Az ökológia alapjai - Növényökológia

Átírás

1 Az ökológia alapjai - Növényökológia Kötelező irodalom: Tuba Zoltán, Szerdahelyi Tibor, Engloner Attila, Nagy János: Botanika III. Növényföldrajz és Bevezetés a funkcionális növényökológiába fejezetek Ajánlott irodalom: Tárgyleírás: tematika és követelményrendszer Oktatási segédanyag: - előadások letölthető (pdf) formátumban az intézeti honlapon (nofi.szie.hu)

2 A NÖVÉNYÖKOLÓGIA története Mai értelmezés: az ökológia az egyed feletti szinteken értelmezhető biológiai egységek (populációk, társulások stb.) előfordulásával kapcsolatos tér idő összefüggésekkel foglalkozik Növényföldrajz- Alexander von Humboldt ( ) - német természettudós és utazó - amerikai utazásai ( ) Aimé Bonpland botanikussal - Chimborazo megmászása nagy növényzeti övek a hegyvidék lejtőin vertikálisan is megjelennek - vegetációformák (formációk) - helyi fajkollektívumok (társulások, cönózisok) megfigyelése - csillagászati, archeológiai és antropológiai megfigyelések

3 Ernst Haeckel ( ) - német orvos, zoológus, filozófus - evolúcióelmélet terjesztése, továbbfejlesztése - ökológia fogalma: oikos=ház (környezet), logos=tudomány ökológia alatt a tudományok azon körét értjük, amely a szervezetek környezettel fenntartott kapcsolatát vizsgálja, ahová tágabb értelemben valamennyi létfeltétel sorolható (Haeckel, 1866) - biogenetikai alaptörvény kidolgozása: az egyed szerveinek kifejlődése során röviden keresztülmegy az őseinek, fejlődési rokonformáinak szervi kifejlődésének fázisain (E. Haeckel (1874): Anthropogenie)

4 TÁRSULÁS - a társulás (biocönózis) fogalmát Karl Möbius (német zoológus, ) használta először, 1877-ben, tengeri sziklák teljes életközösségének leírására. - a társulás (biocönózis): egy adott helyen, adott pillanatban koegzisztáló (együtt létező) populációk közössége. - angol nyelvterületen nem használt fogalom, helyette: community (associations of populations of two or more different species occupying the same geographical area) fő kérdés: milyen törvények szabályozzák a fajok együttélését? Növénytársulás - a növénytakaró alapegysége: állandó megjelenésű és faji összetételű, meghatározott környezeti igénnyel rendelkezik, a többi társulástól jellemző és megkülönböztető fajai révén különbözik (fiziognómia, forma formáció) emergens (nélkülük nem létező) sajátságokat mutatnak.

5 ÖKOSZISZTÉMA a./ Az élő szervezetek közösségei egymástól független populációk kollektívuma b./ Az élő szervezetek közösségei organizmusok (szuperorganizmus koncepció) Az életközösségek a környezetet képező abiotikus faktorokkal együtt fizikai értelemben vett rendszert képeznek: ez az ÖKOSZISZTÉMA Az életközösségek (biocönózisok) csak abiotikus környezetükkel együtt képeznek igazi egységet -a modern ökológia az ökoszisztémát a társulások anyag- és energiaforgalmát leíró modellnek (értelmezést szolgáló eszköznek) tartja - Mi az anyag- és energiaforgalom? (víz, szén, nitrogén CHONSP..FeCuMo), (sugárzás, hő. ATP)

6 Anyagforgalom az ökológiai rendszerekben: biogeokémiai ciklusok és üvegházgáz-kibocsátás

7 Biogeokémiai ciklusok általános jellemzői: kompartmentek vagy raktárak tartózkodási idő áramok (fluxusok) a kompartmentek között sebességük nem egyenletes - tartózkodási idő szoros kapcsolat van az anyag és az energiaáramlás között emberi tevékenység nagyban befolyásolja a működésüket bioelemek a ciklus élő szervezeteken keresztül működik transzport mechanizmusok meteorológiai (légköri gázok, száraz és nedves ülepedés) geológiai (felületi és felület alatti (drén) áramlások) biológiai (az élőlények ökoszisztémák közötti mozgása) a transzportmechanizmusok természetéből következően léptékük lehet helyi és globális

8 - szénforgalom globálisan és az ökológiai rendszerekben CO 2 és CH 4 kibocsátás - a nitrogén forgalma globálisan és az ökológiai rendszerekben N 2 O kibocsátás

9 Anyag- és energiaáramlás a növényi szervezetben, anyagcsere a környezettel avarhullás - dekompozíció

10 A vízforgalom Hajtóereje a Napból érkező energiaáram ez befolyásolja a globális csapadékeloszlást Fő limitáló tényező nem a csapadék, hanem a talajban rendelkezésre álló víz mennyisége ez az összes vízmennyiség 0.01 %-a gyors a kicserélődési ideje Erózió nem megfelelő tájhasználat A globális vízciklus. A feltüntetett mennyiségek km 3 /év-ben értendők. A keretezett mennyiségek a nagy víz-rezervoárok, nyilakkal a fluxusok irányát és mellettük nagyságukat jelöltük.

