nauki podstawowe (np. genetyka, fizjologia, ewolucjonizm) a nauki

nauki podstawowe (np. genetyka, fizjologia, ewolucjonizm) a nauki stosowane (ochrona
przyrody, ochrona środowiska)
źródłosłów - oikos gr. dom, ognisko domowe, środowisko
Pierwszy raz termin zastosował Haeckel (1866r.), nauka stosunkowo młoda, brak spójnej
teorii
Różnie definiowana ekologii:
- historia naturalna
- nauka o rozmieszczeniu i liczebności organizmów
- nauka o zależnościach pomiędzy organizmami a ich środowiskiem
- nauka o ekonomice przyrody
Różne punkty widzenia:
- opisowy - poznawanie i opis roślinności i relacji między roślinami a zwierzętami - z czego
to się składa? "kolekcjonowanie motylków"
- funkcjonalny - co zależy od czego, na czym polegają różne zjawiska, procesy - jak to
działa?
- ewolucyjny - powstawanie adaptacji organizmów, dlaczego pewne formy są
faworyzowane przez naturalną selekcję, dlaczego pewne adaptacje opłacają się w
pewnych warunkach środowiska - dlaczego tak działa?
Różne obiekty zainteresowań:
- od osobnika przez populację do biosfery - złożoność
- rośliny, zwierzęta, mikroorganizmy, człowiek (taksonomia)
Różne spojrzenia:
- redukcjonistyczne (najpierw trzeba dogłębnie poznać poszczególne ogniwa systemu
ekologicznego, a dopiero potem możemy wnioskować o całości systemu)
- holistyczne (całościowe) –systemy ekologiczne możemy poznawać bez konieczności
wyróżniania wszystkich elementów składowych; im bardziej zorganizowany system, tym
więcej zawiera informacji (1+1=3)
Dwa kierunki badawcze dominujące we współczesnej ekologii:
- badania zjawisk termodynamicznych (przepływ energii) i fizyko-chemicznych (obieg
materii)
- badanie mechanizmów doboru naturalnego i procesu ewolucji, wyjaśnianie przyczyn
różnorodności
ekologia korzysta z innych dziedzin - fizyka, chemia, biologia - teoria ewolucji,
gleboznawstwo, matematyka, statystyka
Różne nurty badawcze w ekologii:
ekofizjologia, ekotoksykologia, ekologia populacji ssaków, ekologia biocenoz, ekologia
ekosystemów leśnych, ekologia krajobrazu,
różne poziomy badań wyróżnia się z powodów praktycznych i metodycznych - naprawdę
obiektem zainteresowań jest życie biosfery i jej podjednostek (nauka biologiczna),
wyjaśnianie powiązań pomiędzy wszelkimi układami przyrody ożywionej a środowiskiem ich
bytowania
w ekologii prowadzi się badania terenowe, laboratoryjne, teoretyczne - modelowanie,
statystyka, informatyka, cybernetyka
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Jako nauka - ekologia stawia hipotezy i je testuje – są duże trudności ze względu na ogromną
złożoność systemów ekologicznych (w odróżnieniu od np. fizyki) - tu "wszystko działa na
wszystko", ale też pewne czynniki działają szczególnie wyraźnie, a inne słabiej; Ekologia
jako nauka musi używać metod obiektywnych, czyli mierzyć pewne wielkości, stosować
metody matematyczne i statystyczne
pojęcie ekosystemu po raz pierwszy w 1935 r. - Tansley - badał zespoły roślinne
różne definicje, różne rozumienie - wszystkie terminy są umowne
- system ekologiczny złożony z zespołu organizmów żywych i ich abiotycznego
środowiska; pomiędzy organizmami oraz organizmami a środowiskiem zachodzi stała
wymiana różnych rzeczy (Tansley, 1935) - określił strukturę, ale nie sprecyzował
relacji między elementami
- system środowiskowy i biotyczny współdziałające ze sobą; środowisko fizykochemiczne
oddziałuje na zespół biotyczny (akcja), a organizmy oddziałują na czynniki fizyczne
(reakcja) oraz wzajemnie na siebie (koakcja) (Allee i in. 1950)
- każda przestrzeń stanowiąca całość pod względem przyrodniczym, gdzie zachodzi stała
wymiana materii między jej ożywioną a nieożywioną częścią jako wynik wzajemnego
oddziaływania organizmów i substancji mineralnych (Odum 1963)
- jednostka ekologiczna obejmująca wszystkie organizmy żywe na danym obszarze
(biocenozę) i współdziała ze środowiskiem fizycznym w ten sposób, że przepływ energii
prowadzi do wytworzenia się specyficznej struktury troficznej, zróżnicowania
biotycznego i obiegu pierwiastków między częścią ożywioną a nieożywioną (Odum 1977)
- jednostka środowiska złożona z różnych biotycznych i abiotycznych składników
powiązanych ze sobą procesami wymiany energii i związków chemicznych (Collier i in.
1978)
- trójwymiarowy wycinek biosfery, system otwarty, który w idealnych warunkach
utrzymuje stan stacjonarny; Elementami ekosystemu są gatunki (Ulrich 1987)
- wzrokowo rozpoznawalna jednostka w przyrodzie, odgraniczona ekotonem, złożona z
zespołów, w których krążą biologicznie ważne pierwiastki. Krążą one szybciej wewnątrz
ekosystemów niż między ekosystemami (np. staw, las, zarośla) (Rambler i in. 1989)
- Dowolny fragment biosfery, w którym grupa organizmów realizuje procesy
produkcji i dekompozycji, przy chociaż częściowo zamkniętym obiegu materii, z
wykorzystaniem energii przepływającej przez ten system (Weiner 1999)
Warunki wyróżniania ekosystemu jako jednostki ekologicznej:
- stosunkowo jednorodny przyrodniczo fragment biosfery,
- złożony z zespołu organizmów żywych (biocenoza) i środowiska fizyko-chemicznego
(biotop) pomiędzy którymi zachodzi stała wymiana materii i energii (oraz informacji);
- organizmy realizują procesy produkcji i dekompozycji z wykorzystaniem energii
przepływającej przez ten system
- związki wewnętrzne są silniejsze od zewnętrznych
- przynajmniej częściowo izolowany od sąsiednich ekosystemów (ekoton),
Inne terminy: mikrokosmos, holocen, biosystem, pleocen, biogeocenoza
W kontekście badania zjawisk I typu (obieg) lepsze jest podejście krajobrazowe - większy
stopień zamknięcia. Im wyższy stopień złożoności tym mniejszy stopień poznania i tym
większe kłopoty z badaniem całości - bardzo przydatny wspólny mianownik - energia,
materia lub nawet poszczególne pierwiastki (np. C lub N) pierwiastki
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
najprostsze ekosystemy: producent (bakteria autotroficzna) i destruent (bakteria
heterotroficzna) + woda, składniki mineralne
w rzeczywistości w przyrodzie ogromna różnorodność form życiowych
Pytanie:
- czy różnorodność jest warunkiem podtrzymania życia na Ziemi?
- czy różnorodność jest skutkiem trwania życia od blisko 4 mld lat?
Co jest ekosystemem?
łąka, las, torfowisko, jezioro, rzeka, ocean, estuarium, pole uprawne, trawnik, park, miasto,
akwarium, kultury laboratoryjne; cała biosfera = globalny ekosystem
różny stopień "domknięcia" zależny od natury ekosystemu (las a rzeka), stadium rozwoju
(starsze zazwyczaj bardziej "szczelne"), stopnia odkształcenia, sztuczności (las a miasto)
Biosfera II - też sztuczna, ale "skonstruowana" na wzór przyrody: procesy produkcji
równoważone procesami dekompozycji, zachowana różnorodność, zamknięty obieg materii,
otwarty przepływ energii słonecznej i cieplnej. Eksperyment niestety nie wypalił, po
kilkunastu miesiącach równowaga się załamała, wciąż nie umiemy budować sprawnych
systemów ekologicznych
Struktura, czyli z czego składa się ekosystem i jak poszczególne części są rozmieszczone
w przestrzeni?
Część abiotyczna:
ukształtowanie powierzchni
czynniki klimatyczne
czynniki edaficzne (czyli glebowe)
Część biotyczna:
producenci, konsumenci, reducenci
Mówiąc o strukturze (czyli budowie) ekosystemów można operować różnymi pojęciami, np.:
Skład gatunkowy, liczebności organizmów
Grupy funkcjonalne, czyli takie gatunki, które pełnią w ekosystemie podobną funkcję (np.
wszystkie zwierzęta liściożerne, wszystkie saprotrofy beztlenowe)
Biomasa różnych komponentów (np. pni, listowia, korzeni, roślin zielnych, ściółki, zwierząt,
grzybów)
skład gatunkowy i budowa biocenoz może się bardzo różnić, ale grupy troficzne zawsze
takie same; każdy ekosystem ma swoją strukturę przestrzenną - najbardziej zróżnicowana
w lesie i w głębokich zbiornikach wodnych
Struktura ekosystemów wiąże się z pojęciem PULI. Pula to stan jakiegoś komponentu, np.
pula biomasy koron w drzewostanie, albo pula glebowa materii organicznej)
Funkcje, czyli jakie procesy zachodzą w ekosystemach oraz jaki jest ich kierunek i
tempo?
