Szárazföldi NPP modellezése a globális klímaváltozással összefüggésben - hatalmas erőfeszítés: NPP, BPP és egyéb vegetációra jellemző paraméter prediktálására ha olyan modellt kapunk, amely reálisan becsli az NPP-t limitáló tényezőket, akkor a globális klímaváltozás hatásait is reálisan becsülni tudjuk
legtöbb klíma-modell azt prediktálja, hogy az üvegház-hatást okozó gázok következtében: -hőmérséklet 1,5-4,5 ºC-al nő - megváltozik a csapadék- és felhőtakaró mintázat -CO 2 koncentráció nő ezek együtt változtatni fogják a szárazföldi NPP-t és ez jelentősen befolyásolja az emberi táplálék- és erdőkitermelést
Szárazföldi ökoszisztéma modell
a modell térbeli referenciákat tartalmaz a klímára, t.sz.f. magasságra, talajtípusokra és vegetációra (biom) és víz elérhetőségre így becsülhető a havi C és N mennyiségek és fluxusok (és ebből az NPP) számítások 0,5 per 0,5 fokonként az egész Földre
futtatás jelenlegi állapot szerint (335 ppmv CO 2 ). Kalibrálás jó, meglévő adatok alapján. globális évi NPP: 51 x 10 15 g C (vagy 418 g C m -2 év -1 ) szimuláció: dupla CO 2 tartalom és az ezzel járó hatások (klímamodellek alapján) NPP 20 26,1% között nőtt 61,2 64,3 x 10 15 g C
Különbségek a biomok között: - trópusokon és száraz mérsékelt égövön az NPP növekedést a CO 2 koncentráció növekedése okozta - északi és csapadékos mérsékelt égövön: N-ciklus gyorsulása, amit a hőmérséklet növekedése okozott
a modell azt feltételezi, hogy a biomok a helyükön maradnak, de a valóságban az várható, hogy ezek átrendeződnek a klímaváltozás következtében a jövő nagy kalandja: ugyanezt eljátszani vízi rendszerekre is...
Az anyag körforgása a közösségekben kémiai elemek és vegyületek hozzátartozói az életnek élő szervezetek: energiát költenek arra, hogy anyagokat vonjanak ki környezetükből, magukban tartsák és használják őket majd újra elveszítsék befolyásolják a kémiai anyagok körforgását a bioszférában
ökofiziológusok: egyedi szervezetek hogyan veszik fel és használják a számukra szükséges anyagokat mi (közösségökológusok): egy egész bióta egy földdarabon vagy vízben hogyan gyűjti össze, halmozza fel és mozgatja az anyagot az ökoszisztéma komponensek között vizsgálati egység: egész földgolyó, kontinens, egy farm, folyó vízgyűjtője, 1 m 2 ismét emberi perspektívák és léptékek
Az anyag sorsa a közösségekben minden élő anyagban vízből van a legtöbb a fennmaradó rész 95%-a (vagy még több): szén-származékok, az energia akkor tűnik el végleg mikor a szénszármazékok oxidálódnak (CO 2 -á) az élő szövetekben vagy a lebontók által bár külön tárgyaljuk az energia és szén körforgását, ezek mégis igen szorosan kötődnek egymáshoz minden biológiai rendszerben
a szén egyszerű molekulában, CO 2 alakjában lép be a trofikus láncba aztán beépül a nettó primér produktivitásba és fogyasztásra alkalmas lesz cukor, zsír, fehérje vagy a leggyakrabban cellulóz formájában ezután ugyanazt az utat járja végig mint az energia, megeszik, kiürítik, asszimilálják és néha még be is építik a szekundér produkcióba amikor az energiában gazdag szén-kötések felbomlanak és energiát szolgáltatnak a munkavégzéshez, az energia elvész hő formájában és a szén újra kikerül az atmoszférába CO 2 alakjában. Itt ér véget kettejük szoros kapcsolata...
