Anyagáramlás a közösségekben

Átírás

1 Anyagáramlás a közösségekben "Fiziológiai ökológia" (az élőlények miként szerzik meg és használják a szükséges kémiai anyagokat) biogeokémia Anyagok kompartmentekben: - szervetlen anyagok (kémiai elemek): légkör, litoszféra, hidroszféra - a szerves anyag kompartmentje a bióta A biogeokémia tárgyköre az anyagok kompartmentek közötti mozgásának, "viselkedésének", fluxusának vizsgálata, valamint, hogy az élőlények miként akkumulálják, transzportálják az anyagokat. (Sok anyag fluxusa csak geokémiai szinten folyik, élet nélkül.) A skálázás fontossága: lokális (mikro) globális (makro) pl., egy folyócska és annak vízgyűjtő területe a vizsgálódás természetes egysége. 1

2 Az anyag "sorsa" a közösségekben A leggyakoribb alkotórész: a víz. [A "maradéknak" >95 %-a C-tartalmú vegyület energiatárolás energia felszabadítása (metabolizmus, oxidáció) CO 2 ] C belépése a rendszerbe fotoszintézis cukor, zsír, fehérje, cellulóz fogyasztás másodlagos produkció energia munkavégzéshez CO 2 C hő (tovább nem használható, kivéve testhőm. fenntart.) Az energia újra nem használható fel folyamatosan elérhető a napenergiából. (Minden egyes joule csak egyszer használható.) (Egyedül a dekomponáló rendszerben mozog, de nem ciklizál!!) Ezzel szemben a kémiai anyagok csak "formát" változtatnak, pl. N 2 NH 3 NO 2- NO 3- protein NO 2- újra stb. = RECIKLIZÁCIÓ Szerves állapotba kerülve (élő biomassza) csökken az elérhetőség heterotrofok és dekomponálók jelentősége 2

3 Az energia áramlás és a táplálékok körforgása közötti kapcsolat: Energia Szervetlen anyag Szerves anyag A rózsaszín nyilak a szabad, anorganikus állapotú, a vörösek a szerves anyagban megtalálható táplálékokat, a szürke nyilak pedig az energia áramlását jelentik. Táplálékok egyenlege ("budget") input output (ha nincs akkumuláció) pl. szukcesszió = input >output deforesztáció = input < output Terresztris közösségekben Inputok KŐZETMÁLLÁS - mechanikai - kémiai (abiotikus és biotikus) H 2 CO 3 ill. szerves savak főként Ca és K 3

4 ATMOSZFÉRIKUS -CO 2 -N 2, NH 3, NO x (eső: 1-2 kg N/ha/év) N 2 fixáció: pl. Alnus >80 kg N/ha/év Leguminosae: kg N/ha/év CSAPADÉKOK (eső, hó, köd) - gázok (S és N oxidok) - aeroszolok (Na, Mg, Cl 2 és SO 4 2- ) - szilárd-részecskék (vulkáni por: Ca, K, SO 4 2- ) SZÁRAZ LERAKÓDÁS -SO 4 2-, Ca, K, NO 3- közvetlenül a lombozatra HIDROLÓGIAI (vizekbe való bemosódás) pl g P/m 2 /év HUMÁN AKTIVITÁS -égetés: CO 2, NO x, SO 2, CO -mezőgazdaság - szennyvíz Outputok RECIRKULÁCIÓ a trofikus rendszeren belül, pl. N atom A Szaharából az amazoni medencébe jutó por évi mennyiségét 13 millió tonnára becsülik. Ion tartalma (K +, Fe 3+, NO 3-, NH 4+ és P 3+ ) igen fontos az esőerdő funkciói számára. LÉGKÖRBE-kerülés - a fotoszintézis hozzávetőleges évi C-egyenlege: a felhasznált CO 2 és a termelt és újrafelhasznált O 2 nagyjából egyenlő 4

5 - anaerob viszonyok CH 4, H 2 S - Pseudomonas -NO 3- redukció N 2 felszabadítás - állati exkrétumokból NH 3 - tüzek (igen gyors veszteség!) VÍZI útvonalakon (mozgó- és talajvíz) igen nehéz kvantifikálni kimosódás - elszállítás Fe és P nem mobilis Vízgyűjtő terület, mint természetes vizsgálati egység HIDROLÓGIAI ciklus: sugárzó E óceán párolgás atmoszféra (szél szétszórja) csapadék talaj, tó veszteség: evapotranspiráció, elfolyás, elszivárgás tápanyagok lépnek be felhasználás (növényzet, állatok) Példa: táplálék ciklizáció mérése vízgyűjtő területen (Hubbard Brook Project) mérsékelt égövi lombhullató erdő + patak (6 gyűjtőterülettel) kémiai analízisek: csapadék minták patakvíz 11 éven át Eredmények: kőzetmállás: 70 g anyag/m 2 /év 5

