Cykly živin v terestrických ekosystémech (EKO/CZ) Mgr. Jan Mládek, Ph.D. (2012/2013) 2. blok 1/10/2012 Rozvoj a inovace výuky ekologických oborů formou komplementárního propojení Rozvoj a inovace výuky ekologických oborů formou komplementárního propojení studijních programů Univerzity Palackého a Ostravské univerzity CZ.1.07/2.2.00/28.0149
CYKLUS DUSÍKU důležitá plynná fáze globální c. (jednotky: megatuny...10 6 tun) (Molles 2009)
CYKLUS DUSÍKU přechod mezi jednotlivými fázemi zejména BAKTERIE
CYKLUS DUSÍKU organické látky (aminokyseliny R NH 2 ) AMONIFIKACE
VOLATILIZACE A VYPLAVENÍ DUSÍKU PŘI HNOJENÍ A PASTVĚ... Whitehead 2000
Nitrogen Cycling in soils: Biologically controlled Atmospheric Deposition N 2 fixation N 2 2, N 2O Plant N Litterfall Root turnover Uptake Uptake Denitrification Mineralization Organic N NH 4 + Immobilization* Nitrificationifi ti NO - 3 Clay-fixed NH + 4 Immobilization* Leaching *Includes mostly microbial (biotic) but also some abiotic immobilization
CYKLUS DUSÍKU aerobní (oxidace) a anaerobní (redukce) procesy přeměn dusíku -90% dusíku v půdě je v nedostupné formě (půdní organická hmota) -asimilace NH 4 + vyžaduje 2-5% rostl. energie, zatímco NO 3- vyžaduje 15% energie
CYKLUS DUSÍKU biochemické přeměny dusíku OXIDACE a REDUKCE
CYKLUS DUSÍKU (Marschner and Rengel 2007)
CYKLUS DUSÍKU NA PASTVINĚ... Whitehead 2000 70% d ík l ě éh í cca 70% dusíku uvolněného z píce herbivory odchází v moči (močovina)
CYKLUS DUSÍKU NA PASTVINĚ... Whitehead 2000
Koncentrace dusíku v půdě vliv textury substrátu (Whitehead 2000)
CYKLUS FOSFORU bez plynné fáze lokální cyklus dlouhodobě glob. sedimentární (jednotky: megatuny...10 6 tun) (Molles 2009)
CYKLUS FOSFORU dostupnost pro rostliny nízká HOUBY... mykorrhiza
ZMĚNY FRAKCÍ FOSFORU BĚHEM PEDOGENEZE
LIMITACE FOSFOREM v pozdních stádiích vývoje ekosystémů
SCHOPNOST MOBILIZOVAT FOSFOR... invazní druhy (Bünemann et al. 2009) Bromus tectorum sveřep střešní... produkce kořenových ř ýhexudátů ů
CYKLUS FOSFORU NA PASTVINĚ... Whitehead 2000
CYKLUS FOSFORU NA PASTVINĚ... Whitehead 2000
CYKLUS FOSFORU (Marschner and Rengel 2007)
ODBĚR ŽIVIN SKLIZNÍ PÍCE... Whitehead 2000
DODÁNÍ ŽIVIN HNOJIVY... Whitehead 2000
TYPY FOSFOREČNANOVÝCH HNOJIV A APLIKACE V TRAVNÍCH POROSTECH (Whitehead 2000)
Koncentrace živin v hnoji (exkrementy) a kejdě (exkrementy + moč)... rozdíly (Whitehead 2000)
CYKLUS DRASLÍKU
TOKY MINERÁLŮ NA PASTVINĚ... Whitehead 2000
TOKY MINERÁLŮ NA PASTVINĚ... Whitehead 2000
Biologická fixace dusíku vyžaduje hodně energie (12 g asimilovaného uhlíku za 1 g fixovaného dusíku) energie ve formě ATP... potřeba fosforu anaerobní podmínky enzym NITROGENÁZA vyžaduje Mo, Fe, S nesymbiotickyfixovanýdusík do 5 kg/ha/rok (heterotrofní bakterie Azotobacter, Bacillus) množství symbioticky fixovaného dusíku: 1 2 kg/ha/rok... lišejníky v lese 300 kg/ha/rok... olše 400 kg/ha/rok... vojtěška (Whitehead 2000) noduly (hlízky na kořenech) řez hlízkou
Olše s hlízkami aktinomycety Frankia
Přehled symbiotických fixátorů dusíku (prokaryota) a jejich hostitelů gram positivní gram negativní rýžové pole s azolou (Marschner and Rengel 2007)
Vliv dostupnosti minerálního dusíku na fixaci amonná forma dusíkatého hnojiva nesnižuje počet hlízek resp. aktivitu bakterií (vlevo) dusičnanová forma hnojiva zásadně redukuje biologickou fixaci (vpravo) (p (Sprentetal. 1999) (Marschner and Rengel 2007)
Kde najdeme převážně rostliny fixující dusík první stádia sukcese, po požárech lišejníky Alnus viridis Ceanothus fendleri latnatec Rhamnaceae řešetlákovité sukcese pro požáru sukcese pro požáru Oregon, USA
DEKOMPOZICE ORGANICKÉ HMOTY MINERALIZACE DUSÍKU závislá na poměru C:N (při hodnotách < 20 30, nad tyto hodnoty imobilizace) pouze 1 5% dusíku v půdě v minerální formě amonné ionty adsorbují na jílové minerály (pouze vzácně volatilizace při vysokém ph, např. hnojení močovinou) nitrifikace nitrifikaceamonnýchamonných iontů na dusičnany je předpoklademvyplavování (při hnojení močovinou použití látek zabraňujících nitrifikaci) MINERALIZACE FOSFORU závislá na poměru C:P (při hodnotách <200, nad 300 imobilizace) fosfor se nevyplavuje (při nadměrném hnojení budování zásoby na desítky let)
Koncentrace živin v opadu dřevin: jehličnaté a listnaté olše šedá
