wykład 11 Energia i materia w ekosystemie - biol.uw.edu.pl · stężenie chlorofilu w oceanach...
Transcript of wykład 11 Energia i materia w ekosystemie - biol.uw.edu.pl · stężenie chlorofilu w oceanach...
wykład 11/3
Druga zasada termodynamikiW układzie termodynamicznie izolowanym istnieje funkcja stanu, która nie maleje z czasem. Funkcja ta zwana jest entropią
Zasada dotyczy układów w stanie równowagi.
Inne definicje:
Clausiusa
Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byłoby pobranie ciepła ze zbiornika o temperaturze niższej i przekazanie go do zbiornika o temperaturze wyższej.
Kelvina
Nie jest możliwy proces, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie pewnej ilości ciepła ze zbiornika i zamiana go w równoważną ilość pracy.
wykład 11/4
Druga zasada termodynamikiSkutek:
● układ dąży do stanu maksymalizacji entropii● nie można ciepła zamieniać na pracę bez ograniczeń
Potrzeba ciągłego dopływu energii z zewnątrz
wykład 11/5
Piramida i sieć troficznapiramida troficzna
(Eltonowska)
Jak przepływa energia / materia w sieci troficznej?
sieć troficzna
Jakie są zależności ekologiczne (kto kogo zjada)?
poziomy troficzne
wykład 11/6
Przepływ energii, krążenie materii
producenci roślinożercy mięsożercy
detrytusożercymikroorganizmy
materia nieorganiczna
respiracja, ciepło
respiracja, ciepło
respiracja, ciepło
energia
materia
wykład 11/7
Rodzaje piramidPiramida biomasy
ilość biomasy (materii w organizmie żywym) przechodząca między poziomami troficznymi
● Takie ujęcie może sprawiać, że poziom troficzny wydaje się zawierać więcej energii niż faktycznie
np. biomasa w kościach ptaków nie przechodzi do następnego poziomu troficznego
● Piramida odwrócona: krótki czas życia autotrofów
fitoplankton
ryby drap.
trawy
ryby, owadygryzonie
wydra
łasica
lis
wykład 11/8
Rodzaje piramidPiramida produktywności
Pokazuje, ile energii przechodzi między poziomami troficznymi
trawy
antylopy
lwy
Zalety● Uwzględnia tempo produkcji w jednostce czasu - można porównać gatunki o różnej
biomasie● Pozwala na porównania między ekosystemami
Wady● Trzeba znać tempo produkcji biomasy● Czasami trudno przypisać organizm do określonego poziomu troficznego
Piramida energii nie może być odwrócona
SC (standing crop) stan biomasy= biomasa (i zawarta w niej energia) pozostająca w danym momencie w danym poziomie troficznym.
Stan biomasy nic nie mówi o tempie produkcji, gdyż biomasa może się wymieniać lub trwać niezmieniona.
Stan biomasy
wykład 11/10
Krążenie materii
producenci roślinożercy mięsożercy
detrytusożercymikroorganizmy
materia nieorganiczna
materia
Produkcja pierwotna - tempo produkcji biomasy przez rośliny wyrażona:● w jednostkach energii: dżule / m2 / dzień)● w ilości węgla lub suchej masy organicznej (kg / ha/ rok)
GPP - produkcja pierwotna bruttocałkowita energia związana przez rośliny w procesie fotosyntezy
NPP - produkcja pierwotna nettoenergia w tkankach roślin dostępna dla heterotrofów
Produkcja pierwotna
RA respiracja autotrofów
GPP
NPP
produkcja wtórna
wykład 11/11
NEP - produktywność ekosystemu netto
Węgiel związany przez rośliny może wrócić do środowiska poprzez:● oddychanie autotrofów (RA)● oddychanie heterotrofów (RH) – po zjedzeniu roślin
RA + RH= RE (respiracja ekosystemu)
Produkcja pierwotna
GPP > RE GPP < RE
● ekosystem „magazynuje” węgiel
● działa jako „ujście”dla węgla
● ekosystem uwalnia węgiel
● działa jako źródło węgla
wykład 11/12
Produkcja
Całkowitą produkcję pierwotną Ziemi szacuje się na 105 petagramów węgla (1015g) rocznie.