amint az energia hővé változik többet nem használható ezzel szemben a CO 2 -ban levő szén újrafelhasználható a fotoszintézisben
- a szén és más anyagok (nitrogén, foszfor, stb.) elérhetőek a növények számára az atmoszférából vagy a vízből. Miután áthaladnak a növényen és felbomlanak a komplex C kötések ezek újra visszakerülnek az eredeti közegbe egyszerű szervetlen molekulákként - energiának nincs is a szó valódi értelmében vett körforgása csak a lebontó rendszer abbéli tulajdonságát jelzi, hogy többször körbejárathatja
DE valójában minden J energia csak egyszer használódik fel azért van élet a Földön, mert folyamatosan kap energiát kívülről ezzel szemben a kémiai elemek (a biomassza építőkockái) csak molekula-alakjukat változtatják pl. nitrát-nitrogén fehérje-nitrogén nitrát-nitrogén
- napenergiától eltérően, a tápanyagok nem kifogyhatatlanok ha beépülnek a növényekbe, kevesebb lesz a többi számára elérhető szabad tápanyag - ha a növények és a fogyasztóik nem bomlanának le, idővel eltűnne minden tápanyag és az élet is a heterotróf szervezeteknek ebben kulcsszerepük van: reciklálnak és biztosítják a produkció folyamatosságát
szabad szervetlen anyagok csak a lebontó rendszerből jönnek elő újra (bár nagyon keveset a legelők is kibocsátanak) ábra hibája: nem minden lebontott tápanyagot vesznek fel újra a növények, egy részül elvész + olyan források is, amelyek nem feltétlenül élő anyag lebomlásából származnak
Biogeokémia és biogeokémiai ciklusok elemek előfordulása: atmoszféra: szén mint CO 2, nitrogén mint gáz N 2 litoszféra (kőzetek): kálcium mint kálcium-karbonát, kálium mint földpát hidroszféra (talajvíz, folyó, óceán): nitrogén mint oldott nitrát, foszfor mint foszfát, szén mint H 2 CO 3 itt minden szervetlen
élő szervezetek, élettelen és lebomló maradványok: szerves formában szén mint zsír vagy cellulóz, nitrogén mint fehérje, foszfor mint ATP ezeken belüli kémiai folyamatok és a kompartmentek közti mozgások biogeokémia
sok geokémiai folyamat végbemegy élet jelenléte nélkül is, pl. vulkánok ként bocsátanak az atmoszférába az élő szervezetek aktivitásuk révén viszont meglovagolhatják ezeket a geokémiai ciklusokat
Kis és nagy rendszerek biogeokémiája - változó idő- és térskálán vizsgálható akit egy tó vagy egy hektár erdő tápanyag felvétele, használata és leadása érdekel, az nem vizsgálja a vulkánkitörések hatását, vagy az óceánfenékre lerakódott anyagokat ha bővítjük a skálát: egy patak kémiáját alapvetően befolyásolja a környező szárazföld, ő meg a a tó vagy folyó kémiáját, amibe belefolyik. vízgyűjtő területet: természetesen meghatározott vizsgálati egység
a skála lehet globális is emberek rengetek kémiai anyagot használnak, ezek olyan mennyiségekben szabadulnak ki, hogy felforgathatják a biogeokémiai ciklusokat és hatással lehetnek: a természetes közösségekre, a termesztett növényekre az egész bolygó klímájára
Tápanyag felvételek és kibocsátások
Egyenletek: egyes közösségekben, egyes tápanyagokra: felvétel = kibocsátás másutt a felvétel meghaladhatja a kibocsátást és felhalmozódhat élő anyagban. Ez jellemző általában a szukcessziós folyamatokra: felvétel kibocsátás = raktározás
ismét másutt a kibocsátás meghaladhatja a felvételt, főleg ha valami zavarás következik be: kibocsátás felvétel = veszteség Pl. tűz, sáskajárás, emberi erdőkitermelés
