VYUŽITÍ SPALNÉ KALORIMETRIE VE VZTAHU ROSTLINA-PŮDA- ATMOSFÉRA František Hnilička, Margita Kuklová, Helena Hniličková, Ján Kukla
Úvod Historie spalné kalorimetrie, Využití spalné kalorimetrie v biologii: a) tok energie atmosféra Země, b) tok energie v půdě, c) energie v rostlině, d) tok energie v ekosystémech.
ZAKLADATELÉ NOVODOBÉ KALORIMETRIE Joseph Black Antoine Lavoisier Marcellin Berthelot (1728-1799) (1743-1794) (1827-1907)
TOK ENERGIE V EKOSYSTÉMU
KOLOBĚH LÁTEK A ENERGIE V EKOSYSTÉMU Schéma koloběhu látek
ATMOSFÉRA SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ
ENERGETICKÁ BILANCE Život zde na Zemi je napájený slunečními články. Téměř každá elektrická, a mechanická energie na níž závisí život závisí na trvalém toku energie ze slunce. Nezměrné množství sluneční energie-odhadované 13 x 10 23 kalorií ročně obohacuje Zemi. Asi 30 % sluneční energie je okamžitě odraženo zpět do prostoru jako světlo, podobně jako se světlo odráží od měsíce. Asi 20 % procent je absorbováno zemskou atmosférou. Zbývajících 50 % procent je pohlceno Zemí samotnou sebe a převedeno na teplo.
SKLENÍKOVÝ EFEKT Vliv skleníkového efektu na využití slunečního záření
Solární energie SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ
TOK SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ Oslabování dopadajícího slunečního záření v různých typech ekosystémů.
BILANCE ZÁŘENÍ Bilance záření a teplota vzduchu smrkového porostu
TOK ENERGIE V EKOSYSTÉMU Efektivita využití záření (RUE) RUE= přírůstek biomasy / zachycená FAR Ekologická účinnost Ekologická účinnost = (energie biomasy x 100) energie záření
PŮDA
ZÁKLADNÍ POJMY Litosféra je pevný obal Země tvořený zemskou kůrou a nejsvrchnějšími vrstvami zemského pláště. Její tloušťka se pohybuje obvykle v rozpětí 70-100 km, extrémní hodnoty představují zhruba 2 km, kterých dosahuje na oceánské kůře, a 150 km, kterých dosahuje pod masívy horstev. Skládá se ze 7 velkých desek a 12 menších. Pedosféra je půdní obal Země, který vznikl (zvětráváním) přeměnou svrchní části zemské kůry působením organismů, vzduchu, vody a slunečního záření. Pedosféra leží na styku s litosférou, kryosférou, atmosférou, hydrosférou, biosférou a sociekonomickou sférou, tyto geosféry podmiňují v pedosféře pochody vedoucí k její vertikální a horizontální diferenciaci. Půda je výřez pedosférou od svrchní části až po mateční horninu.
Tok energie Schéma toku energie půda - atmosféra
Schéma koloběhu uhlíku Koloběh uhlíku
Rozklad složitých C - látek Schéma rozkladu škrobu a celulózy
Schéma koloběhu N Koloběh dusíku
Schéma koloběhu P Koloběh fosforu
ROSTLINA
Využití spalné kalorimetrie v biologii - stanovení rychlosti fotosyntézy, - transport asimilátů v rostlině, - produkční fyziologie rostlin, - koloběh energie v ekosystémech, - stresová fyziologie rostlin.
Rostliny v ekosystému Ellenberg (1973) definuje ekosystém jako ucelenou soustavu vzájemných účinků mezi živými organismy a jejich anorganickým prostředím schopnou určité autoregulace. Ekosystémy mají vymezený prostor v ekosféře les, louka, moře. Ekosystém schopný regulace má primární producenty a rozkladače mezi které se mohou zapojit konzumenti. Primární producenti (fotoautotrofní organismy) Konzumenti (heterotrofní organismy) Rozkladači (saprovoři, destruenti, reducenti) Sekundární producenti
Energie a fotosyntéza Každému molu přijatého CO 2 odpovídá zisk potenciální energie rovnající se 114 kcal (= 477,204 kj). 1 mol CO 2 odpovídá 1/6 mol glukosy Molekulová hmotnost glukosy 180 1/6 ze 180 = 30 * 15,7 (energetická hodnota glukosy) = 471 kj na 1 mol CO 2 Fototrofní organismy ročně zachytí asi 10 71 kj energie a její pomocí vyrobí asi 14 10 11 t organické hmoty, uvolní 15 10 11 t O 2 a fixují 20 10 11 t CO 2 ze vzduchu a oceánů.
netto energie (kj.g -1 ) Stanovení rychlosti fotosyntézy 14 16 12 PN (mmol CO2.m -2.s -1 ) 10 8 6 4 2 0 kontrola 22.DC 29.DC 35.DC 45.DC 49.DC 51.DC 55.DC stres + 24 - epibrassinolid 61.DC fáze vývoje stres 65.DC 69.DC 71.DC 77.DC 81.DC kontrola + 24 - epibrasssinolid 14 12 10 8 22,DC 29,DC 35,DC 45,DC 49,DC 51,DC 55,DC 61,DC fáze vývoje 65,DC 69,DC 71,DC 77,DC 81,DC 91,DC kontrola stres stres + 24 - epibrassinolid kontrola + 24 - epibrasssinolid gazometrické stanovení rychlosti fotosyntézy kalorimetrické
Transport asimilátů Sink místo (orgán) v rostlině, kde dochází ke spotřebě nebo akumulaci asimilátů. Source místo (orgán) v rostlině, kde dochází k tvorbě asimilátů, tedy zdroj.
Transport asimilátů Změny obsahu energie (kj.g -1 ) vegetativních a generativních orgánech jarního ječmene
Produkce rostlin 1 g sušiny biomasy rostlin odpovídá průměrně: - 0,4 g uhlíku; - 0,6 g karbohydrátů; - 1,5 g CO 2 přijatého z ovzduší; - 1,07 g vyprodukovaného O 2 ; - 150 800 ml vytranspirované vody; - 17,6 kj vázané energie (15-35 kj). - 1 litr O 2 uvolní 20,18 kj
Produkční fyziologie rostlin Korelace mezi obsahem energie a sušinou
Genotypové rozdíly Vliv genotypu na obsah energie (kj.g -1 ) semen planých a kulturních pícnin.
obsah neergie (kj) v 1 g sušiny Biotické stresory 20 19.5 19 18.5 18 porost A porost B porost C porost D porost E porost F poškozený kontrolní poškozený kontrolní poškozený kontrolní Moráň Hliníky Stolíky Obsah netto energie (kj.g -1 ) v sušině nadzemní biomasy ostružiníku maliníku.
netto energie (kj g -1 ) Abiotické stresory 20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 den stresu kontrola stres Vliv vodního deficitu na obsah energie (kj.g -1 ) nadzemní biomasy juvenilních rostlin kukuřice
EKOSYSTÉM
Tok energie v ekosystému Ekologická účinnost = (energie biomasy *100)/ energie záření
Potravní řetězec tok energie Potravní řetězec je přenos energie obsažené v potravě od primárních producentů na řadu dalších organismů. začíná vazbou energie slunečního záření, končí rozkladem organických sloučenin na anorganické energetická kaskáda. Tok energie se liší v rámci jednotlivých ekosystémů. Energetický tok je představován Slunce primární producenti. rozkladači Koloběhy jsou vázány na zásobníky uhlík, kyslík, voda atmosféra, hydrosféra síra, fosfor atd. - pedosféra dusík půda - atmosféra
TOK ENERGIE V EKOSYSTÉMU Qn = Iv + Ii Ie Ex + Im T ± H + F R Qn je energetická bilance ekosystému, Iv - ozářenost ve viditelné oblasti, Ii - ozářenost v neviditelné oblasti, Ie - energie vyzařovaná ekosystémem, Ex - množství energie vázané v exportované organické hmotě, Im - množství energie vázané v importované organické hmotě, T - energie využitá při evapotranspiraci, H - výměna teploty s okolím, F - energie fixovaná ve fotosyntéze, R respirace a rozkladné procesy.
Tok energie v ekosystému Toky energie (upraveno podle Oduma, 1963). Akumulovaná energie, energetické toky v jednotkách kcal.m -2, kcal.m -2.rok -1.
Tok energie v agroekosystému Energetický zisk je definován jako rozdíl mezi získanou a vloženou energií. Energetický koeficient je poměr získané energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům. Energetická účinnost (účinnost slunečního záření a technologickou účinnost) výrobních procesů je podíl získaných a vložených energií
Tok energie v agroekosystému Energetický zisk je definován jako rozdíl mezi získanou a vloženou energií. Energetický koeficient je poměr získané energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům. Energetická účinnost (účinnost slunečního záření a technologickou účinnost) výrobních procesů je podíl získaných a vložených energií. V agroekosystému je možné rozlišit dva typy energie: - Energie přímá - Energie dodatková.
SHRNUTÍ
Budoucnost VVČ
Děkuji za pozornost