Koncentrace živin v opadu dřevin: % živin v opadu z původního množství v sezóně borovice lesní buk lesní
Recyklace dusíku dekompozicí organických residuí (Whitehead 2000)
C : N poměr rozhodující pro rychlost dekompozice organického materiálu Odumřelá organická hmota (litter types ypes) vojtěška (alfa lfa alfa) 13:1 jetel (clover) 20:1 sláma (straw traw) 80:1 opad listnatých dřevin (deciduous) 40:1 to 80:1 opad listnatých dřevin (coniferous) 60:1 to 130:1 dřevo 250:1 to 600:1 Půdní organická hmota 12:1 to 50:1 mikroflóra potřebuje nejdříve inkorporovat dusík z půdy do většiny druhů opadu, aby mohla být nastartovaná dekompozice (C:N<20 30) opad svysokým C:Nmůže způsobovat deficienci dusíku vpůdním roztoku během dekompozice dochází kuvolňování uhlíku ve formě CO 2, C:N tak postupně klesá lignin:n poměr také dobrý prediktor dekompozice (více ligninu pomalejší rozklad)...lignin imobilizuje dusík chemicky (podobně vliv taninů)
C : N poměr rozhodující pro dekompozici a mineralizaci dusíku... Badía et al. 2008 vyšší pastevní tlak minerální dusík dostupný pro rostliny nekoresponduje s celkovým obsahem dusíku v půdě (Total N) kyselé, nízká dostupnost živin vyšší pas stevní tla ak N nižší půdní C: smilkové hole jílkové pastviny méně kyselé, vysoká dostupnost živin
Kalkulace C : N poměru... průběh dekompozice organického materiálu Příklad 1 C:N poměr organického materiálu (opadu) = 48:1 C:N mikroflóry = 6:1 účinnost využití uhlíku mikroflórou (C use efficiency)= 50% ze 48 jednotek spotřebovaného uhlíku: 24 jednotek unikne jako CO 2 24 jednotek je inkorporováno do mikrobiální biomasy pro inkorporaci 24 jednotek uhlíku, mikroflóra potřebuje 24/6 = 4 jednotky dusíku nicméně pouze 1 jednotka dusíku pochází z dekompozice 48 jednotek uhlíku 3 jednotky dusíku jsou imobilizované bl ované v mikrobiální bál íb biomase na rozklad 48 jednotek uhlíku
Kalkulace C : N poměru... průběh dekompozice organického materiálu Příklad 2 C:N poměr organického materiálu (opadu) = 12:1 C:N mikroflóry = 6:1 účinnost využití uhlíku mikroflórou (C use efficiency)= 50% z 12 jednotek spotřebovaného uhlíku: 6 jednotek unikne jako CO 2 6 jednotek je inkorporováno do mikrobiální biomasy pro inkorporaci 6 jednotek uhlíku, mikroflóra potřebuje 6/6 = 1 jednotku dusíku 1 jednotka dusíku pochází z dekompozice 12 jednotek uhlíku systém je v rovnováze žádná á imobilizace ani mineralizace dusíku
Kalkulace C : N poměru... průběh dekompozice organického materiálu Příklad 3 C:N poměr organického materiálu (opadu) = 12:1 C:N mikroflóry = 6:1 účinnost využití uhlíku mikroflórou (C use efficiency)= 25% z 12 jednotek spotřebovaného uhlíku: 9 jednotek unikne jako CO 2 3 jednotky jsou inkorporovány do mikrobiální biomasy pro inkorporaci 3 jednotek uhlíku, mikroflóra potřebuje 3/6 = 0.5 jednotky dusíku 1 jednotka dusíku pochází z dekompozice 12 jednotek uhlíku 0.5 jednotky dusíku je uvolněno ě do půdního roztoku (čistá mineralizace) z rozkladu 12 jednotek uhlíku
Residence time of litter... doba, po kterou zůstává opad nerozložen ůž být čítá jk díl lk éh žtí d i kžd č íh éh může být spočítáno jako podíl celkového množství opadu na zemi a každoročního nového vstupu boreální les: živiny zůstávají imobilizovány v opadu přirozeně několik set let... požáry uvolňují
Atmosférické depozice živin ve Velké Británii... Whitehead 2000
Vliv atmosférické depozice dusíku na travní porosty... Stevens 2009 na celkové depozici dusíku se nejvíce ík í podílejí NH3 a NH4+
Vliv atmosférické depozice dusíku na travní porosty... Stevens 2009 depozice dusíku snižují ph půdy, ale nemají vliv na dostupnost fosforu depozice nitrátů nemají vliv na dostupnost nitrátového dusíku (vyplavení), kdežto depozice amonného dusíku silně pozitivně korelují s jeho dostupností v půdě (vazba na jílové minerály)
Vliv atmosférické depozice dusíku na travní porosty... Stevens 2009 vřes Calluna vulgaris, Anglie smilka Nardus stricta, Skotsko
Vliv atmosférické depozice dusíku na travní porosty... Stevens 2009 hliník: silně toxický pro většinu rostlin
Vliv atmosférické depozice na složení opadu... Berg and McClaugherty 2008 klesající í koncentrace síry, železa, zinku, mědi a olova na gradientu znečištění nepříznivý vliv depozic těžkých kovů na koncentraci živin (N, P) v pletivech, ale také na koncentraci Mn, který je nezbytný pro rychlou dekompozici opadu