Tápanyagok szárazföldi közösségekben Szárazföldi közösségek tápanyag felvétele alapkőzet mállása (víz fagyás-kiengedés, gyökerek) fontos forrása a Ca, Fe, Mg, P és K-nak amit aztán a gyökerek szívnak fel még fontosabbak a kémiai kioldási folyamatok pl. H 2 CO 3 reakcióba lép az ásványokkal és ionok szabadulnak fel (Ca 2+, K + ) vagy egyszerűen feloldódnak a vízben
Szén forrása: atmoszferikus CO 2 Nitrogén: - atmoszféra legtöbb - baktériumok és kék-zöld algák: van nitrogenáz enzimük, N-ből ammóniumiont gyártanak, amit felvehetnek a gyökerek - hüvelyes növények és éger: szimbiotikus N-fixáló baktériumok
Nitrogén-fixálás és felvétel: kg ha -1 év -1 Égeres 80 Eső 1-2 Hüvelyesek 100-300 Trópusi lóhere 900
atmoszférából: - esőben - szárazon szárazeső az eső nem csak víz, hanem: - gáz-zárványok (kén- és nitrogén-oxidok) - aeroszolok: óceánból elpárolgott víz, amiben sok oldott K, Mg, kloridok és szulfátok vannak - por: tüzek, vulkánok, szélviharok (Ca, K, szulfát) ezek köré formálódnak gyakorlatilag az esőcseppek is ezen kívül: kimosott anyagok, amit az eső útközben elkap
az eső tápanyag koncentrációja a záporok korai szakaszában a legnagyobb hó: nem annyira hatékony köd: ionok koncentrációja magas talajba kerülnek, innen gyökerek szívják fel néha levelek felszínéről ahol száraz időszak hosszú: az atmoszférából száraz anyagokként érkeznek a tápanyagok
folyóvizek: ezek főleg a kibocsátásban játszanak nagyobb szerepet DE: jelentős mennyiség kirakódhat áradáskor az ártérbe
Emberi tevékenység atmoszféra: CO 2, N és S oxidok nőttek (fosszilis tüzelőanyagok égetése, kipufogógázak) vizek: nitrát és foszfát koncentrációk nőttek (mezőgazdaság, szennyvizek)
Szárazföldi közösségek tápanyag kibocsátása egy atom útja ha felveszik, megeszik, lebomlik körbejár de néha csak átszalad a rendszeren és el is távozik Kibocsátás az atmoszférába szén: az éves mérleg nagyjából kiegyensúlyozott a növények által megkötött szénnel nagyjából egyenlő mennyiség távozik légzés révén
más gázok: anaerob baktériumok aktivitása révén pl. metán: tőzeglápok, mocsarak, árterek kigőzölgése bár ennek akár 90%-át - aerob baktériumok száraz rendszerekben: kérődzők bendőjében erős esőzések: időleges anaerob körülmények a talaj szerves anyagokban gazdag rétegében növények maguk is bocsáthatnak ki gázokat ammónia (NH 3 ): gerincesek ürülékének lebontásakor
tüzek: nagy mennyiségű CO 2 kibocsátás rövid idő alatt ugyanígy N is termés-betakarításkor: erdőkitermelés vagy egyéb termény
Kibocsátás vizek révén a talajból: oldott anyagok és részecskék formájában a Fe és P kivételével, a növényi tápanyagok jó része oldott formában van jelen a talajban részecskék lehetnek: élettelen szervesanyag darabkák (pl. falevelek) és szervetlenek hóolvadáskor és esőzések után a vízfolyásokba kerülő víz jóval hígabb, mint száraz periódusok után
Több anyag mosódik ki ha több eső hull:
ha az alapkőzet nem vízzáró réteg, sok anyag elfolyhat a talajvízbe ezeket nehéz kvantifikálni és a legtöbb vizsgálat olyan helyen is történt ahol vízzáró az alapkőzet
A vízgyűjtő terület mint vizsgálati egység szárazföldi és vízi közösségek tápanyagforgalmát tkp a víz mozgása köti össze, amit a gravitáció hajt lásd az ábrán mivel a terresztris közösségek tápanyag vesztesége főleg a felszíni vizek révén vezetődik el, ezek és a csapadék kémiai elemzése és összehasonlítása sokat elárulhat a tápanyag-felvételről és körforgásokról
Likens et al (1971), Hubbard Brook Experimental Forest mérsékelt övi lombhullató erdő kis patakok a vízgyűjtő terület volt a vizsgálati alapegység, összesen 6 ezek kifolyó vizét elemezték folyamatosan + pluviométerekben: eső, ólmos eső, hó
