Ekosystém: soubor všech organismů a abiotických zásobníků...

Ekosystém: soubor všech organismů a abiotických zásobníků a procesů, které jsou ve vzájemných interakcích.

Hrubá primární produkce (GPP)

Respirace rostlin (autotrofní respirace - AR)

Respirace půdy (heterotrofní respirace - HR)

GPP - AR = čistá primární produkce (NPP)

GPP - AR - HR= čistá produkce ekosystému (NEP)

Dekompozice → půdní respirace

Suchozemské (terestrické) ekosystémy – C cyklus

1. Vstup uhlíku do ekosystému - GPP

Suchozemské ekosystémy 1. Vstup uhlíku – procesy fotosyntézy

Sluneční energie

Čistá fotosyntéza – čistý zisk C měřený na úrovni listu (účinnost využití světla ∼ 6% u C3 a ∼ 8% u C4 rostlin) Účinnost využití světla – kvantové množství světla využité k fixaci jednotkového množství C

CO2 CH2O

Stomata H2O (transpirace)

O2 (fotosyntéza)

Regulace transpirace a vstupu CO2 – otevírání/zavírání průduchů (stomatal conductance) Trade off mezi ztrátou vody a spotřebou CO2

Rubisco, karboxylační enzymy (C3, C4 a CAM rostliny)

Otázka: efektivnost využití vody ve fotosyntéze (Water Use Efficiency)

Předvádějící

Poznámky prezentace

Průměrný energetický obsah organických C látek – okolo 20 kJ g-1 bezpopelovinové sušiny Průměrný obsah C – 45 až 50% 25% N v listu v RUBISCO a dalších 25% v karboxylázách C3 rostliny – CO2 přímo na Rubisco C4 rostliny – nejdříve je PEP karboxylován PEPkarboxylázou a tvoří 4C kyseliny v mezofylu. Kyseliny jsou transportovány do specializovaných buněk (bundle sheath cells), kde jsou dekarboxylovány a uvolněný CO2 je využíván jako u C3 rostlin

Vliv abiotických faktorů na fotosyntézu (a tím i na GPP)

Intenzita světla: • změna aktivity chloroplastů a stomatální konduktance • vysoká osvětlenost – otevření průduchů, nízká uzavření ⇒ udržování konstantní úrovně CO2 uvnitř listu • využitelnost světla podobná u všech rostlin – mezi 6 a 8 %, pokud není limitace vodou, živinami nebo polutanty

Z hlediska dnů a let a na úrovni porostu - aklimace rostlin (vlastnosti listů) - adaptace (vlastnosti listů, světlomilné x stínomilné rostliny) - úhel listů

Osvětlené listy - více chlorofylu, silnější

zastíněné listy - méně chlorofylu, tenčí

Výsledek: fixace C různými ekosystémy (GPP) je jen málo ovlivněna dostupností světla

V porostu – může být jen určitá maximální plocha listů na jednotku plochy (LAI) a ta je dána intenzitou ozáření

LAI (leaf area index) – klíčový parametr ovlivňující procesy v ekosystému, protože významně ovlivňuje schopnost porostu fixovat C Ale také přenos energie, hydrologický cyklus i cykly ostatních živin

Vliv teploty

teplotní odpověď fotosyntézy je mezi ekosystémy podobná

Vliv dusíku na fotosyntézu

Většina N v listu v karboxylačních enzymech, ∼25% Rubisco ∼ 25% ostatní karboxylační e.

Předvádějící


Fotosyntetický potenciál je v přímém vztahu s obsahem Rubisco a dostupnost N tedy determinuje fotosyntézu terestrických rostlin (Mg a Mn, které jsou důležitou součástí fotosyntetických enzymů jsou limitujícími pouze výjimečně.

Měření GPP(NPP) pomocí satelitů

Princip: účinnost využití světla ve fotosyntéze je mezi ekosystémy podobná Z dlouhodobého hlediska rostliny odpovídají na stres: (1) redukcí koncentrace fotosyntetických pigmentů a enzymů, takže fotosyntéza se přizpůsobí stomatální konduktanci (2) Redukcí listové plochy Významná redukce množství absorbovaného světla ale malá redukce účinnosti využití světla

Využití pro dálkový průzkum (remote sensing)

GPP= Σ fotosyntézy všech listů v ekosystému integrovaná na plochu (m2) a čas (rok)

Reflectance = odraz Bare soil = půda bez vegetace

Chlorofyl absorbuje viditelné světlo hlavně v modré a červené oblasti

Listy odrážejí IR světlo hlavně mezi 800 a 1200 nm díky své buněčné struktuře

Podíl slunečního spektra odraženého od půdy a od povrchu listů a spektra měřená satelitem LANDSAT (TM 1-7)