Funkcjami ekosystemu są procesy, jakie w nim zachodzą. Należą tu m.in.:
Produkcja biomasy
Opad ściółki
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Rozkład materii organicznej
Mineralizacja
Migracje zwierząt
O funkcjach, czy też procesach możemy też mówić, że są PRZEPŁYWAMI, ponieważ
materia/energia przechodzi z jednej puli do innej (np. z biomasy do martwej materii
organicznej)
porównanie lasu, łąki i jeziora
piętrowość w lesie wyznaczona głównie dostępnością światła - kreowana przez roślinność
strefowość w jeziorze - dostępność światła, obecności podłoża, stratyfikacją termiczną kreowana przez warunki abiotyczne (głębokość, wiatry, temperatura)
Jak wyznaczyć granice ekosystemu?
Łatwiej, gdy środowisko abiotyczne zmienia się bardzo gwałtownie - sztuczne ekosystemy,
np. szklarnia, akwarium, jezioro - ląd; pole - las, ekotony są wąskie, (litoral - pelagial);
Trudno, gdy zmiana następuje stopniowo, łagodnie - różne typy lasu, piętra roślinności w
górach - ekotony są dużo szersze, nawet kilkaset metrów (ekoklina) - koncepcja kontinuum idąc wzdłuż gradientu, liczymy i mierzymy wszystkie drzewa, np. świerki - rosną coraz
rzadziej i są coraz niższe, zmieniają pokrój korony, w końcu w ogóle ich nie ma
Granice między ekosystemami mogą być zmienne - np. poziom wód w rzekach - obszary
okresowo zalewane - całkiem inny charakter niż sama rzeka i przyległe tereny lądowe
Ekotony dzielą, ale i łączą ekosystemy
Cechy systemów przyrodniczych:
Tendencja układów przyrodniczych do autonomizacji - uniezależniania się systemów
przyrodniczych pod względem wymiany materii i energii z otoczeniem (z innymi systemami i
atmosferą, hydrosferą oraz pedosferą). Pod tym względem najbardziej autonomiczna jest
biosfera, mniej krajobrazy, jeszcze mniej ekosystemy, a najmniej ich poszczególne elementy
(populacje, organizmy);
Tendencja do wzrostu uporządkowania systemu = minimalizacji entropii, a wzrostu
informacji (informacja traktowana tu jest nieco inaczej niż w powszechnym rozumieniu przykład gdy cały samochód rozbijemy na części pierwsze - utrata informacji); Informacją
będzie tu stan uporządkowania - struktura i funkcje - podtrzymywany ZAWSZE dzięki
stałemu dopływowi energii z otoczenia (co najmniej energii słonecznej); typowa cecha
wszystkich układów żywych
Zaburzenia, katastrofy, destrukcja systemów przyrodniczych to jednocześnie utrata informacji
Tendencja do unityzacji - im bardziej złożony system, tym więcej posiada właściwości
Cechą systemów ekologicznych, zwłaszcza ponadpopulacyjnych, jest ich charakter
stałościowy, tj. tendencja do samoregulacji dzięki istnieniu homeostatycznych mechanizmów
sprzężenia zwrotnego i sterowania; im bardziej złożony system tym większa jego stałość;
mniej złożone układy mają cechy dążnościowe - teoria samolubnego genu; pewna
sprzeczność interesów między dążnością populacji a stałością biocenozy i ekosystemu
Homeostaza = stan względnej równowagi - zdolność układów przyrodniczych do
przeciwstawiania się zmianom zachodzącym w otoczeniu
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
systemy, informacja, sterowanie, sprzężenia zwrotne, czarne skrzynki - to terminy z zakresu
teorii systemów (cybernetyki = nauki o sterowaniu), która powstała w latach 50-60 i
została zastosowana również w ekologii (Bertalanffy, Wiener), głównie do modelowania
przepływów energii
Sprzężenie zwrotne - reakcja składników systemu na zmianę ich własnej wielkości
DODATNIE - w miarę wzrostu jakiejś wielkości wzrost ten staje się coraz większy; gaz niezbędne do wzrostu i przeżywania organizmów, ale przy braku sprawnie działających
sprzężeń ujemnych mogą prowadzić do całkowitego załamania systemu (przykłady: im
więcej, tym więcej, bogaty staje się coraz bogatszy, para króliczków zaczyna się rozmnażać,
a po upływie pewnego czasu króliczków jest tak wiele, że nie mieszczą się we
Wszechświecie, emisja CO2 rośnie, a im więcej go jest w atmosferze, tym szybciej go
przybywa, bo wody w oceanach się ocieplają, a gazy słabiej się rozpuszczają w wyższych
temperaturach, w wyższej temp. szybciej zachodzą procesy dekompozycji i częstsze pożary uwalnianie CO2)
UJEMNE - hamowanie wzrostu jakiejś wielkości - hamulec - przeciwdziałanie
nadmiernemu wzrostowi jakiejś wielkości (np. nadmiernie rozmnożonej populacji owadów
roślinożernych przez ich drapieżców, pasożyty, wirusy, temperaturę otoczenia, itp.; stężenie
CO2 rośnie, ale wzrost ten jest hamowany, bo atmosfera się ociepla, więcej chmur i
zmniejszony dopływ promieniowania słonecznego, w wyższej temp. szybciej zachodzą
procesy produkcji biomasy - szybsze wiązanie CO2)
Mechanizmy homeostatyczne działają tylko w pewnym zakresie; jeśli zakres ten zostanie
przekroczony dodatnie sprzężenia zaczynają dominować doprowadzając do narastania stresu i
załamania ekosystemu. Przykład - wycięcie lasów bukowo-dębowych na mierzei w SPN uruchomienie piasków - niemożność powrotu do poprzedniego stanu; Nie mamy skutecznych
mechanizmów do utylizowania śmieci, zanieczyszczeń - przyroda nie nadąża lub nie umie ich
przerabiać
Sterowanie - głównie z zewnątrz - przez warunki środowiska - dostępność zasobów
pokarmowych, przestrzeni życiowej, zasobność w N, nawożenie, orka, czynniki klimatyczne i
edaficzne; sterować można produkcją i dekompozycją, liczebnością populacji, tempem i
wydajnością wzrostu tkanek, etc. - wchodzimy w zakres inżynierii ekologicznej
Człowiek chętnie steruje układami przyrodniczymi - np. pola uprawne - nawożenie,
eliminacja chwastów, pojawiają się szkodniki (sterowane żarciem), przy braku wrogów
naturalnych (sprzężeń ujemnych), musimy sami hamować ich wzrost (metody chemiczne lub
biologiczne)
Czynniki regulacyjne w ekosystemach:
1. Czynniki niezależne od ekosystemu: takie, które oddziałują na ekosystem, ale
pojedynczy ekosystem nie ma na nie wpływu
Klimat
Skała macierzysta
Topografia
Roślinność potencjalna
Czas
2. Czynniki zależne od ekosystemu: takie, które oddziałują na ekosystem, a ekosystem
oddziałuje na te czynniki, modyfikując je
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
 Zasoby (energia i materia zużywana na budowę i utrzymanie organizmów, np.
woda, CO2, azot, itp.)
 Modulatory (cechy fizyko-chemiczne, które wpływają na aktywność
organizmów, ale nie są przez nie wykorzystywane, np. pH, wilgotność,
temperatura)
 Zaburzenia (zdarzenia nieciągłe, często gwałtowne, nieprzewidywalne, które
zmieniają strukturę biocenozy, dostępność zasobów oraz warunki abiotyczne;
cechują się różną częstością, intensywnością i rozległością, np. pożary,
powodzie, zręby, gradacje)
 Biocenozy
 Działalność człowieka
Jedną z właściwości wszystkich organizmów, również roślinnych, jest tendencja do ekspansji.
O ile wiemy, życie powstało w Praoceanie, a pierwsze organizmy były najprawdopodobniej
heterotroficznymi bakteriami beztlenowymi korzystającymi z abiotycznych związków
organicznych, jak związki siarki, żelaza, metan. (Niektórzy szacują, że całkowita biomasa
bakterii termofilnych może być wyższa niż całej reszty biosfery!). Na lądzie życie mogło
powstać dopiero wówczas, gdy wskutek produkcji ubocznej rośliny zaczęły produkować tlen
(gdy woda stała się donorem elektronów). Obecność tlenu (zabójcza dla beztlenowców!) i
powstawanie ozonu w górnych warstwach atmosfery doprowadziło do zatrzymywania
większości zabójczego promieniowania UV, ale zmniejszył się poziom CO2.