6 A patakvízzel távozó jelentősebb szervetlen ionok mennyisége: Általában a tápanyag input és output kicsi volt a biomassza és reciklizáció által a rendszeren belül tartott mennyiségekhez képest Egyik legfontosabb a N: input: csapadékkal 6,5 kg/ha/év N-fixációval 14,0 kg/ha/év output: patakvízzel 4,0 kg/ha/év szoros (azaz kb. 16 kg-t helyben tart!) Kivétel a S: a rendszert évente több S hagyta el, mint ami belül képződött külső forrás (savas ülepedés) input a lombhullásból: 5,5 kg/ha a teljes input fele a savas lerakódás 6

7 Fák kivágása után: szervetlen anyagok outputja 13x-ra növekedett 40 %-kal több víz ment át a deforesztáció megszakította a rendszeren belüli ciklusokat: lekapcsolta a dekomponálást a növényi felvételi szakasztól NO 3- -output a 60x-ra emelkedett Háttér magyarázatok/általánosítások: lombhullató - örökzöld különbségek nagyobb hatékonyság 7

8 Mezőgazdasági és erdészeti területek a reciklizáció szükségszerű megszakítása termény elszállítása visszapótlás (műtrágya): - lemosódással NO 3- vesztés - nedves klíma mellett nagyobb veszteség kereskedelem (ásványi anyag szállítás) tarlóégetés: főként N veszteség és ásványi anyag lemosódás a N-veszteség következményei eutrofizáció ivóvíz szennyeződés Egy tipikus dán farm N-egyenlege: az input 85 %-val nem lehet elszámolni! a szabályozás lehetőségei: - másodvetemények jelentősége - növényi maradványok beszántása - dekomponálás - adekvát öntözés: csak a vízmegtartó képesség határáig -műtrágya megfelelő időben való alkalmazása - állattartás hatékonyság-növelés a N reciklizáció szempontjából - párolgási veszteség (NH 3 ) csökkentése - szennyvíz kezelése 8

9 Egy 10 ezer férőhelyes disznóhizlalda ürülék produkciója egyenértékű egy 18 ezer lakosú városéval (az ürülék N-tartalma 2,4 %). Erdészet - tarvágás 700 kg N/ha eltávolításával. Az emberiség több mint fele jelenleg tengerparti zónákban él (azt várják, hogy ez 75 %-ra növekedik 2025-re). Elképzelhető az a szerves anyag terhelés, ami a tengerek parti sávjába jut. Akvatikus közösségekben A földi népesség eloszlása. A parti zónák terheltsége jól látható. VÍZFOLYÁSOK - a tápanyagok nagyobb része tóba, folyóba jut - valamennyi reciklizáció is van lápos vizenyős partszakaszok (wetlands) mentén 9

10 ÉDESVÍZI TAVAK plankton kap fő szerepet - igen gyors változások (pl. a P 75 %-a a plankton pusztulása után néhány órán belül szabaddá válik) -jelentős szezonális változások fontos folyamatok - oldott P felvétele - zooplankton általi legelés - reciklizáció a vízoszlopban (exkréció, dekomponálás) A globális felmelegedés eredményeként folyóvizeken keresztül az óceánokba jutó oldott szerves szén (DOC) globális eloszlása (tonna/folyamkm/év). SÓS TAVAK ÉS TENGEREK (endoreikus vizek = nincs ki/lefolyás) - tápanyagban dúsak kékeszöld algák (Spirulina) madarak (Flamingó) magas P tartalom (szoros tápanyag ciklus) - tengerek: meleg felszíni és hideg mélységi kompartmentek pl. P két forrásból: folyóvízi < mélységi (30x) 10 Spirulina

11 Globális biogeokémiai ciklusok International Geosphere-Biosphere Programme: A Study of Global Change (1986) Foszfor ciklus és perturbációja nyitott ciklus = szárazföld óceán szedimentáció: 13 x10 6 tonna P/év egyedi atom útja kőzetmállás terresztris ökológiai rendszer (néhány - több száz év) vízi rendszer (hetek - évek) óceán (átlag 100 út a felszíni és mélyvíz között, egyenként 1000 év = 10 millió év) szedimentálódás (a teljes mennyiség kb. 120 ezer x 10 6 tonna P) 100 millió év után (geológiai aktivitás miatt) ismét kiemelkedik szárazföld kőzetmállás stb. Egy ciklus időtartama 1000 év. Üledékbe csak 1 % lép ciklusonként. 11

12 emberi aktivitás felelős az óceánba kerülő évi P mennyiség 2/3-áért - halászat: - 50 x 10 6 tonna P/év szárazföldre, majd vissza -műtrágya: + 13 x 10 6 tonna P/év - detergensek: x 10 6 tonna P/év - édesvízi eutrofizáció Nitrogén ciklus és perturbációja limitáló jellege miatt a mozgó fluxusok alacsonyak (= kötött). szedimentációs mértéke az óceánban alacsony, az atmoszferikus rész dominál. emberi aktivitások: - deforesztáció -műtrágyák, belső égésű motorok (>50 x 10 6 tonna N/év) - leguminosák mezőgazdasági termelése - eutrofizáció - atmoszferikus: NH 3, NO x HNO 3 Kén ciklus és perturbációja légköri és litoszferikus egyaránt források: - óceán (kéntartalmú aeroszol): 44 x 10 6 tonna S/év - vulkáni tevékenység + mikroorg.: tonna S/év - légköri eredet: a S-vegyületek oxidációja (nedves és száraz ülepedés): 21 x 10 6 tonna S/év a szárazföldre 19 x 10 6 tonna S/év az óceánokba -kőzetmállás folytonos veszteség óceáni szedimentációval (abiotikus: H 2 S+Fe) emberi tevékenység: - hagyományos tüzelőanyagok égetése - ipari területek - savas ülepedés (reverzibilis) 12

13 Szén ciklus és perturbációja A képen, amely a szárazföldi szén-ciklus részletei, fluxusok (a nyilak) és tároló helyek (piros keretes dobozok) láthatók. A következő rövidítések értelmezik az egyes kompartmentek CO 2 fluxusait és tároló helyeit. A legátfogóbb a nettó biom produkció (NBP), amely a tüzek [Fire (ennek egyik terméke tiszta szén)] és a fakitermelés által keltett CO 2 -ot is figyelembe veszi és tartalmazza az összes fotoszintetikus és más módon keletkezett CO 2 -ot. Ennek egy része bruttó primer produkció (BPP), amely a nettó ökoszisztéma P (NÖP), az autotróf szervezetek (R a ) és a talajban élő heterotróf lebontó szervezetek (R h ) légzésének összege. A nettó PP (NPP) a BPP és R a különbsége. 13

14 További részletek: A NPP akkor keletkezik, ha a fotoszintézis folyamatában (PS-products) növekedésre (Growth) kerül sor és a légzés (R a ) útján CO 2 távozik. A keletkezett új és régi biomassza (new-biomass-old) az elsődleges tároló hely, amelynek egy része kitermelésre (Harvest) kerül, más része elpusztul (Mortality). A kitermelt biomassza egy részéből növényi eredetű termékek (Wood-products) keletkeznek, amelyek nem a kitermelés helyén való CO 2 veszteséget (Carbon losses off site) jelentenek. Az ábrán a másik irányban haladva, a szerves anyagot [Litter CWD, azaz coarse woody debries (durván aprózott faeredetű maradványok)], annak pusztulása után a lebontó szervezetek talaj szerves anyaggá (Soil organic matter) alakítják, miközben mindkét oldalon légzési CO 2 (R h litter CWD és R h soil organic matter) szabadul fel. A források tehát: - a fotoszintézis és respiráció - a légköri CO 2, mint elsődleges forrás - a litoszféra szerepe kicsi: kőzetmállás CaH 2 (CO 3 ) 2 - emberi tevékenység, amelynek következtében a CO 2 tartalom a légkörben 200 év alatt 280 ppm-ről 345 ppm-re 600 ppm (2050 körül). Ez a fosszilis tüzelőanyagok égetésének következménye, pl ban ez 5,2 (± 0,5) x 10 9 tonna C volt - a cementgyártás 0,1 x 10 9 tonna C/év - az energia szektor + ipari aktivitás 5,3 x 10 9 tonna C/év -erdőirtások a trópusokon 1,0 (± 0,6) x 10 9 tonna C/év -erdőirtás másutt 0 (± 0,1) x 10 9 tonna C/év Egy átlagos benzinmotor kipufogógázainak összetétele Kibocsátott vegyület Térfogat % N 2 74,0 CO 2 10,0 CO 6,0 Aldehidek 0,03 SO 2 0,008 NO x 0,5 Vízgőz 10,0 O 2 0,5 14

15 A teljes humán kibocsátás: 5,1-7,5 x 10 9 tonna C/év A respiráció a földi bióta által 100 x 10 9 tonna C/év a légköri CO 2 növekedés 2,9 x 10 9 tonna C/évnek felel meg (ez a teljes emberi kibocsátás %-a). Hová tűnik a különbség? Az elnyelő rendszer ismeretlen jelenleg. Lehetőség: valamilyen terresztris rendszer felveszi Faültetés?? - az elmúlt 40 év alatt, az USA-ban telepített erdők az abban az időszakban keletkezett CO 2 kibocsátás 25 %-át vették fel. A fák CO 2 nyelőként funkcionálnak idős koruk előtt, vagyis, ameddig az asszimiláció és légzés egyensúlyát el nem érik. üvegház hatás: CO 2 (+ CH 4, NOx, O 3 + fluorokarbonok) abszorbeálják az infravörös sugarakat a talajfelszín felől magas hőmérséklet (0,5-4,0 C fok emelkedés) következmények! Egyben rombolják az UVvédelmet betöltő ózon réteget. Lásd alább. A metán 21x erősebb üvegház hatású gáz, mint a CO 2. Képek 15

16 Az elmúlt 100 év alatt a Föld felszíni hőmérséklete átlagosan 0,6 C fokot emelkedett. Az átlagot egyenetlen eloszlás eredményezi. Az Antarktiszon, un. Dobson egységekben mért teljes ózon mennyiség csökkenése 1956 és 1994 között. Az El-Niño (ENSO El-Niño Southern-Pacific Oscillation) jelenség gyakrabban következik be. A kép a Csendes-óceán Peru vonalában húzódó részének 16 hőmérsékleti anomáliáját mutatja.