Půda TM3∼TM4 Vegetace TM4/TM3 >>1

Předvádějící


Pigmenty, které jsou koncentrované na povrchu porostu absorbuji efektivně viditelné světlo, zatímco optické vlastnosti, které jsou určeny buněčnou strukturou listů odráží IR světlo v oblasti 800 až 1200 nm

TM4/

TM3

LAI

Na stejném principu odvozen index zelenosti - NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) NDVI = (NIR-VIS)/ (NIR+VIS)

NIR (near infrared range), IR oblast 800-1200 nm VIS (visible light) oblast viditelného světla

http://earthobservatory.nasa.gov/Library/MeasuringVegetation/measuring_vegetation_1.html

Předvádějící


Satellite maps of vegetation show the density of plant growth over the entire globe. The most common measurement is called the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Very low values of NDVI (0.1 and below) correspond to barren areas of rock, sand, or snow. Moderate values represent shrub and grassland (0.2 to 0.3), while high values indicate temperate and tropical rainforests (0.6 to 0.8). Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)To determine the density of green on a patch of land, researchers must observe the distinct colors (wavelengths) of visible and near-infrared sunlight reflected by the plants. As can be seen through a prism, many different wavelengths make up the spectrum of sunlight. When sunlight strikes objects, certain wavelengths of this spectrum are absorbed and other wavelengths are reflected. The pigment in plant leaves, chlorophyll, strongly absorbs visible light (from 0.4 to 0.7 µm) for use in photosynthesis. The cell structure of the leaves, on the other hand, strongly reflects near-infrared light (from 0.7 to 1.1 µm). The more leaves a plant has, the more these wavelengths of light are affected, respectively.

http://earthobservatory.nasa.gov

1993 2000

NDVI = indikátor sucha – příklad Severní Ameriky

Ekosystém: soubor všech organismů a abiotických zásobníků a procesů, které jsou ve vzájemných interakcích.







Suchozemské (terestrické) ekosystémy

2. Čistá primární produkce (NPP)

NPP = GPP – respirace rostlin (g m-2 rok-1)

Čistá primární produkce (NPP)

Přímá závislost mezi GPP a NPP mezi LAI a NPP

Respirace rostlin – tvoří relativně konstantní podíl GPP (úroveň ekosystému)

Nadzemní produkce: nadzemní části rostlin, mechy, řasy, lišejníky,

Podzemní produkce: kořeny rostlin a rhizodeponie

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% GPP

Čistá primární produkce (NPP)

Rhizodeponie= odumřelé kořenové vlásky, organické kyseliny, aminokyseliny, sacharidy,slizové látky

kontrola NPP podmínkami prostředí

Podnebí – teplota, dostupnost vody a živin

Platí pouze při vyloučení suchých ekosystémů

Primární louky, pouště – hlavně limitace vodou Tundra, boreální les – hlavně limitace dostupností živin, dusíkem

Předvádějící


Voda v půdě – vliv přímý, vliv na dostupnost živin a na druhové složení porostu. V tundře a boreálním lese teplota zvyšuje dekompozici a s tím i dostupnost živin. NPP reaguje ne přímo na zvýšení teploty, ale hlavně na zvýšení dostupnosti živin

Rozdělení čisté primární produkce na Zemi







Suchozemské (terestrické) ekosystémy

2. Čistá produkce ekosystému (NEP)

tok C v suchozemském ekosystému

Příjem C Ztráty C Toky C čas

Fotosyntéza (hrubá primární produkce, GPP)

Biomasa (čistá primární produkce,NPP)

Opad a půdní organická hmota (čistá produkce ekosystému,NEP)

Humus a „černý“ C

den

rok

10 let

>100 let

Respirace rostlin

Respirace půdy

epizodické disturbance (oheň, vykácení, zemědělské obhospodařování)

100%

50%

< 5%

< 1%

Upraveno podle Schulze & Heimann 1998

Předvádějící


Kyotský protokol ukládá kompenzaci emisí způsobených spalováním fosilních paliv tím, že se zvýší biologické jímání CO2 bez určení, jakým způsobem se to provede. Obsah CO2 v atmosféře v sobě integruje asimilaci a respiraci C a respirace C v sobě zahrnuje i respiraci půdy. Respirace půdy se obvykle zvýší vykácením nebo zemědělským obhospodařováním (disturbancí půdy). Vysoká produkce CO2 při požárech. GPP - vstup fotosyntézy representuje 100 %, závisí na listové ploše a obsahu N, největší v mírném pásmu, 50% z toho je spotřebováno na energii potřebnou k růstu a udržování. Zbytek je nazýván NPP. NPP - zahrnuje růst rostlin, závisí na délce sezóny a na biomase listů, největší ve vlhkých tropech a monzunových oblastech. Podíl využitelný při sklizni tvoří většinou pouze menší část celkové biomasy, Index výnosu (sklizeň/ celková biomasa) je v průměru 30%, u rostlin s vysokým výnosem 50%. Největší část NPP je přeměněna na opad, který je spotřebován heterotrofními půdními organismy jako zdroj C a energie. Největší část opadu je pak uvolněna zpět do atmosféry v procesech energetického metabolismu, část je zabudována do biomasy a jen malá, nestravitelná část zůstává v půdě ve formě humusu. NEP je rozdíl mezi asimilaci a respirací ekosystému. Tato bilance může být ovlivněna (narušena) požáry nebo disturbancí (požár, přeměna na zemědělskou půdu), její předpověď je problematická. Podle ekologických teorií by měla z dlouhodobého hlediska být respirace vyrovnávána asimilací rostlin. NEP by měla být nejvyšší v podmínkách mírného pásu a v subtropech, nikoliv v boreálním pásu.

Mikrobní biomasa

Mikrobní metabolity

Nerozložené zbytky

Půda (SOM) 1580 Gt C

BIOMASA 620 Gt C

ATMOSFÉRA 720 Gt C

SOM=půdní organická hmota

CO2

opad

Fotosyntéza autotrofní respirace

Upraveno podle Gleixner 2001

CO2

celková zásoba C v suchozemských ekosystémech

půdní respirace 60-75 Gt C/rok

Předvádějící


Většina odhadů považuje půdu víceméně za černou schránku a transformace C v půdě hodnotí pouze na základě respirace půdy (heterotrofní respirace) Předmětem zájmu modelářů je stanovit celkovou respiraci a jak se mění respirace půdy v závislosti na T a vlhkosti. Změna schopnosti akumulovat C v půdě vede k tomu, že ekosystém se stává zdrojem uhlíku nebo naopak začne uhlík pohlcovat: všude tam, kde je dekompozice limitována nízkou teplotou, nebo vysokou vlhkostí (tundra a boreální severský les, mokřad )- ekosystémy C pohlcují (to platí i pro alpské louky). - agroekosystémy - C uvolňují - tropické a subtropické ekosystémy - vyrovnanou bilanci - Pro srovnani: lidskou činností se ročně uvolní 7,9 Gt CO2 (Emise CO2 spojené s průmyslovou činností a produkcí výfukových plynů a vytápěním domácností tvoří jen 4-7% celkové produkce) -

C zdroje

rostlinné zbytky

Buňka živočich, mikroorganismus

CO2

konzumace potravy

Organické meziprodukty,

exkrementy

Minerální látky

vylučování

respirace

dekompozice

Obecně: heterotrofní respirace se zvyšuje úměrně se zvyšující se dekompozicí

půda

Heterotrofní respirace se zvyšuje s NPP

Průměrná NPP hlavních světových biomů

A zemědělsky obhospodařované B boreální lesy D suchomilné křoviny F lesy mírného pásma G louky mírného pásma M vlhké tropické lesy S tropická savana a suchý les T tundra V středozemní řídký les a vřesoviště

(r2=0,87)

Raich &Schlesinger 1992 Tellus B)

Celková respirace půdy = autotrofní + heterotrofní (kořeny) (organismy)

Podíl heterotrofní respirace na celkové respiraci půdy: 40-60%

Měření heterotrofní respirace v porostu odstraněním kůry stromů a zastavením toku asimilátů do půdy (zastavení respirace kořenů; girdling) Hogberg et al. 2001 Nature

Předvádějící


Heterotrofní respirace půdy je výsledkem aktivity půdních organismů. Půdní organismy jsou převážně dekompozitoři, kteří se živí odumřelými rostlinnými zbytky a rozpuštěnými organickými látkami. Zodpovídají tím za rozklad vytvořené rostlinné biomasy a její mineralizaci. Tím se prvky v biomase obsažené zabudovávají do přeměněné, půdní organické hmoty a částečně navracejí zpět do koloběhu.

k = roční opad celkové množství opadu

Popis rychlosti dekompozice

L = L e-kt

L = úbytek biomasy (množství opadu) za určité časové období

Obecná rovnice popisující rychlost rozkladu

k=rychlostní konstanta

(roky) ~ 3 ~10 ~ 15

Lignin

Vliv klimatu

and lignin:cellulose ratio; Inhibition by high N conc..

Prostorové rozložení dekompozice

Většina C, N a P v povrchových vrstvách, s největším: • prokořeněním, • vstupem organické hmoty a • osídlením organismy

Dekompozice nejrychlejší v povrchových vrstvách

Rychlost rozkladu ve světových ekosystémech

Oproti tropickému lesu – limitace teplotou a kvalitou opadu

Oproti tropickému lesu – limitace teplotou

Vliv kvality substrátu

Obecně: čím vyšší poměr obsahu ligninu k obsahu N, tím pomalejší rozklad

vliv teploty

Teplotní odpověď respirace půdy – Arrheniovská závislost

R=Ae-E0/(T-T0)

Rych

lost

res

pira

ce

Teplota (°C)

Taylor & Lloyd 1994 Functional Ecology

Vliv srážek (vlhkosti)

Lze popsat poměrem srážek (PPT) k evapotranspiraci (PET)

Hla

vní t

oky

C v

suc

hoze

msk

ém e

kosy

stém

u

měření čisté bilance uhlíku (NEP) a její roční variabilita

přístup „top –down“ přístup „bottom – up“

Povrchová měření bilance C porostu, Eddy- kovariance

Atmosférická měření vertikálního profilu spodní části troposféry, letecky

Kvantifikace jednotlivých komponent toku C v porostu, variability vegetace a procesů v jednotlivých komponentech ekosystému

Atmosférická mezní vrstva (boundary layer, ABL)

ABL se mění vlivem ohřevu povrchu a vlivem vegetace

Noční ABL je tenká a stabilní

Během dne ABL narůstá díky ohřevu a transpiraci rostlin

Troposféra

Studený suchý vzduch

Vlhký teplý vzduch

Konvektivní turbulence Mechanická turbulence

vítr

Víření (eddy)

Omezené míchání

Des

ítky

m

Proudění vzduchu paralelní s izobarami

Předvádějící


Planetární (atmosférická) mezní vrstva (PBL) = ta část troposféry, která je přímo ovlivněná zemským povrchem a odpovídá na změny, které se stanou na povrchu Země v časovém rozmezí hodiny. Přízemní vrstva atmosféry 50-100 m. Ohřev povrchu Země slunečním zářením způsobuje vzestupné proudění teplého vzduchu, který v sobě nese vlhkost, teplo a aerosoly. Při vzestupu teplý vzduch adiabaticky expanduje (adiabatický = nedochází k výměně energie s okolní atmosférou) dokud nedosáhne termodynamické rovnováhy v horní části mezní vrstvy. Vlhkost transportovaná vzestupnými proudy tvoří konvektivní mraky. Suchý a chladnější vzduch z volné atmosféry klesá naopak dolů a nahrazuje vystupující teplý vzduch. Konvektivní proudění vzduchu vytváří turbulence, které mají tendenci vytvářet promíchanou vrstvu, ve které se teplota a vlhkost nemění s výškou nad povrchem. Při vzdušném prouděni nad vegetací a nerovným povrchem vzniká tření, které způsobuje turbulentní míchání a rozvíjí se chaotický vítr. Planetární mezní vrstva se zvětšuje během dne hlavně díky konvektivním turbulencím a je tenká v noci, kdy nedochází k ohřevu zemského povrchu a ke konvektivnímu mísení vzduchu. Vzduch v PBL je relativně izolován od volné troposféry a slouží jako „komora“ okolo zemského povrchu. Změny v obsahu vodní páry, CO2 a ostatních látek v PLB tak mohou sloužit jako indikátory biologických a fyzikálně chemických jevů, které probíhají Jevy spojené s existencí mezní vrstvy mají významný vliv nejen na úrovni celého porostu (ekosystému), ale i na úrovni jednotlivých listů. Konvekce = proudění Adiabatický děj je termodynamický děj, při kterém nedochází k tepelné výměně mezi plynem a okolím. Děj probíhá při dokonalé tepelné izolaci, takže soustava žádné teplo nepřijímá ani nevydává. Za adiabatický lze pokládat takový děj, který proběhne tak rychle, že se výměna tepla s okolím nestačí uskutečnit.

Resp. Asim.

FCO2 Bowling et al. 2001. GChB 7

Major processes, pools and fluxes in terrestrial ecosystem

Předvádějící


ρ is the density of the fluid (kg/m³) W is vertical wind velocity X’ is fulctuation from Reynolds average

Metoda Eddy - kovariance (vířivé kovariance) = metoda turbulentní difúze

Měřící věž

Ultrasonický anemometr

Infračervený analyzátor

napájení

Předvádějící


Eddy-kovariance (měření výměny vody a CO2 mezi porostem a atmosférou pomocí rychlého a soustavného měření změn koncentrace těchto složek a rychlosti a směru větru)

Síť přímých měření CO2, výparu a energie

rok 2006 C: Oak Ridge Nat. Lab, USA

NEE dlouhodobě měřená data, Norunda, Švédsko

Lindroth et al. 1999

Výdej

Příjem

Výdej

Date post:	01-Oct-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

Ekosystém: soubor všech organismů a abiotických zásobníků...

Documents