Gdy zaczęło brakować substratu - rozwinęła się autotrofia. Z początku na bazie światła
purpurowego (u bakterii purpurowych - terpenoid - bakteriodopsyna), później światła
niebieskiego 0,4-0,5 m i czerwono-pomarańczowego 0,6-0,7 m (sinice, bakterie zielone chlorofil).
Klasycznie przyjmuje się, że życie (biosfera) obejmuje zaledwie ok. 100 m wzwyż
(atmosfera) i w głąb (wody). Około 99% biomasy wszystkich organizmów żywych stanowią
rośliny zielone. Utrzymują one zarówno siebie, jak i niemal wszystkie organizmy
heterotroficzne (również człowieka).
Zasięg pionowy biosfery
Miąższość biosfery, czyli strefy życia, jest stosunkowo niewielka. Za górną granicę zasięgu
występowania organizmów żywych przyjmuje się wysokość ok. 10 tys. m n.p.m. Jest to tzw.
parabiosfera związana z obecnością aeroplanktonu, czyli zarodników, pyłków roślinnych,
przetrwalników bakterii itp. Ponad szczytami najwyższych gór świata, Himalajów, na
wysokości ok. 7500-9000 m obserwuje się też wędrujące gęsi tybetańskie. Zwierzęta
naziemne docierają maksymalnie do ok. 6000-6900 tys. n.p.m. Należy do nich np. krewniak
lamy - gwanako. Zależnie od szerokości geograficznej, górna granica lasu sięga 500-4500 m
n.p.m., jednak karłowate pokrzywione drzewa mogą rosnąć jeszcze wyżej (tzw. linia
krumholza). Dolna poznana granica życia sięga 3000-4000 m w głąb oceanów i związana jest
z ekosystemami cieplic głębinowych. Przypuszczalnie niektóre bakterie występują również w
rowach oceanicznych i w skorupie ziemskiej na głębokościach sięgających 10 km.
Największa obfitość środowisk nadających się do życia występuje w znacznie węższej strefie.
W górach wyznacza ją dolna granica piętra alpejskiego (ok. 500-2500 m n.p.m.), a w wodach
- grubość warstwy eufotycznej, (max. 200 m p.p.m.). Strefa życia obejmuje wierzchnie
warstwy gleb zasiedlone przez korzenie roślin i mikroorganizmy (od kilku cm do
kilkudziesięciu m) oraz warstwę nadziemną wyznaczoną wierzchołkami drzew (50-100 m).
Biosfera nie jest jednorodna. Można tu wyodrębnić całą gamę środowisk które w mniejszym
lub większym stopniu sprzyjają osiedlaniu się i funkcjonowaniu różnych organizmów.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Oceany
71% powierzchni Ziemi i zajmują ponad 99% objętości biosfery, a jednak produkcja roślinna
większości oceanów jest porównywalna do pustyń lądowych. Środowisko życia w oceanach
jest kształtowane w dużej mierze uwarstwieniem pionowym, które różnicuje m.in. dostępność
światła, poziom zasolenia, temperaturę, ciśnienie i gęstość wody. Ważnym czynnikiem
różnicującym warunki jest też obecność prądów i falowanie wód, a w strefach przybrzeżnych
także pływy. Woda jest ośrodkiem o większej gęstości niż powietrze, stąd organizmy nie
muszą inwestować w rozbudowę tkanek wzmacniających. Łatwość pobierania
substancji mineralnych z wody nie wymaga też budowy skomplikowanych systemów
przewodzeni. Stąd też roślinami otwartych wód oceanicznych są przede wszystkim drobne
glony planktonowe, unoszące się swobodnie w toni wodnej. Ich występowanie ogranicza się
do powierzchniowej, eufotycznej warstwy, poniżej której panują ciemności. W
powierzchniowych warstwach wody niedobór niektórych składników mineralnych (N, P
i Fe), które mają tendencję do opadania na dno. W wodach cieplejszych stref
klimatycznych deficyty tlenu. W porównaniu z lądami, świat roślin otwartych wód
oceanicznych jest bardzo skąpy, zarówno pod względem liczby gatunków, jak i stanu
biomasy. Nieco większy jest udział w produkcji, co wynika z niewielkich rozmiarów i
szybszej reprodukcji planktonu.
Rafy koralowe, estuaria i lasy namorzynowe, leżące na styku mórz i lądów, a także strefa
prądów wznoszących (tzw. upwellingów) należą do najbogatszych, a jednocześnie najbardziej
produktywnych ekosystemów świata.
Tabela - Porównanie niektórych cech środowisk wodnych i lądowych biosfery
Cecha
Oceany Lądy
Udział powierzchniowy (%)
71
29
Udział objętościowy stref życia (%)
99,5
0,5
Udział roślin zielonych (%)
6
94
Udział gat. wielokomórkowych heterotrofów (%) 80
20
Całkowita biomasa (mld t C)
2
560
2
Całkowita biomasa (t C/km )
5,6
3700
Produktywność pierwotna netto (t C/km2×rok-1)
69
330
Lądy
Środowisko znacznie bardziej zróżnicowane (heterogenne). Podstawowy problem stanowi
WODA, a właściwie jej brak lub duże wahania dostępności. Na powietrzu rośliny narażone są
na wysychanie. Rozdział przestrzenny zasobów nieco podobny jak w wodzie - światło z góry,
składniki - na dole (różnica - woda, tlen, CO2). Mała gęstość powietrza i jego ruchy narażenie na połamanie - potrzebne tkanki wzmacniające. Chyba że brak rusztowania - plechy
porostów. Mimo to rośliny zielone opanowały do perfekcji środowisko lądowe wraz z jego
ograniczeniami – rośliny lądowe, ze względu na warunki środowiska, są przeważnie większe
od roślin wodnych i często bardziej zróżnicowane morfologicznie. Wymagają istnienia tkanek
wzmacniających, przewodzących, korzeni, a ponieważ żyją przeważnie dłużej (bo większe
żyją dłużej), muszą też budować substancje lub struktury obronne przed roślinożercami.
Produktywność roślin lądowych w przeliczeniu na ich biomasę jest nieporównywalnie
mniejsza niż u roślin wodnych, które przeważnie są małych rozmiarów i niemal w całości
fotosyntetyzują
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Stresy środowiskowe
Każdy czynnik środowiska może przyjmować określone natężenie, a także zmieniać się w
czasie (zmiany dobowe, sezonowe), decydując o formie i dostępności zasobów życiowych
wykorzystywanych przez organizmy. Zarówno zbyt niskie, jak i zbyt wysokie natężenie
jakiegoś czynnika jest określane mianem stresu. Może nim być np. niedobór lub nadmiar
światła, wody i składników pokarmowych, obecność substancji toksycznych, niekorzystna
temperatura, czy też presja innych gatunków. Organizmy mogą tolerować nawet bardzo
wysokie natężenie stresów środowiskowych, o ile zostaną u nich wykształcone specyficzne
adaptacje (morfologiczne, anatomiczne i fizjologiczne). Ponieważ wiąże się to z ponoszeniem
określonych kosztów energetycznych, funkcjonowanie organizmów w warunkach skrajnie
nieprzyjaznych bywa mocno ograniczone.
Zaburzenia środowiskowe
W odróżnieniu od stresu, zaburzeniem nazywamy zdarzenia nieciągłe, często bardzo
gwałtowne, które niszczą częściowo lub całkowicie biocenozy, oraz przekształcają
środowisko fizyczne, zmieniając dostępność zasobów. Do zaburzeń należą m.in. pożary,
powodzie, susze, huraganowe wiatry, lawiny, czy masowe pojawy owadów roślinożernych.
Źródłem zaburzeń bywa też działalność człowieka: wydeptywanie, pozyskanie biomasy,
zanieczyszczenia itp. Skala, intensywność i częstotliwość, z jaką zachodzą zaburzenia mogą
być bardzo różne. Zaburzenia o dużej intensywności i/lub rozległości, np. wielkie pożary
lasów, są często określane mianem klęsk lub katastrof ekologicznych. W następstwie takich
zdarzeń warunki środowiska abiotycznego ulegają zwykle skrajnemu zaostrzeniu. Duża
regularność zaburzeń w środowisku zwiększa presję selekcyjną prowadzącą do wytworzenia
specyficznych adaptacji u organizmów.
