Elemek biogeokémiai ciklusai kompartmentek + áramlási sebességek = tápanyagciklusok

1. Elemek biogeokémiai ciklusai • kompartmentek + áramlási sebességek = tápanyagciklusok • Általános jellemzők: • Sebességük nem egyenletes - tartózkodási idő • Szoros kapcsolat van az anyag és az energiaáramlás között • Az emberi tevékenység nagyban befolyásolja a működésüket • Bioelemek – a ciklus élő szervezeteken keresztül záródik • kompartmentek vagy raktárak • fluxusok a kompartmentek között • transzport mechanizmusok • meteorológiai (légköri gázok, száraz és nedves ülepedés) • geológiai (felületi és felület alatti (drén) áramlások) • biológiai (az élőlények ökoszisztémák közötti mozgása) • a transzportmechanizmusok természetéből következően léptékük lehet helyi és globális

2. Ökoszisztéma tápanyag-mérlegek • Kapcsolat (input, output) a globális folyamatok felé – nem zárt rendszer • egyensúlyi állapot (steady state, klimax társulás..) • „forrás” • „nyelő”

3. A vízforgalom • Hajtóereje a Napból érkező energiaáram – ez befolyásolja a globális csapadékeloszlást • Fő limitáló tényező nem a csapadék, hanem a talajban rendelkezésre álló víz mennyisége – ez az összes vízmennyiség 0.01 %-a – gyors a kicserélődési ideje • Erózió – nem megfelelő tájhasználat

4. A globális vízciklus. A feltüntetett mennyiségek km3/év-ben értendők. A keretezett mennyiségek a nagy víz-rezervoárok, nyilakkal a fluxusok irányát és mellettük nagyságukat jelöltük.

5. Vízforgalom ökoszisztéma szinten

6. Oxigénciklus Jelenlegi légkör kialakulása Urey szint Pasteur szint Szárazföldi szint Ózon Képződés és bomlás O2 + hν → O +O O + O2 → O3 O3 + hν → O + O2 O + O3 → 2 O2 Dinamikus egyensúly, befolyásolják: CFC-k, nitrogén-oxidok

7. A globális szénforgalom sematizált ábrája. A fő széntárolók mellett (keretezett) feltüntettük a becsült szén-mennyiséget is, valamint a szén fluxusok irányát és azok becsült mennyiségét. A számok pedagramm/év-ben értendők. (1pedagramm= 1015 g)

8. A föld alatti, föld feletti biomassza és a talaj széntartalma

9. C-forgalom ökoszisztéma szinten

10. CO2 fluxusok gyepfelszín felett Szurdokpüspöki Bugac

11. Az atmoszférikus CO2-koncentráció a ’70-es évektől napjainkig (Mauna Loa, Hawaii) A metán koncentrációjának emelkedése 1850-től napjainkig

12. CO2 szint növekedési előrejelzés (IPCC 2007)

13. Nitrogénforgalom • A nitrogén körforgalmát (légkör-bioszféra) az antropogén tevékenység (műtrágya, energiafelhasználás) jelentősen befolyásolta, a jövőben ez a hatás nőni fog • Az ülepedő nitrogénvegyületek (főleg káros) hatással vannak a bioszférára • A bioszférából felszabaduló nitrogénvegyületek hatással vannak a légkörre • A nitrogénvegyületek egy része nedves ülepedéssel kerül a felszínekhez • Másik része turbulens áramokkal jut a felszínre (száraz ülepedés) • Kétirányú fluxus esetén (ülepedés-kibocsátás) a „nettó fluxusról” van szó • A növényzet ammónia kibocsátása (nagy N-bevétel) elsősorban a gázcserenyílásokon történik, kis nitrogénbevételnél az ammónia ülepedése dominál • A talaj jelentős mértékű NO vagy N2O forrás, a körülmények függvényében • Nagyobb víztartalom esetén (60-80 WFPS) a talaj az ülepedett nitrogén- vegyületeknek akár 1/3-át is üvegházgáz formájában juttathatja vissza

14. A nitrogén globális körforgása. Az egységek teragramm/év-ben értendők (1Tg= 1012 g).

16. Légkör – felszín közti kicserélődésben szerepet játszó nitrogénvegyületek(szerepük és légköri tartózkodási idejük igen változó) GÁZFÁZISBAN NH3 (ammónia)  N2O (dinitrogén-oxid)  NO (nitrogén-monoxid)  ------------------------------------------------------ NO2 (nitrogén-dioxid)  HONO (salétromossav)  HNO3 (salétromsav)  PAN (peroxi-acetil-nitrát)  AEROSZOL RÉSZECSKÉKBEN, CSAPADÉKBAN NH4+ (ammónium)  NO3- (nitrát) 

