Ekologia ogólna

wykład 11Energia i materia w ekosystemie

wykład 11/2

Slajdy

http://www.biol.uw.edu.pl/ze/

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

Przepływ energii przez różne ekosystemy

wykład 11/39

lasy i zarośla

namorzyny

trawy (sawanny)

bagna

łąki podwodne

rzeki

makroglony

ekos.bentosowe

fitoplankton

%

% NPP przekształcanej w detrytus

% %

% NPP zatrzymywanej jako detrytus

% NPP eksportowany