Każda roślina stara się spełnić 3 podstawowe wymagania: przetrwanie, wzrost i
reprodukcja. Jest to swoisty kompromis pomiędzy pobieraniem zasobów (liście i korzenie),
rozmnażaniem (kwitnienie i rozsiewanie nasion) oraz przystosowaniem do warunków
środowiska abiotycznego i biotycznego (ochrona przed wiatrem, wysychaniem,
przegrzewaniem, przemrożeniem, brakiem tlenu, itp., patogeny, roślinożerce, konkurencja)
W tym celu musi:
1. wydajne przechwytywanie energii słonecznej
2. zdolność do termoregulacji i regulacji strat wody
3. utrzymanie ciężaru nadziemnych części
4. wymiana gazowa (fotosynteza i oddychanie)
5. pobieranie i przewodzenie wody
6. mocne zakotwiczenie korzeni i ekstrakcja składników pokarmowych z gleby
7. rozmnażanie w stadium dojrzałym
Bodaj najbardziej uderzające jest to, że otwarte oceany są "pustyniami". Wszystkie morza i
oceany razem zajmują ok. 2/3 pow. globu, a produkują zaledwie 1/3 biomasy roślinnej (ok.
50-60 mld t sm). Z kolei lądy - odwrotnie (ok. 110-120 mld t). Najbardziej produktywne
ekosystemy to ujścia wielkich rzek (estuaria), lasy tropikalne, strefy prądów wznoszących
wzdłuż wybrzeży kontynentów, rafy koralowe, marshes
Większość ekosystemów lądowych produkuje rocznie od 200-2000 g m-2 , co odpowiada 1-4
g chlorofilu /m2 (średnia zawartość 1,5 g), czyli 1 g chlorofilu wytwarza rocznie ok. 510 g
nowej biomasy
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Większość ekosystemów wodnych produkuje 50-1000 g/m2, tj. zawiera ok. 0,002-0,1 g
chlorofilu na 1 m2 (średnia 0,05 g, czyli 30 razy mniej niż na lądach), co daje ok. 3300 g
nowej biomasy z 1 g chlorofilu.
Wydawać by się mogło, że ekosystemy wodne stanowią świetny ośrodek dla prod. roślin obecność wody i rozpuszczonych substancji mineralnych. Organizmy są bardzo małe, zielone
"w całości", nie muszą utrzymywać żadnych dodatkowych struktur. Co jest czynnikiem
limitującym produkcję w wodach?
Światło w wodzie "dzień jest krótszy" ze względu na to, że stosunkowo duża część promieniowania
jest odbijana od powierzchni wody
promieniowanie jest mocniej rozpraszane przez wodę i zawarte w niej zawiesiny i jony, a
także przez plankton
przepuszczalność wody dla światła widzialnego jest dużo mniejsza niż powietrza.
Pochłanianie światła rośnie wykładniczo z głębokością (rzeki - ok. 0,5 m, jeziora 5-10 m,
strefa przybrzeżna mórz i oceanów 60 m, otwarty ocean 140 m)
pochłanianie promieniowania długofalowego przez wierzchnią warstwę wody powoduje jej
ogrzewanie - woda ta ma mniejszą gęstość - tworzy się wyraźne uwarstwienie, gdy nie ma
wiatrów, prądów - mieszania się wody - nie ma też dopływu substancji mineralnych z
głębszych warstw
Niedobory składników pokarmowych
cięższe aniony - azotany, fosforany, siarczany i związki niektórych metali - Fe i Cu opadają
na dno, gdzie nie ma dostępu światła. A zatem światło, jako czynnik niezbędny to produkcji
roślinnej jest dostępne w górnych warstwach, a wiele składników pokarmowych na dnie,
gdzie światła brak. Dopiero w sytuacji efektywnego mieszania się wód przydennych z
powierzchniowymi możliwe jest zwiększenie produktywności pierwotnej. Dzieje się tak np.
w strefie prądów wznoszących, tzw. upwellingów, a także w płytkich strefach przybrzeżnych,
estuariach itp.
Ekosystemy lądowe - znacznie więcej ograniczeń środowiskowych - stąd większe
wymagania morfologiczne i fizjologiczne, a mimo to większa produktywność
podstawowe ograniczenia - brak wody, światło, składniki mineralne
rozbudowana powierzchnia asymilacyjna - lepszy dostęp do światła, ale szybsze wysychanie,
bo mała wilgotność powietrza
woda i sole z gleby, CO2 i światło - z atmosfery
im wyższa roślina - większe szanse na zdobycie światła, ale konieczność przewodzenia wody
i soli wbrew grawitacji - włosowatość naczyń + "pompa transpiracyjna" - b. kosztowna
energetycznie - ok. 7% docierającego promieniowania słonecznego
im większa roślina - konieczność silnego zakotwiczenia w podłożu
Czynniki wpływające na produktywność pierwotną ekosystemów lądowych:
- temperatura
- wilgotność (raczej jej niedosyt) lub w mniejszym stopniu opady
- dostępność wszystkich składników pokarmowych, głównie N
- LAI
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
-
czas trwania LAI (gdy utrzymany jest pozytywny bilans węgla, tj. asymilacja C przeważa
nad oddychaniem)
Tutaj nie da się pływać. Co może roślina?
Albo pokryć grunt cienką warstwą, albo zbudować rusztowanie. Co jest skuteczniejsze: jeden
płaski liść, czy dużo mniejszych rozmieszczonych regularnie i ustawionych pod pewnym
kątem? Innymi słowy - jedno- czy wielowarstwowość? Przy ok. 25% pełnego
nasłonecznienia następuje wysycenie - fotosynteza nie może być już szybsza - opłaca się mieć
kilka warstw liści, które się częściowo ocieniają, ale w warunkach silnego ocienienia (lasy
tropikalne) lepiej mieć jedną warstwę (kształt „parasola”). Pojedyncza warstwa jest mniej
odporna na suszę - większe nagrzewanie i szybsze parowanie, w wielowarstwowym układzie
jest większa odporność na te czynniki. W wielowarstwowym układzie lepsza jest też
dostępność CO2
We wcześniejszych stadiach sukcesji lepiej mieć wielowarstwowy układ, a potem –
jednowarstwowy (gdy duże ocienienie)
Ubywanie światła wykładnicze wraz z głębokością, ale koszty budowy tkanek
strukturalnych rosną nieco wolniej wraz z wysokością roślin - NASILONA
KONKURENCJA O ŚWIATŁO FAWORYZUJE ROŚLINY ZWIĘKSZAJĄCE
WYDATKI NA WZROST WYSOKOŚCI
Forma roślin jest zawsze kompromisem pomiędzy rozlicznymi potrzebami: zdobywanie
zasobów, rozmnażanie, obrona przed roślinożercami, u lądowych dodatkowo - ochrona przed
wysychaniem, UV, ochrona przed wiatrem, okiścią, intensywnymi opadami deszczu, ogniem.
Zasymilowany węgiel musi wystarczyć dla różnych organów. To "za krótka koszulka" konkurencja między organami - różne priorytety w różnych sytuacjach środowiskowych.
Udział organów asymilacyjnych jest w sumie niewielki - u dojrzałych drzew - kilka %. Gdy
<%1 - drzewo przestaje przyrastać (NPP=0).
glony planktonowe - jednokomórkowe - bardzo gwałtowny wzrost; jeśli dobrze zaopatrzona
w pierwiastki rośnie i dzieli się bardzo szybko (nawet 50-60 razy w m-cu)
rośliny jednoroczne (słonecznik) - w jak najkrótszym czasie utworzyć jak najwięcej tkanek
(kilka tygodni - miesięcy); nieduże rozmiary - mała respiracja. W fazie kwitnienia przełączają
się na produkcję organów generatywnych - blisko 100% asymilatów lokowanych w owocach.
Jeśli warunki są niesprzyjające (np. niedobory biogenów) - trzeba rozbudować korzenie
kosztem liści - mniejsze zdolności konkurencyjne
byliny - najpierw rosną tak jak jednoroczne - inwestycja w wegetatywne części, potem
przemieszczają do organów magazynujących rezerwy (często podziemne jak u geofitów); w
kolejnym sezonie - najpierw łodyga i liście, kwiaty, owoce, potem znowu gromadzenie i
transport zapasów pod ziemię
drzewa - w pierwszych latach życia masa liści może stanowić nawet połowę, a potem coraz
mniej (1-5%) Liście to często jedyny żywiciel całego drzewa. U liściastych rezerwy większe
niż u iglaków - wiosną trzeba wystartować - ok. 1/3 materiałów zapasowych zużywana na
produkcję nowych liści (często najpierw kwitną - np. leszczyna, olsza), potem kambium,
nowe pączki, w końcu gromadzenie nowych zapasów.
