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 prostředí živé bytosti (živočichové, rostliny, mikroorganismy)

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

Ekosystémy Tok látek Tok energie Hranice ekosystému srážky transpirace 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

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)

Ekosystémy - různé úrovně studia Globální ekosystém 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? Příklad problematiky Ekosystémy - různé úrovně studia povodí Lesní ekosystém Ekosystém uvnitř hornin

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

Krátkodobé x dlouhodobé 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

1. Tok energie a koloběhy látek v ekosystému jsou vzájemně propojené 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)

Hydrologický cyklus

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

Pohyb vody v suchozemském ekosystému

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

Relativní podíl plynů na skleníkovém efektu

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

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

Propojení toku energie a hydrologického cyklu

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

X 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 H2O Stomata (průduchy) Vlhká půda ?? Jak si rostlina reguluje výpar z listů??? Vysoký vodní potenciál

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

Globální cyklus C Pozor na čísla !!! 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

100 % 50 % 5 % Hrubá = gross Čistá = net 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 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) čistá produkce ekosystému (NEP) živá a mrtvá biomasa rostlin, živočichů a půdní org. hmota vytvořená za časovou jednotku 5 %

BIOMASA 620 Gt C ATMOSFÉRA 720 Gt C CO2 Půda (SOM) 1580 Gt C 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

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

Vstup uhlíku do cyklu C procesy fotosyntézy, místo propojení toku energie, hydrologického a C cyklu Sluneční energie Rubisco, karboxylační enzymy (C3, C4 a CAM rostliny) 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

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

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

Globální cyklus fosforu

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

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)

Základní vlastnosti vody a vzduchu, které ovlivňují ekosystémové procesy voda vzduch poměr koncentrace O2 (ml l-1) 7 209 1:30 difůzní koeficient (mm s-1) O2 0,00025 1,98 1:8000 CO2 0,00018 1,55 1:9000 hustota (kg l-1) 1 0,0013 800:1 viskozita (mPa s) 0,02 50:1 tepelná kapacita (cal l-1(°C)-1) 1000 0,31 3000: primární producenti ve vodě – fytoplankton, v eufotické vrstvě (dostatečně prosvětlená vrstva; oceány - do 200m, sladké vody několik cm až několik metrů)

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).

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

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

Fytoplankton nepotřebuje k zajištění potřebné fotosyntetické kapacity tak velkou biomasu jako rostliny na souši: veličina oceány kontinenty povrch (% Zemského povrchu) 71 29 objem oživené zóny (%Zemského povrchu) 99,5 0,5 živá biomasa (1015v g C) 2 560 živá biomasa (g m-2) 5,6 3700 mrtvá organická hmota (103 g m-2) 5,5 10 čistá primární produkce NPP (g C m-2r-1 ) 69 330 doba zdržení C v živé biomase (rok ) 0,08 11,2