17. A nitrogénvegyületek hatásalégkörbioszféra LÉGKÖR HATÁSA A BIOSZFÉRÁA • Savasodás („savas esők”, 50% S, 50% N), kritikus terhelés • Eutrofizáció (tavak, erdők) • Tápanyag-utánpótlás (erdők) • Közvetlen hatások, kritikus szint (pl. zuzmó  NH3) BIOSZFÉRA HATÁSA A LÉGKÖRRE • Üvegház hatás növekedése (N2O) • Aeroszol részecskék (légköri optika) (NH3) • Légköri oxidánsok koncentrációja (NO ózon „prekurzor”)

19. A különböző nitrogénformák keletkezése (produkciója) a talaj víztelítettségének függvényében • Kis víztartalomnál jó az oxigén ellátás  nitrifikáció (oxidáció), NO • Közepes-nagy víztartalomnál denitrifikáció, redukció, N2O elillanhat • Telítettség közelében az N2O a talajban marad (viszonylag jól oldódik vízben) és a redukció az N2-ig végbemegy

20. biotikus: Azotobacter, Rhizobium sp, cianobaktériumok abiotikus: villámlás • Biológiai N-kötés 70%-a szimbiotikus kapcsolatokból, 30 %-a nem • szimbiotikus fixáció • N2 fixáció → energia a cukrok és egyéb organikus vegyületek oxidációjából • a szabadon élő bakt.→ a szerves hulladék oxidációjából • Rhizobium → szimbiózis, cukor • Nitrifikáció 1 NH3→NO2 (Nitrosomonas) 2NO2→NO3 (Nitrobacter) • (oxidáció, e-akceptor: oxigén) • Denitrifikáció: Anoxiás környezetben a NO2 és NO3 e-akceptorként (oxidáló) lép fel. NO3→ NO2→ NO →N2a

21. N2O talajok dinitrogén-oxid kibocsátása • N=N=O • Üvegház hatása kb. 300-szorosa a CO2-nek • Az összes antropogén üvegház-hatásnak 5-6 %-át teszi ki • Sztratoszférikus ózon • Nagyrészt talajeredetű

22. Az erdőtalajok a légkörből származó N-vegyületek akár 1/3-át is visszabocsáthatják

23. A foszfor globális körforgása. Az egységek teragramm/év-ben értendők

24. -Kőzetek mállása, a P talajoldatba kerül, felvehetőség: Ca5(PO4)3 +4H2CO3→ 6Ca2++3HPO42-+4HCO3-+H2O - szerves vegyületekből: C-O-P észterkötés enzimatikus bontása, foszfatázok (→PO43-) savas pH: H2PO4- (mobilis, felvehetőség jobb) lúgos pH: HPO42- (kevésbé felvehető) Nagy reakcióképesség (H2PO4- )→ általában kötött formákban (Fe, Al,..)

25. A kén globális körforgalma. Az egységek teragramm/év-ben értendők savas esők SO2 (antropogén + vulkáni)→H2SO4 H2S, tengeri ökoszisztémákban energiaforrás DMS→kondenzáci-ós mag, albedo↑→hűtő hatás

26. Redukció anaerob környezetben (e-akceptor az oxigén helyett a szulfát-csoport) 2CH2O + 2H+ + SO42- --> H2S + 2CO2 + 2H2O Kén alapú anaerob fotoszintézis (a víz helyett a H2S a hidrogén (elektron) donor a CO2 redukciójához, bíbor kén-baktériumok) 2H2S + CO2 --> CH2O + 2S + 2H2O Kemoautotrófia (Thiobacillus, mélytengeri S (H2S)-források környezetében) 4H2S + CO2 + O2 --> CH2O + 4S + 3H2O

27. Egyéb tápanyagok A növények számára esszenciális kationok: K, Ca, Mg, Mn, Fe • elsősorban a kőzetek mállásából kerülnek be az életközösségbe. • mozgásuk főként az ökoszisztémák internális ciklusához kötött, a talajból felvett és az elhalt szervesanyaggal visszajutott mennyisége sokkal jelentősebb, mint az ökoszisztémába egyéb folyamat révén bejutó, illetve kimenő mennyiség. • kisebb mennyiségre van szükség, de jelentőségük nem elhanyagolható. Szerepük: • elsősorban enzimek aktiválásában, • káliumnak a vízmozgásban, transzspirációban, • magnéziumnak a klorofill alkotóelemeként, • kalciumnak pedig a sejtfal szerkezetének és a sejthártya áteresztőképességének szabályozásában van. • káliumtartalom limitáló tényező lehet, mivel könnyen kimosódik a talajbeli vízmozgás révén. A kimosódás a legjelentősebb veszteségi útvonal a tápanyagok számára, különösen a nagy évi csapadékösszeggel bíró, illetve a savas esőkkel terhelt élőhelyeken jelentős. Nincs gázállapotú előfordulásuk, de a szél okozta erózió révén – főként a sivatagokból és a művelt területekről származó – az atmoszférában szálló porral jelentős mennyiségük jut az óceánba, illetve egyéb ökoszisztémákba.

28. Klímaváltozás

29. IPCC 2007

30. IPCC 2007

31. Az előadás letölthető nofi.szie.hu oktatás letöltések mgBSc