11

12 Vízforgalom ökoszisztéma szinten

13 pf: A talaj vízoszlop cm-ben kifejezett szívóerejének 10-es alapú logaritmusa

14 Hő- és vízgazdálkodás különböző években

15 Oxigén-ciklus Jelenlegi légkör kialakulása (21 térf% O 2 ): Urey szint ~ 4 Mrd éve Pasteur szint ~ Mrd éve Szárazföldi szint ~ 700 M éve mai szint kialakulása ~ 300 M éve (karbon kor)

16 Ózon Képződés és bomlás O2 + hν O +O O + O2 O3 O3 + hν O + O2 O + O3 2 O2 Dinamikus egyensúly, befolyásolják: CFC-k, nitrogén-oxidok

17 Szén-ciklus A globális szénforgalom sematizált ábrája. A fő széntárolók mellett (keretezett) feltüntettük a becsült szénmennyiséget is, valamint a szén fluxusok irányát és azok becsült mennyiségét. A számok petagramm/év-ben értendők. (1petagramm= g = 1 Gt)

18 talajok jelentős széntárolók fotoszintézis és légzés hasonló mértékű áram vegetációformációk szénforgalma igen eltérő lehet óceáni rétegződés: mély óceáni üledékekből csak geológiai transzport

19 Fate of Anthropogenic CO 2 Emissions ( average) 8.6 ± 0.4 GtC/yr 92% 4.3±0.1 GtC/yr 45% 0.8 ± 0.5 GtC/yr 8% ± 0.5 GtC/yr 27% 2.6 ± 0.8 GtC/yr 27% Calculated as the residual of all other flux components Source: Le Quéré et al 2013; CDIAC Data; Global Carbon Project 2013

20 A légköri CO 2 koncentráció változása

21

22 Nettó primer produkció = növények által felvett C mennyiség növényi légzés Globális NPP szárazföldek: 55%, óceánok 45%

23 A föld alatti, föld feletti biomassza és a talaj széntartalma globálisan

24 Szénforgalom

25 Ökoszisztéma szénforgalom vizsgálata NEE = fotoszintézis + ( légzés (felszín felett) + talajlégzés ) autotróf és heterotróf komponensek autotróf és heterotróf komponensek

26 CO 2 fluxusok (NEE) gyepfelszín felett Bugac

27 IAV of NEE Cumulative sum of daily sums Annual balance: winter (generally source) spring (sink) summer (sink and source) autumn regeneration (it depends) 5th Slovenian Symposium on Plant Biology, Ljubljana, 6 th -9 th September, 2008

28

29

30

31 Nitrogénforgalom és N 2 O kibocsátás A nitrogén körforgalmát az antropogén tevékenység jelentősen befolyásolta, ez jelenleg is növekvő mértékű Légköri N 2 megkötése: természetes és antropogén Az ülepedő nitrogénvegyületek (száraz, nedves ülepedés) hatással vannak a bioszférára A bioszférából felszabaduló nitrogénvegyületek is hatással vannak a légkörre Kétirányú fluxus több vegyület esetében (ülepedés-kibocsátás) A talaj jelentős mértékű NO vagy N 2 O forrás, a körülmények függvényében a talaj az ülepedett nitrogénvegyületek akár 1/3-át is üvegházgáz formájában juttathatja vissza

32 Légköri N 2 megkötése baktérium (Rhizobium, Azotobacter) és cianobaktérium (Nostocales rend) fajok energiaigényes folyamat nitrogenáz enzimkomplex oxigénérzékeny szimbiózis pl. Anabaena azollae

33 A nitrogén globális körforgása. Az egységek teragramm/év-ben értendők (1Tg= g).

34

35 Népesség Mezőg. terület Műtrágya és NOx Föld népessége Mezőg. területek M ha Műtrágya Tgr NOx kibocsátás Year Carl Bosch Fritz Haber

36 Légkör felszín közti kicserélődésben szerepet játszó nitrogénvegyületek (szerepük és légköri tartózkodási idejük igen változó) GÁZFÁZISBAN NH 3 (ammónia) N 2 O (dinitrogén-oxid) NO (nitrogén-monoxid) NO 2 (nitrogén-dioxid) HONO (salétromossav) - savasodás, savas esők HNO 3 (salétromsav) PAN (peroxi-acetil-nitrát) AEROSZOL RÉSZECSKÉKBEN, CSAPADÉKBAN NH + 4 (ammónium) NO - 3 (nitrát)

37 A nitrogénforgalom főbb lépései az ökológiai rendszerekben

38 A különböző nitrogénformák keletkezése (produkciója) a talaj víztelítettségének függvényében Kis víztartalomnál jó az oxigén ellátás nitrifikáció (oxidáció), NO Közepes-nagy víztartalomnál denitrifikáció, redukció, N 2 O elillanhat Telítettség közelében az N 2 O a talajban marad (viszonylag jól oldódik vízben) és a redukció az N 2 -ig végbemegy