Mi jött be és mi ment ki? (kg ha -1 év -1 ) NH 4 + NO 3 - SO 4 2- K + Ca 2+ Mg 2+ Na + Be 2,7 16,3 38,3 1,1 2,6 0,7 1,5 Ki 0,4 8,7 48,6 1,7 11,8 2,9 6,9 Nettó változás +2,3 +7,6-10,3-0,6-9,2-2,2-5,4
minden évben hasonló mintázat az esetek többségében több mosódik ki mint amennyi a csapadék révén bejön a különbség forrása az alapkőzet és talaj: 70 g m -2 év -1
Hubbard Brook kísérleti erdő N-forgalma, mennyiség: kg ha -1 év -1
érdekesség: patakokban csak az össz-szerves-n 0,1%-a távozott, nagyrésze mindig biomasszában kötött, nagyon hatékony a reciklálása a nagy kivétel: a kén évente kimegy 24 kg ha -1 levélhullás révén bekerül: 5,5 kg ha -1 év -1 a bekerülő kén 50% a fosszilis tüzelőanyagok égetéséből származó szennyezés savas eső az egész északi félteke legnagyobb problémája (versenyben még: nitrogén-oxidok és ózon)
Kísérlet: kivágtak minden fát egy vízgyűjtő területéről az oldott szervetlen anyagok kimosódása 13-szorosára nőtt
két háttér-jelenség: 1. megszűnt a növényi párologtatás, 40%-al több víz mosódott át a talajon 2. a fák kivágása megszüntette a belső körforgást, tavasszal nem volt semmi tápanyagfelvétel, ez mind kimosódott a fő hatás a nitrát-nitrogénre, hangsúlyozva ezzel is a nagyon hatékony belső N-körforgást diszturbancia után a kibocsátás 60-szorosra nőtt többi anyag kibocsátása (K, Ca, Mg) is nőtt kén újra kivétel: a tarvágás után csökkent a kibocsátás, nincs magyarázat
Általánosíthatunk-e? - a szárazföldi közösségek többségében a N körforgása sokkal fontosabb a felvételnél és kibocsátásnál - örökzöld növények sokkal hatékonyabban használják fel a tápanyagokat mint a lombhullatók Miért? hosszabb életű levelek egyes tápanyagok transzlokálódnak a levelek lehullása előtt ezért dominálnak ők a tápanyagszegény környezetekben
hasonló hatások más erdőkben is, ill. ha a férgek lerágják a lombot ha megváltozik az erdő faj-összetétele egy vízgyűjtőben változhat a patakok vízhozama is fenyő jobban visszatartja cserjék, bokrok, facsemeték kevésbé
Tanulságok a mezőgazdaság és erdészet számára - mindkettő megtöri a természetes közösségekre jellemző folytonos körforgást a betakarítás/kitermelés elmozdítja az egész biomasszát a bennük tárolt ásványi anyaggal együtt, kiüríti lokálisan az ásványi anyag forrásokat. Ezek később másutt bukkannak fel pl. nemzetközi élelmiszer-kereskedelem (főként gabona), de brazil banán, kávé, stb. lokálisabb skálán: gabonatermelő vidékekről az állattartó vidékek felé egyik helyről elvész, másik helyen felesleg
az egész termesztés és betakarítás lényege: biomassza távolítódik el egy területről. ezzel elmozdítódnak az élő szövetekben tárolt ásványi anyagok is. újrafelszabadulás: lebomlás vagy égetés (tarló) révén. A felszabadult anyagok aztán kimosódhatnak. főleg N - nitrát ionok szabadon mozoghatnak a vizekben
két probléma: 1. a magas produktivitást fenntartani kívánó farmerek kénytelenek minden évben trágyázni és manapság ez leggyakrabban ipari úton előállított műtrágya 2. a kimosott N problémákat okoz másutt, a nagyobb folyók és tavak eutrofizációja révén és bejuthat az ivóvízbe is gazdáknak és természetvédők közös érdeke: egyik kevesebbet szeretne fizetni a műtrágyákért, a másik meg védené a vizeket a felesleges nitrát-mennyiségtől
Egy dán farm N-háztartása: 32,3 ha, 44 fejőstehén, 60 növendék
Denitrifikáció Ammónia párolgás Biológiai N-fixálás 600 Száraz lerakódás 646 Trágyázás 4741 Tej 1092 (Termény)magvak 19 Takarmány 4009 Új állatok 4 44 fejőstehén Hús 303 Gabona 120 Beszivárgás és kimosódás
