Abiotické prostředí živé bytosti (živočichové, rostliny, mikroorganismy)

1. Organismy a biogeochemické cykly hlavních prvků (C,N,P) a látek (voda) v ekosystému (Hana Šantrůčková, KEH, B 361) Biogeochemické (BGCh) cykly: Pohyb chemických prvků mezi organismy a neživými částmi atmosféry, litosféry a hydrosféry Ekosystém - funkční soustava živých a neživých složek životního prostředí, jež jsou navzájem spojeny výměnou látek, tokem energie a předáváním informací a které se vzájemně ovlivňují a vyvíjejí v určitém prostoru a čase. Abiotické prostředíživé bytosti (živočichové, rostliny, mikroorganismy)

2. atmosféra Anorganické prvky& sloučeniny jsou přijímány autotrofy a přeměňovány na komplexní organické molekuly biosféra komplexní organické molekuly jsou přeměňovány v potravních řetězcích a částečně uvolňovány zpět ve formě prvků nebo anorganických sloučenin litosféra hydrosféra Globální koloběhy

3. Ekosystémy Tok látek Tok energie Hranice ekosystému • Organismy na určitém • prostoru • Organismy v interakcích • s prostředím • Tok energie definován • trofickou strukturou, • diverzitou a koloběhem • živin • Otevřený systém • (energie, látky • kontinuálně přenášeny • přes hranice ekosyst.) • Klima, litosféra a vliv • člověka jsou vnějšími • (nezávislými) • proměnnými srážky transpirace Sluneční energie vegetace Sklizeň, pastva živočichové Odtok v řekách Hnojení, lidská práce Odnos do spodních vod Živiny zvětráváním hornin

4. Prvky v přírodě • – definovaný prostor • - definované množství • - zásobník (pool) • - mezi zásobníky dochází k výměně – tok (flux) • v zásobníku zůstávají určitou dobu – doba zdržení (residence time) • výzkum rychlosti toku a velikosti zásobníků – cyklus živin Globální cykly Lokální cykly Části ekosystémů Ekosystémy (povodí)

5. Globální ekosystém Příklad problematiky Jak ztráty C z intenzivně Obhospodařovaných půd ovlivňují globální klima? Jak odlesňování ovlivní kvalitu vody v okolních městech? Jak ovlivní kyselé srážky produktivitu lesa? Jak biota ovlivní zvětrávání hornin? Ekosystémy - různé úrovně studia povodí Lesní ekosystém Ekosystém uvnitř hornin

6. souvislosti Vědy o Zemi Klimatologie Hydrologie Ekologie ekosystémů Vědy o půdě Ekologie společenstev geochemie Ekologie populací Fyziologická (funkční) ekologie mechanismy

7. Biogeochemické cykly Krátkodobé x dlouhodobé • Rotace Země kolem osy – střídání dne a noci • Rotace Země kolem Slunce a vychýlení • zemské osy – sezónnost • Odchylky v oběžné dráze Země kolem Slunce • – změny v radiaci – doby ledové • Interakce CO2 a litosféry

8. Co je dobré si zapamatovat 1. Tok energie a koloběhy látek v ekosystému jsou vzájemně propojené 2. Prostředí ovlivňuje organismy a naopak organismy ovlivňují prostředí, ve kterém žijí (zpětnovazebný efekt)

9. Hydrologický cyklus

10. Zásoba vody na Zemi • oceány : 1348 x 106 km3(97.39%) • led : 227.8 x 106 km3(2.01%) • souše: 8.062 x 106 km3(0.58%) • Řeky/jezera: 0.225 x 106 km3(0.02%) • Atmosféra: 0.013 x 106 km3(0.001%) • Více než 77% sladké vody je v polárních ledovcích, plovoucích krách a ledovcích Baumgartner & Reichel 1975

11. Pohyb vody v suchozemském ekosystému

12. Tok energie Skleníkový efekt atmosféry bez atmosféry vodní páry, Plyny (CO2, CH4, NOx) s atmosférou

13. Relativní podíl plynů na skleníkovém efektu

14. Tok energie Reflected = odražené Scattered = rozptýlené Absorbed = pohlcené 1. Vstupující sluneční záření Albedo = odražené záření/dopadající záření

15. 2. Bilance energie mezi atmosférou a povrchem Země Infrared – dlouhovlnné záření (tepelné) Solar – krátkovlnné (UV)

16. Propojení toku energie a hydrologického cyklu

17. Evapotranspirace (ET) • Evapotranspirace = Evaporace + Transpirace • E = přímý výpar z povrchů • Transpirace = ztráta listovými průduchy

18. H2O Stomata (průduchy) Pohyb vody rostlinou Hnací silou: gradient vodního potenciálu Atmosféra - nízký parciální tlak vodních par transpirace nízký vodní potenciál X Listy - vyšší parciální tlak vodních par než atmosféra Vlhká půda ?? Jak si rostlina reguluje výpar z listů??? Vysoký vodní potenciál