● 56.4 Pg produkują ekosystemy lądowe
● 48.3 Pg ekosystemy wodne
stężenie chlorofilu w oceanach vegetation index (spektrum absorpcji)
wykład 11/13
otwarte wody oceanu
strefy przybrzeżne
strefy prądów głębinowych
estuaria i rafy
pustynie i tundry
pastwiska, trawy
prymitywne rolnictwo
rozwinięte rolnictwo
suche lasy
wilgotne lasy strefy umiark.
tajga
puszcza tropikalna
0 5 10 15 20 25 30 35
% PPB Ziemi
Produkcja pierwotna
wykład 11/14
otwarte wody oceanu
strefy przybrzeżne
strefy prądów głębinowych
estuaria i rafy
pustynie i tundry
pastwiska, trawy
prymitywne rolnictwo
rozwinięte rolnictwo
suche lasy
wilgotne lasy strefy umiark.
tajga
puszcza tropikalna
0 5000 10000 15000 20000 25000
kcal/m2/rok
wykład 11/15
Produkcja pierwotna: wzorce● Produkcja pierwotna maleje od równika ku biegunom
● Istotne różnice między biomami w produkcji biomasy nad i pod ziemią
1 2 3 40
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
g C
/ m
/ ro
k
1 las deszczowy2 las liściasty strefy umiarkowanej3 las iglasty strefy umiarkowanej4 tajga
1 zimny step2 step strefy umiarkowanej3 zarośla strefy wilgotnej4 sawanna5 wilgotna sawanna1 2 3 4 5
1000-
1000-
2000-
g/m
2 /ro
k
wykład 11/16
Produkcja pierwotna: wzorceProdukcja pierwotna zmienia się w cyklu rocznym i wieloletnim
wykład 11/17
Czynniki ograniczające PP
Ekosystemy wodne
● światłona 20 m dociera max. 10% promieniowania
● nutrienty (azot i fosfor)azot z zanieczyszczeń zakwity→
W obszarach równikowych produktywność oceanów jest niższa niż na biegunach
wykład 11/18
Czynniki ograniczające PP
Sekwencja wpływu kluczowych substancji pokarmowych w Morzu Sargassowym
wykład 10/19
Ekosystemy jeziornestrefy biotyczne litoral
pelagial(strefa limnetyczna)
bentos
nekton
plankton
hipolimnon
epilimnon
termoklina
4ºC
4ºC
lato zima
Stratyfikacja termiczna● powyżej termokliny woda się nagrzewa i jest dobrze natleniona● poniżej termokliny woda jest słabo natleniona i zimna
wykład 10/20
Ekosystemy jeziorneRola fosforu● fosfor w wodzie jest deficytowy, jego rozpuszczalność zależy od warunków
tlenowych (lepiej rozpuszczalny bez tlenu)● może być czasowo związany w osadach dennych● uwalnianie z osadów zależy od pory roku
jezioro eutroficzne
jezioro oligotroficzne
wykład 10/21
Czynniki ograniczające PP
Ekosystemy lądoweNa lądzie temperatura i nasłonecznienie to (prawie) niezależne zmienne
● rzeczywista ewapotranspiracja miara promieniowania słonecznego + opady + temp= ilość wody trafiająca do atmosfery z roślin i z parowania z pow. ziemi
● długość sezonu wegetacyjnego● opady● temperatura
wykład 10/22
Czynniki ograniczające PP
Ekosystemy lądoweNa lądzie temperatura i nasłonecznienie to (prawie) niezależne zmienne
● rzeczywista ewapotranspiracja miara promieniowania słonecznego + opady + temp= ilość wody trafiająca do atmosfery z roślin i z parowania z pow. ziemi
● długość sezonu wegetacyjnego● opady● temperatura
wykład 11/23
Zmienność PPEkosystemy nie zawsze są w stanie równowagi i to może być ich „naturalny stan”
Wielkość produkcji pierwotnej zmienia się w czasie i w przestrzeni● ekosystemy mogą mieć strukturę mozaikową (np. las / łąka)● dostępność biogenów i słońca zmienia się okresowo● w wodzie są wiry, prądy i pływy
Paradoks planktonu (Hutchinson)
Jak w wodzie może być tak wiele gatunków, skoro (wydaje się ona) homogennym środowiskiem?