Az össz-bevitel: 10 019 kg/év Csak 1515 kg azonosítható tejben, húsban és gabonában Deficit: 8504 kg (84,9%), ebből a denitrifikáció és ammónia (NH 3 ) párolgás valószínű kevés, nagy része kimosódik
A mezőgazdasági területek N-háztartása több módon is befolyásolható: 1. ha aktívan felszívó gyökérzet van jelen egész évben - bármilyen termesztett növény, természetes vegetáció, gyom, ami takarja a földet védi a rendszert a N- szivárgástól. fontos, amikor a csapadék meghaladja a párologtatás mértékét Pl. az ősszel elvetett növények télen is növekednek valamit, a talaj nem marad üresen a téli hónapokra. - mély gyökerű növények eredményesebbek a mélybe szivárgó nitrát felfogásában
2. minden olyan kezelés, ami szerves anyag felhalmozódással jár, csökkenti (legalábbis középtávon) a nitrát ionok felszabadulását Pl. az aratás után hátramaradó szalma beforgatása földbe lényegesen csökkenti a nitrifikáció rátáját. 3. ha a terület öntözött, fontos, hogy az öntözés ne haladja meg a talaj víztartó képességét a többlet kimossa a nitrátot. bár növekedési időszakban az öntözés segíthet, azzal hogy gyorsítja a növekedést és ezzel együtt a gyorsabb N felvételt
4. ha N trágyázást alkalmaznak: olyankor, amikor a növényeknek a legnagyobb szüksége van rá ha lehet jobb a permetezés 5. Minden olyan körülmény ami késlelteti a szerves anyagok lebomlását a talajban egyben segíti a szerves anyagban kötött N megmaradását is és így nem mosódhat ki. Pl. gyenge vízelvezetés alacsony ph
6. az várható, hogy a legelő-kaszáló állattartó rendszerekben hatékony a N és egyéb elem reciklálás. DE: ez nem így van, főleg ha intenzív gazdálkodási rendszerről van szó. Pl. Hollandiában 400 kg ha -1 N-trágyázást javasolnak a kaszálókra. Ha ezt lekaszálják, akkor gyakorlatilag az összes bevitt N megtalálható a levágott fűben Ha ezt legelik, és az állatok egyéb takarmánnyal még kapnak N- t, összesen 500 kg ha -1 kerül be a rendszerbe ebből csak 426 kg ha -1 N található meg újra a tejben és húsban. A maradék nagy része elillan (ürülék és vizelet), denitrifikálódik, kimosódik és elfolyik a felszínen
Minden intenzív állattartás (beleértve a városlakókat is) rengeteg szemetet termel. A mai ökológusok ez egyik legnagyobb problémája, aminek megoldása nagyon költséges is egyben Miért? Nagy területről összegyűjtött anyagok kis helyen koncentrálódnak. Pl. egy 10000 állatos disznóhizlalda ugyanannyi szennyező szemetet termel mint egy 18000-es lakosú város
a szarvasmarha, sertés és emberi ürülék N-tartalma kb. 2,4% baromfi ürülék és a szarvasmarha-sertés ürülék zagy-vize akár 6% is lehet száraz vidékeken, ahol kevés a tüzelőanyag, szárítják de hidegebb klímán (és a nagy állattenyésztő telepek főleg itt vannak), a fő gond az eltakarítással a nagy víztartalom emiatt nehéz szállítani ha trágyázni akarnak vele és ugyanúgy bemosódhat a vizekbe mint a műtrágya tenger mellett: egyszerűen beleöntik a tengerbe, emberi és állati szennyet egyaránt
Erdők: sok a hasonlóság de, különbségek is: - nem termelik ki olyan gyakran, de amikor igen, 700 kg ha -1 - bonyolult gyökérrendszer és lombkorona kritikus időszak: levágás után, amikor még az újulat nem erősödött meg kellőképpen
a többi ásványi elemnek is megvan a hasonló körforgása közösségekben mindenik közül a nitrogéné tűnik a legfontosabbnak (és legtanulmányozottabbnak is egyben) a legtöbb terresztris rendszerben (füves területek és erdők) ez a fő limitáló elem