MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013 Globální změny klimatu a trvale udržitelný rozvoj 3. List, rostlina a porost v podmínkách dnešního klimatu: význam vody Lubomír Nátr Lubomír Nátr
3. List, rostlina a porost v podmínkách dnešního klimatu: význam vody Fotosyntéza na úrovni listu, rostliny a porostu. Vliv vnějších faktorů na fotosyntézu: záření, CO2, teplota. Dýchání rostlin : ztráta nebo nezbytnost? Potřebují rostliny hodně vody ke svému růstu? Tok vody v ekosystémech. Nejvíce vody spotřebuje zemědělství při závlahách: Proč? Rostliny jako chladničky v krajině. Lubomí Nátr, 2011
Typické znaky rostlin Fotoautotrofie (produkce biomasy, O2, spotřeba CO2) Stavba buněk (buněčná stěna, vakuoly, plastidy) Tři genomy (jaderný, plastidový a mitochondriální) Přisedlost (sesilita, na jednom stanovišti) Totipotence buněk Rodozměna (střídání diploidní a haploidní generace) Trvalá funkce meristémů (neukončená organogeneze) Lubomír Nátr Katedra fyziologie rostlin UK 3
Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA Annual global DM production: 105 Pg (C) year -1 or 200 g (C) year -1 m -2 Is it enough? Lubomír Nátr 2010 1 g C >3,7 g CO 2 a 2,5 g DM 1 g CO 2 >0,27 g C a 0,675 g DM 1 g DM >1,47 g CO 2 a 0,378 g C
1 g C >3,7 g CO 2 and2,5 g DM 1 mol ~ 6.022. 10 23 parts (Avogadro) 1 mol C ~12 g C 1 mol CO 2 ~12g C+2x16g O 2 ~44g CO 2 If 12 g C ~ 44g CO 2 then 1 g C ~ 3,7 (4) CO 2 If 44g CO 2 ~ 12g C then 1g CO 2 ~ 0,27 (1/4) C Lubomír Nátr 2008
DM ~ CH 2 O 1 mol DM [CH 2 O] ~ 30 g containing 12 g C From chemical analysis: DM~40% to 45% C 1 g CO 2 >0,27 g C a 0,675 g DM 1 g DM >1,47 g CO 2 and0,378 g C Lubomír Nátr 2008
390 ppm CO 2 ~ 0.039 % CO 2 in the air ~ ~ 390 μl CO 2 in 1 L air ~ ~390 ml CO 2 in 1 m 3 air ~ 1 mol gas ~22.4 L~ 44g CO 2 ~ 22.4 L 32 g O 2 ~ 22.4 L 1 mol air ~ 22.4 L [1 mol air ~0.8x28 g N 2 +0.2x32g O 2 ] If 44 g CO 2 ~ 22,4 L then 1 g CO 2 ~0,51L If 22,4 L CO 2 ~ 44g CO 2 then 1 L ~ 1,96 (2) g 1 mlco 2 ~2 mg CO 2 Lubomír Nátr 2008
Lubomír Nátr 2009
Response (CO 2ELEVATED /CO 2STANDARD ) 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 Soybean Wheat Rice Maize 400 600 800 1000 CO 2 concentration (ppm, elevated) Lubomír Nátr 2009 Tubiello F. N., Europ. J. Agronomy (2006)
Relativní zvýšení (%) výnosu obilek a sklizňového indexu 17 odrůd rýže pěstované při koncentraci 664 ppm CO2 ve srovnání s 373 ppm CO2 350 300 250 200 150 100 50 0 75 Výnos obilek na rostlinu Sklizňový index Průměrné zvýšení o 70 % Průměrné zvýšení o 23 % Průměrné zvýšení o 67 % Průměrný pokles o 4 % ITA 186 IR74 Salump. IR30 IR28 MGL-2 IR46 Azucena OS4 IRAT 104 IR72 IR36 Kin. Pat. IR64 YRL-39 N22 IAC 165 Kultivar - změna pořadí 50 25 0-25 Kultivar - změna pořadí Relativní zvýšení (664CO2/373CO2, %) IR30 Salump. IR36 IR74 ITA 186 OS4 Azucena IR28 Kin. Pat. IR72 IRAT 104 YRL-39 MGL-2 IR46 IR64 N22 IAC 165 Relativní zvýšení (664CO2/373CO2, %) Lubomír Nátr 2009
370 ppm CO 2 650 ppm CO 2 Shoot DM Grain yield No weeds C3 weeds C4 weeds
Canopy with C3 and C4 photosynthesis (pathogens, diseases, herbivores, carnivors ) Changes in the species composition quality (C/N aj.) pathogens and diseases herbivores carnivores (birds et al.)
Dýchejme s rostlinami! Je to výhodné pro obě strany! O 2 CO 2 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Fotosyntéza Dýchání Energie záření Chemická energie (ATP) CO 2 O 2 BIO- MASA
Proč rostliny dýchají, když energii získávají ve fotosyntéze? 1. Rostliny rostou (žijí) i v noci 2. Rostlina má pletiva a orgány, které nefotosyntetizují 3. Dýchání je zdrojem molekul pro syntézu mnoha dalších sloučenin
Dýcháním organismy získávají (1)Metabolickou energii ve formě ATP (2)Redukované koenzymy NAD(P)H+H + (3)Metabolity pro buněčné syntézy (4) Tepelnou energii
Složky dýchání: Dýchání (1) Růstová(přeměna sacharidů na složky rostliny, úměrná produkci asimilátů) (2) Udržovací(udržování gradientů, membrán, bílkovin apod., úměrná hmotnosti sušiny, bílkovin) (3) Transportní(vstup, opětovný vstup a výstup z floému) (4) Spojená s aktivním příjmem minerálních živin (zejména NO - 3) (5) Spojená s asimilací minerálních živin(zabudování do organických sloučenin, zejména redukce nitrátů) (6) Zbytečné, luxusní???
Fotosyntéza Sacharidy Dýchání ATP, NAD(P)H, C skelety Růst Příjem minerálních živin N, P, K, Ca, Mg...
Rychlost P G : rate of gross photosynthesis P N : rate of net photosynthesis R L : rate of photorespiration R D : rate of dark (mitochondrial) respiration Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Závislost rychlosti hrubé (P G ) a čisté (P N ) fotosyntézy nebo dýchání (R D ) na teplotě
Význam vody Pro rostliny: (1) Prostředí pro metabolické procesy (2) Příjem minerálních látek z půdy (3) Rozvádí minerální (xylém) i organické (floém) látky (4) (Spolu)reguluje teplotu rostlin (5) Zdroj elektronů a protonů ve fotosyntéze (6) Zdroj atmosférického kyslíku Význam a problematika závlah Lubomír Nátr 2010
Lubomír Nátr 2010
(mm/rok) (10 3 km 3 ) (10 6 km 3 ) Lubomír Nátr 2010
Lubomír Nátr 2010
Voda Zelená Modrá Lubomír Nátr, 2010
Lubomír Nátr 2010
Lubomír Nátr, 2010
Lubomír Nátr, 2010
Svěží (čerstvá) Svěží S hmotnost rostliny Voda 90 % Sušina 10 % Organické látky (glycidy, bílkoviny, tuky) 92 % Popeloviny 8 % Lubomír Nátr 2010
Vodní sytostní deficit (VSD) VSD = ((ΣH 2 O) SAT -(ΣH 2 O) AKTUALNI ) / / (ΣH 2 O) SAT -Hmotnost sušiny) Plná saturace Měřený stav Plná saturace Žádná voda Tolik vody rostlině chybí Lubomír Nátr 2010 Maximální množství vody v rostlině
Závislost výnosu kukuřice na dostupnosti vody Závislost produkce biomasy (g DM m -2 rok -1 neboli t ha -1 rok -1 ) na srážkách (mm) Lubomír Nátr 2010
Množství vody vydané rostlinami během celé vegetace Transpirační koeficient (TK): TK = ΣH 2 O / ΣCH 2 O TK = 200 až 1100 (kgh 2 O / kgch 2 O) Účinnost využití vody (WUE): WUE = 1 / TK = ΣCH 2 O/ ΣH 2 O Způsob stanovení: (1) Okamžité měření (2) Dlouhodobé sledování Lubomír Nátr 2010
Množství vody vydané rostlinami během celé vegetace!tk=500=>wue=0,002 (kg CH 2 O / kg H 2 O) 2 ( g CH 2 O / kg H 2 O) Virtuální voda 600 mm srážek=600 L m -2 60 000 hl ha -1 Produkce obilnin na 1 ha za rok: 12 t DM (5 t obilky+5 t sláma+2 t kořen)=> =>potřeba 6000 t vody(= 600 mm srážek) Lubomír Nátr 2010
Lubomír Nátr 2010 Pokorný J., 2005
Lubomír Nátr 2010 Pokorný J., 2005
http://en.wikipedia.org/wiki/image:dripirrigation.gif#file Lubomír Nátr 2010
Spray irrigation Misting Overspray Wind drift Water runoff Water Collection on garden mulch Easily vandalized Promotion of plant disease Drip irrigation Water savings - Eliminates evaporation - Eliminates wind drift - Eliminates 'over spray' Reduces plant disease Reduced weed growth Reduces vandalism Aesthetically pleasing Safe to use with waste water http://www.netafim.com/irrigation_products/ Lubomír Nátr 2010