wykład 11/24
Produkcja wtórnaProblemy z oceną:● nie wszystkie organizmy należą do jednego
poziomu troficznego
● problem z detrytusem: pochodzący od roślin jest różny od tego pochodzącego z wyższych poziomów
● w szybko zmieniających się ekosystemach (np. wodnych) ocena produkcji wtórnej jest bardzo trudna
wykład 11/25
Produkcja wtórnaPtaki i ssaki na utrzymanie organizmu (oddychanie, ciepło) zużywają 97-99% przyswajanej energii
owado-żerne
ptaki drobne ssaki
ryby owady spo-łeczne
inne bez-kręgowce
owady niespo-łeczne
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
wyd
an
ość
pid
ukc
ji w
tórn
ej (
%)
wykład 11/26
Produkcja wtórna
Energia przyswojona jest zużywana na:● procesy życiowe (oddychanie, utrzymanie temp. ciała itp.)● wzrost ciała● rozmnażanie
energia z niższego poziomu troficznego
odchody
E. przyswojona:utrzymaniewzrostrozmnażanie
ciepło, oddychanie
produkcja dostępna dalej w szeregu troficznym
Przepływ energii
I=przyswojonaA=asymilacja NU=niewykorzystaneR=respiracjaP=produkcjaB=biomasa
Na poziomie osobnika Na poziomie ekosystemu
wykład 11/27
Przepływ energii
efektywność konsumpcji (CE)CE = I
n /P
n−1 × 100.
Ile % ogólnej produkcji dostępnej na danym poziomie troficznym (Pn-1
) jest przyswajanej na kolejnym poziomie troficznym (I
n). Reszta jest wydalana.
wykład 11/28
Przepływ energii
efektywność asymilacji (AE)
AE = An /I
n × 100
Ile % energii przyswojonej a poziomie troficznym In wykorzystywanych
jest na wzrost/funkcjonowanie. Reszta jest wydalana.
wykład 11/29
Roślinożercy 30-70 %Mięsożercy do 96 %
Przepływ energii
efektywność produkcji (PE)
PE = Pn /A
n × 100
Ile % przyswojonej energii (An) jest przerabianych na nową biomasę (P
n). Reszta
jest wydalana.
wykład 11/30
Ssaki, ptaki 0.5-3 % Ryby 28-32 % (hodowla) Bezkręgowce 10-30%
Przepływ energii
Efektywność transferu energii między poziomami troficznymi:
CE × AE × PE
W różnych ekosystemach wynosi od 2 do 24% (średnio 10%)
wykład 11/31
Dekompozycjadestruenci - organizmy odżywiające się szczątkami innych, rozkładają związki złożone na proste
saprofity – destruenci zaliczani do roślin i grzybów
detrytusożercy, saprofagi - organizmy odżywiające się martwą materią organiczną z gleby / osadu
wykład 11/32
Dekompozycja w wodachPrzeprowadzana głównie przez bakterie planktonowe
Glony mają inny skład niż rośliny!● zamiast celulozy: alginiany, hemiceluloza itp.● lipidy (np. u okrzemek) do 1.5mg w litrze wody morskiej→
sapropel – luźna zawiesina szczątków organicznych i mineralnych przy dnie● powstaje w warunkach beztlenowych● w morzach i głębokich jeziorach
wykład 11/33
Dekompozycja na lądzie
Rozkład z aktywnym udziałem mikroorganizmów
→ kwasy humusowe
→ związki mineralne, węgiel
Słabo rozkładają się woski roślinne i żywice
wykład 11/34
W ekosystemach lądowych 2x więcej materii organicznej jest związanej w detrytusie niż w żywej biomasie
Tempo dekompozycji
wykład 11/35
aktywn
tundra tajga las iglasty str. um.
las liścia-sty str. um.
las desz-czowy
0
2
4
6
8
10
12
14
gC
/m2
/ro
k
Akumulacja materii organicznej
Tempo dekompozycji
wykład 11/36
tundra tajga las iglasty str. um.
las liściasty str. um.
las deszczowy0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100353
17
4 3,81
230
18
64
2
324
15
64
1,6
94
2,2 1,3 1,4 1
materia org.
azot
fosfor
potas
lata
Czas zatrzymania materii i pierwiastków
Przepływ energii przez różne ekosystemy
wykład 11/37
NPP
roślinożercyroślinożercy
roślino-żercy
NPP
destruenci
martwamateria
roślinożercy
NPP martwamateria
respiracja
respiracja
respiracja
respiracja
destruenci
martwamateria
destruenci
NPP
RŻ
roślino-żercy
NPP martwamateria
destruenci
z ekosystemów lądowych
planktonrespiracja
respiracja
respiracja
respiracja
staw
łąkalas
Przepływ energii przez różne ekosystemy
wykład 11/38
lasy i zarośla
namorzyny
trawy (sawanny)
bagna
łąki podwodne
rzeki
makroglony
ekos.bentosowe
fitoplankton
NPP (gC/m2/dzień)
%
Produkcja pierwotna % NPP konsumowany przez roślinożerców