Koszty reprodukcji (w kategorii zużytych asymilatów) są u drzew b. duże (sosny - 5-15%,
buki 20%, jabłonie 35% PPN) - rozwiązaniem jest produkcja owoców co kilka lat 2-3 (5) u
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
liściastych a 2-6 (10) u iglastych strefy umiarkowanej. W rejonach chłodniejszych jeszcze
rzadziej. W danym roku przetrwanie wieloletnich roślin jest ważniejsze niż wydanie
potomstwa. Potomstwo wydać można jeśli są pewne nadwyżki asymilatów. U iglastych
nowe pędy i liście produkowane w dużej mierze na bazie asymilacji starszych igieł, reszta
pochodzi z rezerw zgromadzonych w pędach i pniu.
Mimo że drzewa inwestują tak dużą część produkcji w organy inne niż asymilacyjne, lasy
mają wyższą produktywność od wielu ekosystemów rolniczych - DLACZEGO?
Rolnicze mające dużą wydajność i produktywność są subwencjonowane przez człowieka.
Produkcją różnych organów można "manipulować" wiedząc w jakich warunkach roślina
będzie preferować właśnie ich rozwój.
bonsai
Jak np. sprowokować drzewa, żeby produkowały więcej lepszego "surowca"?
oczyszczanie z dolnych pędów - przyrost na wysokość - szybsza produkcja w górnej części
pnia, trzebieże - przyrost na grubość.
Na ile gruby jest pień drzew? - Na tyle, żeby zapewniał wydajny kontakt pomiędzy
korzeniami a koroną. Duża korona potrzebuje grubszego pnia - chodzi o powierzchnię bielu,
w którym znajdują się wiązki przewodzące wodę i składniki pokarmowe
Inwestowanie w produkcję owoców - gdy umiarkowana susza, więźba sadzenia, kierunek
rzędów w stosunku do światła, eliminacja chwastów (konkurencja o zasoby), eliminacja
szkodników
inwestowanie w produkcję korzeni - gdy umiarkowany stres wodny i pokarmowy (N, P, S)
Ograniczona produkcja enzymów biorących udział w fotosyntezie (liściaste) - niższe tempo
fotosyntezy, mniejsza produkcja liści, większa część węglowodanów przemieszczana pod
ziemię
Co to jest produktywność? Można ją rozumieć jako
- odsetki od biomasy (kapitału podstawowego)
- wpłaty na konto
Wyrażana w jednostkach wagowych, energetycznych, w C (ok. 50% sm)
W latach 60. kiedy jasne stało się, że populacja ludzi wzrasta dramatycznie, powstało pytanie,
czy biosfera zdoła nas w perspektywie wyżywić. Duże nadzieje wiązano z oceanami. Powstał
boom na badania nad produktywnością wszystkich ekosystemów kuli ziemskiej (IBP).
Okazało się, że utylizujemy tylko ok. 1% produktywności pierwotnej biosfery.
PPB – produktywność pierwotna brutto = asymilacja węgla przez org autotroficzne
PPN – produktywność pierwotna netto = rzeczywisty przyrost biomasy autotrofów w
określonym czasie (np. rok) na określonej powierzchni (np. ha), czyli inaczej produkcja po
uwzględnieniu kosztów utrzymania (R) co można przedstawić następująco: PPN=PPB-R
PW – produktywność wtórna = produktywność organizmów heterotroficznych (zwierzęta,
grzyby)
PNE – produktywność netto ekosystemu = rzeczywista produkcja masy organicznej w
ekosystemie, czyli jest to PPB pomniejszona o straty na oddychanie (respirację=R)
wszystkich organizmów żywych zamieszkujących ten ekosystem;
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
R – respiracja (oddychanie) = straty energetyczne ponoszone przez wszystkie żywe
organizmy na wzrost, budowę i utrzymanie
Powierzchnia liści (LAI)
Asymilacja C
= produktywność pierwotna brutto (PPB)
Długość sezonu
wegetacyjnego
Wydajność
fotosyntetyczna
PPB zależy od 3 czynników – od wydajności fotosyntetycznej zielonych tkanek, od ilości
tych tkanek (mierzonej wskaźnikiem LAI) oraz od tego, jak długo tkanki te mają dodatni
bilans C (czyli przeważają procesy asymilacji nad procesami respiracji)
Między PPB a PPN istnieje ścisła zależność, bo wszystkie rośliny mają w zasadzie podobną
wydajność przekształcania asymilowanego CO2 na biomasę tj. ok. 40-60%. Problem jest taki,
że na poziomie ekosystemalnym praktycznie nie da się zmierzyć PPB, czyli asymilacji węgla,
trudne jest też oszacowanie oddychania (R). Dlatego w praktyce poszukuje się innych metod
oceny PPN
Rozmieszczenie produktywności jest bardzo nierównomierne: różnice w PPB są 10-100
krotne, a te z kolei są wynikiem różnic w LAI (lub zawartości chlorofilu - ok. 50-krotne
różnice między ekosystemami), a także różnic w zawartości wody i azotu (5-krotne różnice).
Różnice w przekształcaniu PPB w PPN są zaledwie 2-krotne - RESPIRACJA stanowi niemal
stałą wartość PPB (40-60%).
Jakie czynniki wpływają na PPN?
Czynniki wpływające na produktywność:



Klimat (temperatura, wilgotność itp.))
Składniki pokarmowe (głównie N)
Czas od ostatniego zaburzenia
a) temperatura
im wyższa temp - tym wyższa PPN, ale zmienność dalej duża - różnice ok. 4-5 krotne przy
danej temp
b) opady
im większe opady - tym wyższa PPN, ale zmienność równie duża - różnice 4-5 krotne przy
danych wartościach opadów rocznych - zależność jest w miarę silna dla niższych opadów (w
terenach suchych, gdzie woda jest czynnikiem w minimum)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
c) połączony wpływ temperatury i opadów oraz wody dostępnej w glebie - im większa
ewapotranspiracja, czyli suma parowania i transpiracji, tym wyższa PPN - zależność
krzywoliniowa na osiach zlogarytmowanych
Tam, gdzie jest niewiele wody, którą można odparować - pustynie
Tam, gdzie woda nie limituje transpiracji - lasy tropikalne
Zależność wynika stąd, że rośliny otwierając aparaty szparkowe pobierają więcej CO2, a
jednocześnie tracą wodę w wyniku transpiracji. W skali globalnej ilość wody dostępnej do
transpiracji wyznacza górną granicę produkcji roślinnej
Zależność ta jest bodaj najbardziej ścisła ze wszystkich przytaczanych, co oznacza,
że potencjalna ewapotranspiracja jest stosunkowo najlepszym predyktorem
produktywności pierwotnej netto w ekosystemach świata
Im większy niedosyt wilgoci (bardziej ujemny bilans wodny), tym niższa produktywność
Nawet w tej zależności pozostaje spora zmienność PPN - różnice pomiędzy lasami nawet
10-krotne
d) różnice w strukturze gleby i dostępności N - im większa zdolność zatrzymywania wody i
im wyższe tempo mineralizacji (uwalniania N) odpowiedzialne za dostępność N, tym
większa PPN - zależność krzywoliniowa
PPN
Tempo mineralizacji N
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Te same czynniki co powyżej wymienione determinują też LAI (temp, ewapotranspiracja) –
LAI, czyli powierzchnia asymilacyjna roślinności jest zatem równie dobrym wyznacznikiem
NPP w ekosystemie.
PPN znacznie lepiej (ściślej) koreluje z max LAI niż z jakimkolwiek innym gradientem
środowiskowym
Z kolei próba szacowania PPN jako PPB - R jest praktycznie niemożliwa (PPB nie można
dokładnie oszacować zwłaszcza na poziomie ekosystemalnym), stąd też inne wzory i metody
wyznaczania PPN. Poszukiwano prostych do mierzenia wskaźników, które dobrze opisują
produktywność netto.
a) LAI + rozmieszczenie na pędzie, przechwytywanie promieniowania, wydajność
fotosyntetyczna liści, koszty utrzymania, śmiertelność
b) LAD - iloczyn LAI i liczby dni, kiedy może być utrzymany pozytywny bilans C (sezon
wegetacyjny) - dobrze koreluje z PPB
PPN = NAR × LAI × t = NAR × LAD
Eksperymentalne badania wykazały, że im większa wartość LAI, tym wyższa
produktywność, Ważne, że im lepsze warunki środowiska, tym wyższe jest LAI i tym
wyższa może być PPN
A ZATEM - PPN JEST FUNKCJĄ DOSTĘPNOŚCI ZASOBÓW ŚRODOWISKA I
STRUKTURY ZBIOROWISKA
Wszystkie czynniki powodujące redukcję LAI lub LAD (zanieczyszczenia, niszczenie
roślinności) będą w konsekwencji prowadzić do redukcji PPN.