19. Hydrologický cyklus je základem fungování všech BGCh cyklů Sluneční energie via evapotranspiraci (viz bilance energie a rozdělení energie v ekosystému) Hydrologický cyklus via biologické procesy (rozpouštní živin, transport v ekosystému) Biogeochemické cykly Evapotranspirace = odpar s povrchu + transpirace rostlin

20. Pozor na čísla !!! Globální cyklus C GPP = hrubá primární produkce RP,D = respirace rostlin (P) a půdy (D – dekompozice) Toky v 1015 g za rok, zásobníky v 1015g V anglickém textu, desetinná čárka vždy odděluje tisíce

21. Hrubá = gross Čistá = net ekosystém produkce kořenů (% NPP)lesy mírného pásu 13-46 louka mírného pásu 50-75 step 50 polopoušť 12 zemědělské půdy: kukuřice, soja 25 ___________________________________ produkce rhizodeponií: 1-30% HPP Půdní organická hmota: celosvět. zásoba = 1,5 x 1018 g C 2-3 x více než v nadzemní biomase rostlin závisí na : NEP (NPP) abiotických faktorech (hlavně vlhkost a teplota) 100 % Hrubá primární produkce (GPP ) - respirace autotrofů (temnostní resp., kořeny) Nadzemní produkce: nadzemní části rostlin, mechy, řasy, lišejníky, 50 % čistá primární produkce (NPP) Podzemní produkce: kořeny rostlin a rhizodeponie - respirace heterotrofních organismů čistá produkce ekosystému (NEP) živá a mrtvá biomasa rostlin, živočichů a půdní org. hmota vytvořená za časovou jednotku 5 %

22. celková zásoba C v suchozemských ekosystémech Fotosyntéza autotrofní respirace BIOMASA 620 Gt C CO2 ATMOSFÉRA 720 Gt C CO2 půdní respirace 60-75 Gt C/rok opad Půda (SOM) 1580 Gt C Nerozložené zbytky Mikrobní metabolity Mikrobní biomasa SOM=půdní organická hmota Upraveno podle Gleixner 2001

23. Cyklus C - suchozemský ekosyst. R = respirace F = tok

24. Sluneční energie H2O(transpirace) O2 (fotosyntéza) CH2O Stomata CO2 • Vstup uhlíku do cyklu C • procesy fotosyntézy, místo propojení toku energie, hydrologického a C cyklu Rubisco, karboxylační enzymy (C3, C4 a CAM rostliny) Regulace transpirace a vstupu CO2 – otevírání/zavírání průduchů (stomatal conductance) Trade off mezi ztrátou vody a spotřebou CO2

25. Globální cyklus dusíku Z hlediska lidské činnosti: NH3, N2O, NOx Toky v 1015 g za rok, zásobníky v 1015g

26. Nitrifikace Mrtvá org. hmota DON NH4+ NO3- Mikrobní biomasa Půdní živočichové Zjednodušený terestrický cyklus N Půda je nejdůležitějším místem přeměn

27. Globální cyklus fosforu

28. Cyklus P - srovnání s cyklem N E = eroze a odnos

29. Cyklus C a živin ve vodě Platí stejné principy jako v suchozemských ekosystémech X zcela jiné řídící ekologické faktory, dynamika (rozdílem mezi fyzikálními vlastnostmi vody a vzduchu) Cílem: ukázat podobnost a rozdílnost se suchozemskými systémy Strukturní a funkční diverzita vodních ekosystémů – srovnatelná se suchozemskými Rozdělení vodních ekosystémů: Oceány (pelagické systémy) , řeky, jezera a nádrže, mokřady (litorální systémy)

30. Základní vlastnosti vody a vzduchu, které ovlivňují ekosystémové procesy primární producenti ve vodě – fytoplankton, v eufotické vrstvě (dostatečně prosvětlená vrstva; oceány - do 200m, sladké vody několik cm až několik metrů)

31. vodní ekosystémy – jiný vztah velikosti těla a potravy velikost těla a generační doba organismů v oceánech a na souši. piko- a nano- plakton vodní organismy – často filtrátoři, cca 100x větší než potrava herbivoři v pelagickém systému – účinnější přeměna živin než u suchozemských herbivorů (menší podíl strukturních látek ve fytoplanktonu).

32. trofické pyramidy v suchozemském a vodním ekosystému ve vodním ekosystému má většina biomasy krátkou dobou obratu a je rychle konzumována

33. velikost vodních organismů – determinuje jejich potravní strategii Reynoldsovo číslo = (délka *rychlost)/kinematická viskozita plavání a filtrace energeticky příliš náročné – příjem potravy difůzí inertia = setrvačnost

34. Fytoplankton nepotřebuje k zajištění potřebné fotosyntetické kapacity tak velkou biomasu jako rostliny na souši: