽIVIN ROSTLINOU HNOJENÍ (přísun živin) PŮDNÍ ROZTOK NO - 3 NH + 4 Ca 2+ Mg 2+ K + Cl - SO 2- VOLNÉ ŽIVINY 4 H 2 PO - 4 HCO - 3 Na + exkrety kořenů iontového charakteru (H +, org. anionty) exkrety kořenů HCO 3-, org. kyseliny imobilizace živin Biologická sorpce, organická půdní mikroorganismy hmota N, P, K mineralizace (uvolňování živin) DYNAMICKÁ ROVNOVÁHA PEVNÁ PŮDNÍ FÁZE Výměnná sorpce kationtů na půdních koloidech Ca 2+, Mg 2+, K +, NH 4+,. Chemická sorpce PO 4 3- (Ca, Al, Fe), SO 4 2- (Ca), CaCO 3 Nevýměnná sorpce (fixace) jílovými minerály K +, NH 4 + VÁZANÉ ŽIVINY
Půdní fáze Plynná (půdní vzduch) CO 2 rozklad kořenů, mikroorganismů O 2 dýchání, oxidace N 2, H 2 O Kapalná (půdní roztok) základní fáze pro příjem živin Pevná Minerální podíl inertní sloučeniny minerály o primární o sekundární Organický podíl pasivní stabilní reaktivní
Kapalná fáze půdní roztok Základní funkce transport živin do buněk kořenů vertikální a horizontální transport živin v půdním profilu Koncentrace a složení půdního roztoku závisí na: velikosti vstupů (hnojiva, imise) poklesu půdní vlhkosti mineralizaci organických látek příjmu živin rostlinami srážkové a závlahové vodě stanovišti
Vliv rostlin na procesy v půdě - rhizosféra Tenká vrstvička půdy přiléhající ke kořenům rostlin Zabezpečuje substrát pro mikroorganismy a usnadňuje či omezuje pohyblivost živin Specifické prostředí podporující rozvoj aktivity mikroorganizmů a příjem iontů kořeny Mění přístupnost rizikových látek
Změna ph v rhizosféře rostlin v hlinitopísčité půdě (ph: 6,0; nízký obsah příjatelného P) (Romheld, 1986) Pšenice Cizrna Lupina bílá Proso Stanoveno agarovou metodou s kombinací ph indikátoru nebo antimonovou elektrodou (- pohles ph, + zvýšení ph)
Vytvoření vyčerpané vrstvy v rhizosféře řepky (Kuchenbuch, 1982)
Hromadění vápníku a hořčíku v rhizosféře dvouměsíčních rostlin ječmene (Youssef a Chino, 1987) 80 15 Rozpustný Ca (mmol) 70 60 50 40 Ca Mg 10 5 Rozpustný Mg (mm) 30 2,5 7,5 12,5 17,5 Vzdálenost od povrchu kořenů (mm) 0
Vzájemný vztah mezi rostlinami a houbami v půdě Mykorhiza I Asociace mezi mikroorganismy (zpravidla houbami) a vyššími rostlinami Houba je silně závislá na rostlině Rostlina profituje či strádá z přítomnosti houby
Mykorhiza II Ektotrofní mykorhiza infekce kořenových špiček a krátkých kořenů houbami (silné větvení), tvorba tlustého houbového pláště, (shromažďování živin a vody), pronikání do vnějšího prostředí kořene, nikdy do buněk, jednoletý systém, využívající rostlinné exudáty jako substrát pro svůj rozvoj.
Mykorhiza III Endotrofní mykorhiza houby pronikají přes epidermis kořenových vlásků do parenchymu, kde se dále rozvíjejí, nejrozšířenější typ vezikulo arbuskulární mykorhiza, arbuskuly klubíčka tvořená konci hyf v buňkách kořenů, rostlina poskytuje houbám substrát, houba především živiny a vodu.
Schéma vlivu mykorhizy na morfologii kořenů
Ochuzená zóna vodorozpustného P v rhizo (R), hyphae (H) a ostatní půdě u bílého jetele inkubovaného (+VAM) a neinkubovaného na luvizemi (- VAM) (Li et al., 1991c.)