Zarówno LAI, jak i produktywność pierwotna netto zmieniają się w danych warunkach
środowiska wraz z wiekiem. Rzadko mamy do czynienia z sukcesją pierwotną, częściej z
wtórną, która może być skutkiem naturalnych lub antropogenicznych zaburzeń (pożary,
pozyskanie, huragany, itp.). Niezależnie od czynnika przebieg zmian produktywności w
czasie jest z reguły wszędzie podobny, tzn. najpierw szybki wzrost, max w dość młodym
wieku, potem spadek (średnio o 34%), max o 76% - tzn. lasy produkują znacznie wolniej w
starszym wieku, wolniej też wiążą C - ważne w kontekście globalnego obiegu węgla i roli
lasów w ocieplaniu klimatu.
PPB
1
R
PPN
0
Czas (lata)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Zakres początkowego wzrostu różny w różnych środowiskach. Ostrzejszy, szybszy wzrost
typowy np. dla borów sosnowych podatnych na pożary; wolniejszy, bardziej spłaszczony
szczyt - typowy dla liściastych strefy umiarkowanej, tropikalnych - ale nie jest to regułą.
Ogólnie tempo wzrostu NPP z wiekiem zależy od zasobności środowiska i zagęszczenia
roślin - max NPP nawet po kilku latach
3 hipotezy dlaczego NPP spada w późniejszych stadiach sukcesji (rozwoju lasu)
PPB ma charakter asymptoty, lub zmniejsza się w starszym wieku. Choć nie potrafimy w
ekosystemach zmierzyć dokładnie PPB wiemy, że PPB jest w zasadzie funkcją LAI - Im
więcej powierzchni asymilacyjnej tym większa jest całkowita fotosynteza.
LAI rośnie szybko, dopóki warunki świetlne na to pozwolą - potem się stabilizuje lub nieco
zmniejsza - MAX LAI przy dochodzeniu do zwarcia (najsilniejsza konkurencja o światło)
Asymptota - prawdopodobnie we wcześniejszych stadiach sukcesji
- gdy LAI i rozmieszczenie liści nie zmienia się
- gdy gatunki tworzące zbiorowisko utrzymują podobne tempo fotosyntezy i respiracji w
danych warunkach świetlnych
Kiedy możemy mieć do czynienia ze spadkiem PPB?
- jeśli warunki przenikania światła w głąb lasu się zmienią - przybywa grubych gałęzi większe ocienienie
- zmiany w składzie gatunkowym
- tworzenie się luk - sumaryczne LAI jest mniejsze niż w drzewostanie
Jednocześnie całkowita biomasa rośnie niemal prostoliniowo, podobnie rośnie respiracja
roślin, ponieważ zależna jest od ilości żywych tkanek. Z różnicy pomiędzy PPB a Ra wynika
spadek PPN - Wzrost kosztów utrzymania wraz ze stałą lub zmniejszającą się asymilacją C
wynikający ze zmieniającego się udziału tkanek fotosyntetycznie aktywnych do wszystkich
żywych (oddychających) tkanek (liście, kambium, biel)
Jednak okazuje się, że całkowita ilość żywych tkanek nie wzrasta w późniejszych stadiach
sukcesji tak bardzo. Część obumiera i w istocie większa część "biomasy" to martwe tkanki,
które nie oddychają. Eksperymentalnie dowiedziono, że respiracja na utrzymanie istniejących
tkanek praktycznie nie wzrastała, a respiracja na budowę i wzrost tkanek nawet zmniejszała
się z wiekiem
Jeśli H1 ma gdzieś zastosowanie, to w ciepłym klimacie w starych drzewostanach - wzrost
fotosyntezy liniowy potem stały, a respiracji wykładniczy wraz z temp
H2 - wraz z rozwojem drzewostanu pogarszają się warunki odżywiania się biogenami,
głównie N - akumulacja pierwiastków w biomasie i/lub zmniejszenie tempa mineralizacji
Wiadomo, że tempo mineralizacji, które reguluje dostępność N, spada wraz z wiekiem proporcja liści do drewna w produkowanej ściółce zmniejsza się z wiekiem (obumierają całe
drzewa, pnie trafiają do detrytusu, a liści niemal stały udział),
- C:N produkowanej ściółki wzrasta (pnie zawierają mniej N, przyczynia się resorpcja)
- obumarłe pnie i gałęzie mają stosunkowo małą powierzchnię do objętości w porównaniu z
drobnymi pędami i liśćmi
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
SKUTEK - spadek tempa rozkładu ściółki i uwalniania pierwiastków
Wraz z wiekiem zmniejsza się zapotrzebowanie na pierwiastki (np. wskutek wycofywania) i
ich pobieranie, ale pobieranie zmniejsza się szybciej niż zapotrzebowanie - gdy nawożono
starsze drzewostany następował gwałtowny przyrost
Gdy zmniejsza się dostępność N - większa alokacja pod ziemię - nikt tego nie bada
H 2 - w lasach borealnych, gdzie dekompozycja ograniczana dodatkowo niskimi
temperaturami
H 3 - najnowsza - wraz z wiekiem pnie i pędy coraz dłuższe/ wyższe - stąd większe opory
hydrauliczne, bo dłuższa droga transportu wody
drzewa zmniejszają stopień otwarcia szparek, żeby utrzymać stały strumień w kolumnie
wody; Jeśli szparki przymknięte - wolniejsza fotosynteza; w starszych lasach szparki
zamykane wcześniej w ciągu dnia - H3 - w klimacie chłodniejszym?
dążenie ekosystemów do zapełniania przestrzeni biomasą do pewnego pułapu
Jakie są losy NPP w ekosystemie?
PPN = B + L + G
1) może zostać zakumulowana w biomasie (B)
2) może być zjedzona przez roślinożerców i włączona do łańcucha spasania (G)
3) może opaść w postaci ściółki - łańcuch detrytusowy
4) eksport lub inne zaburzenia (pożar, pozyskanie, itp.) (L)
B
przyrost biomasy w ekosystemach lądowych ma wszędzie podobny charakter (w lasach
większa amplituda i dłuższy czas do osiągnięcia maksimum, w ekosystemach trawiastych i w
tundrze - szybciej, ale mniejsze wartości B - z drugiej strony zaburzenia, jeśli już się zdarzą w
lesie, będą miały większy wymiar niż na inne ekosystemy)
- listowie akumulowane gwałtownie (jak LAI), potem bz lub spadek (gdy pierwsza generacja
drzew obumiera zanim wkroczy następna)
- wolniej akumulowane są gałęzie
- jeszcze wolniej pnie, ale za to o wiele dłużej
- korzenie - nie wiadomo (drobne być może podobnie jak listowie, a grube - jak gałęzie i
pnie)
w konsekwencji zmieniają się proporcje pomiędzy różnymi składnikami biomasy
4 alternatywne modele akumulacji biomasy (Peet 1981):
- asymptotycznie (klasyczny układ proponowany przez Oduma) - gdy rozpatrujemy krótki
czas lub środowiska, gdzie wzrost jest bardzo powolny
- wzrost, max i spadek - przy przejściu z jednowiekowego (często jednogatunkowego
drzst) do kolejnych generacji (wypadanie drzew - luki, zarastanie)
- seria oscylacji - gwałtowniejsze wzrosty i spadki - gdy więcej czasu potrzeba na
zapełnienie luki, gdy luki są większe
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
-
wzrost, max i powolny spadek do b. małych wartości - gdy immobilizacja pierwiastków w
ściółce - w b. chłodnych i ubogich rejonach
W większości systemów lądowych największa część energii PPN przekazywana jest do ł.
detrytusowego (w lasach nawet 95%). Na początku ściółki tworzy się niewiele, potem
coraz więcej, ale głównie liście i drobne gałęzie i korzenie (liście - ok. 70% ściółki
nadziemnej). Wraz z wiekiem wzrost udziału części zdrewniałych - podobny trend
zmian jak zmiany w akumulacji biomasy
Przejście do ł. detrytusowego kontrolowane z dołu (ilością i jakością produkowanej
ściółki), a nie z góry - nie ma presji organizmów na tę pulę energii jak u roślinożerców,
choć trochę tu mają wpływ patogeny grzybowe
wysoce stabilny przepływ z roku na rok (w ł. spasania mogą być gwałtowne fluktuacje np. przez gradacje)
Masa detrytusu może być wielokrotnie większa niż masa żywych roślin, zwłaszcza jeśli
potraktujemy go łącznie z próchnicą
Kluczowa rola w ekosystemach ze względu na właściwości fizyko-chemiczne - np.
zachowanie struktury gleby, zatrzymywanie wody i pierwiastków, ale też hamowanie
odnowienia i jako baza energetyczna i środowisko życia ogromnej różnorodności
organizmów ściółkowo-glebowych
Dopóki zaburzenia dotyczą biomasy - nie muszą być znaczne (chyba, że w tropikach),
gorzej, jeśli dotyczą też detrytusu i próchnicy (np. wielkie pożary - Rudy Raciborskie) naruszenie tych zasobów świadczyć będzie o tym, jak szybkie będzie tempo odbudowy
ekosystemu
Akumulacja detrytusu:
- asymptotycznie - jeśli bierzemy pod uwagę krótki czas, lub sukcesje pierwotną
- gromadzi się, ale zanim osiągnie max, przychodzi pożar
Wykorzystanie detrytusu jako bazy energetycznej jest dość skomplikowane: b. dużo gat,
często b. małych o b. szybkim tempie przemian metabolicznych - głównie bakterie i grzyby ich "działalność" polega na wydzielaniu enzymów i zewnętrznym "trawieniu" masy
organicznej ( w wodach szczątki ulegają często fizycznemu rozpuszczeniu)
Żyją też zwierzęta glebowe - np. pierwotniaki, skoczogonki, roztocza, nicienie, pierścienice,
wije, stonogi, TERMITY - też konsumują ściółkę wraz z mikroorganizmami - dodatkowo
rozdrabniają materiał i ułatwiają jego rozkład grzybom i bakteriom (gdy ściółkę umieścimy w
woreczku - brak dostępu zwierząt - jej rozkład będzie dużo wolniejszy). Wydaliny będą znów
atakowane przez bakterie i grzyby
Ogólnie działalność wszystkich destruentów sprowadza się do tego, że tuż po zaburzeniu
pozostała ściółka jest szybciej utylizowana (większy dostęp światła - wyższe temp, większa
wilg - bo mniejsza transpiracja), stąd też akumulacja zmniejsza się, a potem rośnie
Ogólnie ilość zakumulowanej ściółki jest tym większa im chłodniejszy klimat (wolne tempo
rozkładu) i im większa wilgotność (szybsza produkcja ściółki)
przejście do ł. spasania - marginalne w przepływie energii w układach lądowych, ponieważ
pokarm mało dostępny, trudno strawny dla zwierząt, obrona mechaniczna i chemiczna roślin;
Jednak b. ważny ważne dla funkcjonowania ekosystemu. We wcześniejszych stadiach
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
sukcesji rośliny są częściej i w większym stopniu narażone na atak roślinożerców, ale mają
szybsze tempo wzrostu. W późniejszych fazach więcej na obronę, ale wolniejsze tempo
wzrostu i mniejsze narażenie. Czasem jednak dochodzi do gradacji - zjedzenia wszystkich
liści - szczególny rodzaj zaburzenia
Eksperyment z nawożeniem cukrem, azotem, trzebież+nawóz. Tam, gdzie drzewa miały
lepsze zaopatrzenie - miarą była wydajność produkcji drewna, skuteczniej się broniły
Czasem skuteczniejsza obrona (oparta o C) wynika z lepszych warunków świetlnych, a nie
pokarmowych
Istnieje pozytywna zależność pomiędzy czasem od ostatniego zaburzenia a
intensywnością kolejnego zaburzenia - im dłuższy czas minął, tym bardziej ostre
zaburzenie - przykład - pożary przyziemne a pożar wysoki w drzst. sekwoi w
Yellowstone
Prawdopodobnie istnieje pewien optymalny poziom zaburzeń (zazwyczaj niewielki),
który utrzymuje dużą żywotność roślin, co minimalizuje straty ich biomasy
Jeśli jednak dojdzie do gradacji - może być pozytywny efekt dla PPN
Wszystkie omówione procesy składają się na NEP, czyli produkcję netto całego ekosystemu.
To nie zostało w pełni zutylizowane (wydatkowane) przez rośliny i wszystkie zwierzęta
(zamienione na ciepło) będzie się gromadziło w biomasie lub ściółce
NEP może być ujemna - tuż po zaburzeniu (respiracja większa niż produkcja) lub
pozytywna (produkcja większa niż respiracja) - w trakcie powolnej sukcesji z
maksimum przypadającym gdzieś pomiędzy (gdy osiągane maksymalną NPP), a potem
w starszych stadiach spada do ok. 0.
Poziom troficzny:
Funkcjonalna grupa organizmów wewnątrz biocenozy, do których pokarm trafia poprzez tę
samą liczbę ogniw;
Poziomy troficzne wyróżnia się na podstawie źródeł energii z jakich korzystają organizmy, a
nie na podstawie ich przynależności gatunkowej
Dany organizm może funkcjonować w obu łańcuchach i na kilku poziomach troficznych
jednocześnie (mierzy się to udziałem różnego pokarmu w diecie), np. dzik może być
roślinożercą, drapieżcą, padlinożercą
Problematyczne jest też umieszczenie pasożytów i symbiontów w łańcuchach troficznych.
Łańcuchy troficzne:
Wyróżnia się dwa typy łańcuchów: ł. spasania i ł. detrytusowy. Róznią się one przede
wszystkim podstawą, czyli źródłem energii. W ł spasania podstwą tą jest produkcja pierwotna
netto, a w ł detrytusowym – martwa materia organiczna. Różnica między łańcuchami,
szczególnie w ekosystemach leśnych polega na tym, że łańcuchy są rozdzielone w czasie i w
przestrzeni, tzn. ł spasania funkcjonuje głównie w koronach, a głównymi roślinożercami są
owady, natomiast w ł detrytusowym większość przemian energetycznych zachodzi w układzie
ściółkowo-glebowym. Tutaj pierwszy poziom konsumentów tworzą grzyby i bakterie
rozkładające ściółkę oraz koprofagi, padlinożercy itp.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Wydajność konsumpcji roślinożerców, czyli jaki % energii przepływa łańcuchem spasania, a
jaki – detrytusowym
Lasy
1-5%
Ekosystemy trawiaste
10-60
-z dominacją dużych ssaków roślinożernych 25-50
-z dominacją owadów i małych ssaków
5-15
Pelagial
30-40
Oceany
60-99
Wyjaśnieniem jest budowa roślin w różnych typach ekosystemu, omówiona już poprzednio.
W lesie duży udział tkanek zdrewniałych, sporo substancji obronnych (najpowszechniejszy to
ligniny i polifenole) W wodach tkanki małe, miękkie, zielone, nadające się w całości do
zjedzenia, mało substancji obronnych
Obrona roślin przed roślinożercami:
 Ucieczka w czasie i przestrzeni
 Obrona mechaniczna
 Obrona chemiczna
o związki niestrawne (obrona ilościowa)
o związki trujące (obrona jakościowa)
o mała wartość odżywcza
Wpływ na obronę mają czynniki:
-genetyczne
-środowiskowe
-sezon
W ekosystemach ubogich przeważa obrona na bazie związków węgla – zwykle nie są to
trucizny, raczej tkanki niestrawne o małej wartości odżywczej. W ekosystemach zasobnych
dominacja obrony opartej na azocie – dużo rozmaitych trucizn, nie potrzeba ich produkować
w dużych ilościach
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Ucieczka w czasie typowa dla roślin krótkowiecznych, które „przesuwają” pory swojego
występowania, kwitnięcia i owocowania tak, by rozminąć się w czasie z potencjalnymi
agresorami
Ucieczka w przestrzeni typowa np. u drzew – ucieczka koron drzew w górę „spod pyska”
jeleniowatych
Rola roślinożerców w przepływie energii i obiegu materii:
Różnicowanie produkcji i przepływu energii (biomasy) w ekosystemach:
Przyspieszanie obiegu w zasobnych środowiskach
Nieznaczne przyspieszanie w środowiskach ubogich
Różnicowanie przepływu pierwiastków –
większe znaczenie niż dla biomasy (energii) ze względu na duże zróżnicowanie różnych
organów w składniki mineralne oraz wybiórczość pokarmową. Roślinożercy przyspieszają
obieg materii w ekosystemach poprze następujące procesy:
- wydalanie – rozdrobnienie materii, szybszy rozkład
- uszkodzenia tkanek nadziemnych – szybsze wymywanie
- zamieranie drobnych korzeni – większa produkcja ściółki podziemnej
- żer rozrzutny – produkcja „zielonej”, bogatszej ściółki
- obumieranie zwierząt – wzbogacanie ściółki
- większy dostęp światła, wody i składników mineralnych – stymulacja
aktywności mikroorganizmów i tempa mineralizacji,
stymulacja produkcji nowych tkanek, „cofanie” sukcesji
PRZYSPIESZENIE OBIEGU PIERWIASTKÓW!!!!!!!!!!!!!