39 N 2 O talajok dinitrogén-oxid kibocsátása N=N=O üvegházhatása kb. 300-szorosa a CO 2 -nak az összes antropogén eredetű üvegházhatásnak 5-6 %-át teszi ki sztratoszférikus ózon nagyrészt talajeredetű

40 biotikus: Azotobacter, Rhizobium sp, cianobaktériumok abiotikus: villámlás Biológiai N-kötés 70%-a szimbiotikus kapcsolatokból, 30 %-a nem szimbiotikus fixáció - N 2 fixáció energia a cukrok és egyéb organikus vegyületek oxidációjából - a szabadon élő bakt. a szerves hulladék oxidációjából - Rhizobium szimbiózis, cukor Nitrifikáció 1 NH 3 NO 2 (Nitrosomonas) 2 NO 2 NO 3 (Nitrobacter) (oxidáció, e-akceptor: oxigén) Denitrifikáció: Anoxiás környezetben a NO 2 és NO 3 e-akceptorként (oxidáló) lép fel. NO 3 NO 2 NO N 2 a

41 N 2 O talajok dinitrogén-oxid kibocsátása N=N=O Üvegház hatása kb. 300-szorosa a CO 2 -nek Az összes antropogén üvegház-hatásnak 5-6 %-át teszi ki Sztratoszférikus ózon Nagyrészt talajeredetű

42 N 2 O kibocsátás 2005

43 Agroökológiai rendszerek üvegházgáz-mérlege: szántóföldek, C mérleg - NEE alapján nettó C felvétel - figyelembe véve egyéb tényezőket is - kibocsátás

44 Agroökológiai rendszerek üvegházgáz-mérlege: szántóföldek, teljes mérleg

45 Agroökológiai rendszerek üvegházgáz-mérlege: gyepek

46 A foszfor globális körforgása. Az egységek teragramm/évben értendők

47 -Kőzetek mállása, a P talajoldatba kerül, felvehetőség: Ca 5 (PO 4 ) 3 +4H 2 CO 3 6Ca 2+ +3HPO HCO 3- +H 2 O - szerves vegyületekből: C-O-P észterkötés enzimatikus bontása, foszfatázok ( PO 4 3- ) savas ph: H 2 PO 4 - (mobilis, felvehetőség jobb) lúgos ph: HPO 4 2- (kevésbé felvehető) Nagy reakcióképesség (H 2 PO 4 - ) általában kötött formákban (Fe, Al,..)

48 A kén globális körforgalma. Az egységek teragramm/év-ben értendők savas esők SO 2 (antropogén + vulkáni) H 2 SO 4 H 2 S, tengeri ökoszisztémákban energiaforrás DMS kondenzációs mag, albedo hűtő hatás

49 Redukció anaerob környezetben (e-akceptor az oxigén helyett a szulfát-csoport) 2CH 2 O + 2H + + SO > H 2 S + 2CO 2 + 2H 2 O Kén alapú anaerob fotoszintézis (a víz helyett a H 2 S a hidrogén (elektron) donor a CO 2 redukciójához, bíbor kén-baktériumok) 2H 2 S + CO 2 --> CH 2 O + 2S + 2H 2 O Kemoautotrófia (Thiobacillus, mélytengeri S (H 2 S)- források környezetében) 4H 2 S + CO 2 + O 2 --> CH 2 O + 4S + 3H 2 O

50 Egyéb tápanyagok A növények számára esszenciális kationok: K, Ca, Mg, Mn, Fe elsősorban a kőzetek mállásából kerülnek be az életközösségbe. mozgásuk főként az ökoszisztémák internális ciklusához kötött, a talajból felvett és az elhalt szervesanyaggal visszajutott mennyisége sokkal jelentősebb, mint az ökoszisztémába egyéb folyamat révén bejutó, illetve kimenő mennyiség. kisebb mennyiségre van szükség, de jelentőségük nem elhanyagolható. Szerepük: elsősorban enzimek aktiválásában, káliumnak a vízmozgásban, transzspirációban, magnéziumnak a klorofill alkotóelemeként, kalciumnak pedig a sejtfal szerkezetének és a sejthártya áteresztőképességének szabályozásában van. káliumtartalom limitáló tényező lehet, mivel könnyen kimosódik a talajbeli vízmozgás révén. A kimosódás a legjelentősebb veszteségi útvonal a tápanyagok számára, különösen a nagy évi csapadékösszeggel bíró, illetve a savas esőkkel terhelt élőhelyeken jelentős. Nincs gázállapotú előfordulásuk, de a szél okozta erózió révén főként a sivatagokból és a művelt területekről származó az atmoszférában szálló porral jelentős mennyiségük jut az óceánba, illetve egyéb ökoszisztémákba.

51 Klímaváltozás

52 IPCC 2007

53 IPCC 2007

54 Az előadás letölthető nofi.szie.hu oktatás letöltések