Koncepcje dotyczące długości łańcuchów troficznych:
 produktywność ekosystemu
 więcej poziomów – mała stabilność
 ograniczenie max. wielkości ciała
 „wielowymiarowość” ekosystemów
Rozwinięcie wątku w książce J. Weinera „Życie i ewolucja biosfery” – rozdział pt. „Od czego
zależy długość łańcuchów troficznych”
Podstawowe składniki tworzące materię organiczną to C, O, H, N, P, K, Ca, Mg, S – tzw.
makroelementy, a także mikroelementy takie jak np. Zn, Fe, Mn, Co, Cu, Mo. Istnieją też
pierwiastki o naturze toksycznej dla organizmów żywych, głównie Pb, Cd i Hg
Zalety C jako pierwiastka tworzącego podstawę związków organicznych:
- doskonały „szkielet” związków organicznych
- możliwość tworzenia różnych wiązań (1-, 2- 3-)
- możliwość tworzenia związków cyklicznych (łańcuchy proste, rozgałęzione,
pierścienie, łańcuchy pierścieni)
- możliwość przyłączania innych pierwiastków (związki heterocykliczne)
Istnieje kilka mln znanych związków C, m.in.
sacharydy, aminokwasy, białka, lipidy, terpenoidy, alkaloidy, ligniny, garbniki, fenole
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
 Niedobory biogenów w przyrodzie są powszechniejsze niż nadmiary
 Więcej mechanizmów zdobywania i oszczędzania niż usuwania nadmiarów
 Każdy pierwiastek w nadmiarze może być toksyczny; Nadmiary (bezwzględne i
względne) są bardziej niekorzystne niż niedobory
Obieg pierwiastków – schemat (pule i przepływy)
Mechanizmy zdobywania pierwiastków biogennych przez rośliny:
Pobieranie z gleby:
 Dyfuzja (N, P, K)
 Przepływ z wodą (Ca, Mg, mikroelementy)
 Wymiana kontaktowa
Zjawisko dyfuzji - Gleba zaopatrywana jest w pierwiastki w postaci mineralnej jonowej z
kilku źródeł: z wietrzenia, z mineralizacji materii organicznej w glebie, z opadów
atmosferycznych. Korzenie roślin przerastają glebę i pobierają jony z wody glebowej, przez
co tworzy się gradient zawartości tych jonów (przy korzeniach zawartości mniejsze) i w
związku z tym następuje powolny przepływ tych substancji w stronę korzenia.
Przepływ z wodą – pod wpływem prądu transpiracyjnego z wód glebowych pobierane są
powszechne tam kationy
Wymiana kontaktowa – małe znaczenie, polega na jonowymienności na powierzchni
korzeni – jeden jon może być wymieniany za inny jon o identycznym ładunku i
wartościowości, zwykle polega to na wydzielaniu kwasów organicznych przez korzenie. Jon
wodorowy będący częścią kwasu wypiera z gleby inne jony naładowane dodatnio, np. NH4+,
które dzięki temu mogą zostać zaabsorbowane przez roślinę
Istnienie związków mikoryzowych:
Rola mikoryz w pobieraniu składników pokarmowych:
wzrost wydajności pobierania dostępnych pierwiastków poprzez
zwiększenie powierzchni chłonnej
ektomikoryzy – 0,5-15 m/cm korzeni
u wrzosowatych – 80% objętości systemu korzeniowego
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
wzrost dostępności pierwiastków (P-PO4, N-NH4) poprzez
produkcję specyficznych enzymów, które przyspieszają rozkład materii organicznej
pobieranie form organicznych
w skrajnie ubogich i kwaśnych glebach jest możliwe pobierania przez grzyby mikoryzowe
prostych substancji organicznych zawierających azot (np.. aminokwasy) i doprowadzanie ich
do roślin bez całkowitej mineralizacji.
Symbiozy z bakteriami wiążącymi N atmosferyczny
Dopływ atmosferyczny
Duża powierzchnia przechwytująca (czyli innymi słowy duża powierzchnia listowia w lasach)
pozwala „wyczesywać” powietrze z różnych związków gazowych i aerozolowych (jony w
kropelkach wody, drobne pyły). To, co się przyczepi do liści i pędów może być następnie
spłukane pod korony drzew i pobrane przez korzenie. W ten sposób roślinność leśna może się
skuteczniej zaopatrywać w biogeny niż np. roślinność łąkowa
Absorpcja jonów z opadów atmosferycznych
Na zasadach jonowymienności, np. jon NH4+ może wypierać inne kationy z liści, np. K+ i
wnikać do tkanek, a K zostanie wymyty i może zostać następnie pobrany przez korzenie. Taki
sposób zaopatrywania się w związki azotu doczekał się wykorzystania praktycznego np. w
szkółkach leśnych przy tzw. nawożeniu dolistnym
Mechanizmy oszczędzania pierwiastków:
Zimozieloność – biogeny nie trafiają do obiegu, tylko są przetrzymywane na drzewach, dzięki
czemu nie trzeba ich ponownie pobierać z gleby – szczególnie ważne w klimacie o krótkim
sezonie wegetacyjnym
Akumulacja materiałów zapasowych w różnych organach (np. bulwy, kłącza, pędy)
Obecność substancji obronnych i ochronnych, które chronią przed zjedzeniem, np. polifenole,
ligniny, kutyna – w ten sposób ograniczane jest spasanie przez roślinożerców i zmniejszony
jest opad ściółki
Resorpcja biogenów (=wycofywanie z obumierających tkanek) – ok. 75% N, P i K
wieloletnie rośliny przemieszczają z obumierających tkanek do innych, które pozostaną żywe.
U nas dzieje się to w okresie, kiedy przebarwiają się liście. Substancje organiczne sa najpierw
rozkładane na nieco prostsze, a następnie transportowane w obrębie rośliny. Skutki dla obiegu
pierwiastków są następujące:
- ograniczenie strat (korzyść rośliny), ale mniejszy opad organiczny
- zubożenie ściółki w biogeny (niższa wartość odżywcza dla saprofagów)
- spowolnienie rozkładu materii
Mechanizmy zwrotu materii i pierwiastków do obiegu:
 Produkcja ściółki roślinnej
 Obumieranie zwierząt i wydalanie
 Wymywanie pierwiastków z żywych tkanek roślinnych
Dlaczego rośliny produkują ściółkę?
1. fizjologiczne obumieranie całych roślin (ze starości)
2. zaburzenia (np. huragany)
3. „przeczekanie” okresów niesprzyjających (susza, zima)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
4. eksploatacja nowych zasobów np. w glebie dochodzi do wyczerpywania się zasobów
wokół korzenia, wówczas on zamiera, ale w miejscu, gdzie jest większe nagromadzenie
substancji odżywczych wyrasta nowy korzeń
5. eliminacja tkanek nieużytecznych – np. oczyszczanie się drzew z gałęzi i liści położonych
w zacienionych partiach koron – gdy światła jest za mało, żeby utrzymać pozytywny bilans C
(przewagę asymilacji nad respiracją) pędy obumierają, ale przyrastają nowe w szczytowych,
oświetlonych partiach koron
6. pozbywanie się patogenów – życie organów zaatakowanych przez patogeny jest nawet 20x
krótsze niż zdrowych
Rola wymywania w ekosystemach
Wymywanie – proces bierny - ok. 15% rocznego zwrotu z części nadziemnych w formach
łatwo przyswajalnych, jonowych, czyli bardzo szybkie tempo obiegu
Wymywanie są jony – jednak zawsze odbywa się to na zasadach jonowymienności (jon za
jon, koniecznie równe wartościowości)
Spora część wymytych jonów może być powtórnie pobrana z gleby przez roślinę, ale część
mogą też przechwycić inne organizmy (inne rośliny lub mikroorganizmy glebowe, np. grzyby
mikoryzowe), w ekosystemach istnieje duża konkurencja o zasoby pomiędzy różnymi
grupami organizmów
Proces wymywania może odtruwać rośliny narażone np. na zatrucie metalami ciężkimi, np.
Zn (są dowody naukowe)
Inny przykład na korzyści to wymywanie Ca2+ - rośliny nie mogą przemieszczać tego
pierwiastka w tkankach i często młode liście cierpią na niedobory, gdy w starszych jest
kumulacja. Jeśli Ca zostanie wymyty, może zostać pobrany przez korzenie i doprowadzony
do młodszych tkanek
Czynniki oddziałujące na tempo wymywania pierwiastków z tkanek:
1. Ilość i jakość opadów
deszcz, śnieg
pH, zawartość NH4+
2. Typ roślinności
-powierzchnia kontaktu
-skład chemiczny tkanek
-warstwy ochronne
-kształt i ustawienie liści
-sezonowość
3. Pora roku
4. Uszkodzenia tkanek
-czynniki mechaniczne (wiatr)
-czynniki biotyczne (roślinożercy)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)