Abiotické faktory prostředí ve vztahu k produktivitě agroekosystémů, mikroklima porostů 1.
Radiační bilance
Bilance energie záření - všech zisků a ztrát energie krátkovlnné (dopadající a odražené) a dlouhovlnné (vyzařované) radiace – se nazývá radiační bilance (Rn), jinak bilance energetická (ne zcela totožná s bilancí tepla): Rn = H + λE + B , kde H je tok zjevného tepla, λE tok latentního tepla, B tok tepla pod aktivní povrch porostu R −B λE = n , kde H/λE je tzv. Bowenův poměr β H (1 +
a)
λE
)
za jasného letního dne v malých zeměpisných šířkách
b)
za zataženého dne či ve velkých zeměpisných šířkách
1
H + λE = zjevné a latentní teplo Metoda Bowenova poměru
Rn = H + λE β = H / λE Rn E = -----------λ.(1 + β)
Rn – radiační bilance [J/m2] H – zjevné teplo [J/m2] E – evapotranspirace [kg/m2] λ – výparné teplo [2500 kJ/kg H2O] Čili: dokážeme-li zjistit hodnotu Bowenova poměru, dokážeme lehce vypočítat skutečný výpar. 2
Princip měření Bowenova poměru
t2 – t 1 β = γ . -------------e2 – e1 kde γ = psychrometrická konstanta 66Pa/°C
3
Disipace energie bilance záření ve vlhkém tropickém klimatu (Brazilie, Vietnam), v tropickém suchém klimatu (Egypt, Afrika) a mírném klimatu (Francie, Rusko).
4
Beerův zákon
Φ = Φ (0 ) e − kχ
, kde k = koeficient extinkce (u rostlin poměr zastíněné plochy listů k celkové listové ploše) χ = dráha paprsku (u rostlin kumulativní LAI)
7
Základní veličiny
Záření - obvykle používaná čidla k měření globálního záření [Rg] pyranometry: termočlánkový
diodový
8
Základní veličiny
spektrum citlivosti pyranometru: termočlánkového
diodového
9
Základní veličiny
bilancoměry (spektrální citlivost pro všechny vlnové délky, [Rn])
10
2.
Teplota
9
Teplotní klima porostu dáno disipací energie, jejíž hlavní zóna leží v úzkém pásu aktivního povrchu (v horkém letním dni o více jak 4°C teplejší vzduchu v lesích, o více jak 6°C teplejší vzduchu na lukách mírného pásma).
9 pod uzavřeným rostlinným krytem půda nepřijímá ani nevydává tolik energie – diurnální kolísání teploty je poměrně malé
9 čím hlubší vrstva půdy, tím nižší je amplituda teploty a později je dosaženo extrémů
9Rozmezí teplot pro udržení života – optimální, minimální a maximální hodnoty. 9Suchozemské cévnaté rostliny tzv. eurytermní se širokým rozpětím teplot (-5 až +55°C) 9Vodní rostliny mívají úzké rozpětí teplot pro přežití, nazývají se stenotermní. 9U nadzemních částí rostlin bývá teplotní optimum pro dlouživý růst prýtů mezi 30 – 40°C u rostlin tropických a 15 – 30°C u všech ostatních rostlin. Teplotní rozmezí pro růst kořenů bývá obvykle širší, minimum pro růst kořenů dřevin mírného pásma leží mezi 2 – 5°C, rostliny teplejších oblastí počínají aktivitu kořenů při vyšších teplotách (rod Citrus kolem 10°C). 9Ozimé, dvouleté rostliny a některé dřeviny vyžadují projít obdobím chladu (-3 až +13°C), aby vykvetly – tzv. jarovizaci. 9Plody a semena vyžadují ke zrání a klíčení více tepla než vegetativní části rostlin, na stanovištích s kratším vegetačním obdobím roste význam vegetativního způsobu rozmnožování.
12
Základní veličiny Odporová čidla: Pt100, Ni100, termistory
- přesné - reprodukovatelné - malý dyn.rozsah Výjimka - termistory: - menší přesnost - horší reprodukovatelnost - velký dyn. rozsah
13
Termoelektrická čidla: Cu-Ko, Fe-Ko, Ni-Fe,… (typ T, J, K,…)
- přesné - reprodukovatelné - malé výstupní napětí 14
Infrateploměry - teplota povrchu
15
3.
Vlhkost a voda v prostředí Voda hraje klíčovou roli v životě na Zemi. Neustále probíhá výměna vody mezi souší, moři a atmosférou – hydrologický cyklus: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Výpar Kondenzace Transport Srážky Infiltrace Povrchový stok a podpovrchový odtok a akumulace
16
Změny skupenství vody: Proces
Změny skupenství
Spotřeba (-) nebo produkce (+) tepla
kondenzace
pára - voda
2500 J/g
vypařování
voda - pára
-2500 J/g
tuhnutí vody
voda - led
333 J/g
tání ledu
led - voda
-333 J/g
desublimace
pára - led
2833 J/g
sublimace
led - pára
-2833 J/g
Skupenství vody závisí na její vnitřní energii:
2500 Jg-1 je zapotřebí k výparu
333 Jg-1 se uvolňuje při tuhnutí vody
(přesněji λ = 2501 - 2,36t … Jg-1)
17
Tlak nasycené vodní páry:
⎛ ct ⎞ E = c1 exp⎜⎜ 2 ⎟⎟ ... Tetens; c1 = 6,1078; c2 = 17,558; c3 = 241,88 ⎝ c3 + t ⎠ Psychrometrická rovnice: e c3 ln c1 e = E´- j = E´- (t – t´) tg β = E´- (t – t´)γ τ= e kde (t – t´) = psychrometrická diference, (c2 − ln ) c1
ρ =a=
102 e M RT
tg β = psychrometrická konstanta (značená γ) E E´
Eτ
d=E-e j = E´- e
e
β
τ
t´
t Monteith, 1975
18
Vlhkost se do atmosféry dostává výparem a může být ve stavu: a) rovnováhy b) nerovnováhy s c) nerovnováhy s převahou kondenzace převahou výparu
Obecný průběh vodní bilance během roku: (1) srážky, (2) potentiální evapotranspirace, (3) skutečná evapotranspirace, (4) nadlepšení, (5) deficit, (6) využití půdní vláhy a (7) doplnění půdní vláhy (dle Thornthwaite and Mather, 1955, The water balance, Publ. Climatol. 8, 9–86 )
Výpar lze stanovit: a) potenciální: 9měřením (Picheho výparoměr, výparoměr GGI3000…) 9empirickými metodami (dle Turca, Priestley-Taylora, Linacrea, Thornthwaita …) 9kombinovanými metodami (metoda Penman-Monteithova, kombinovaná metoda Penmanova) b) aktuální: 9měřením (pomocí lyzimetru, klimatizovanými komorami…) 9metodou vodní bilance 9fyzikálními metodami (metoda energetické bilance19 Bowenova, metoda „eddy correlation“, stanovení transpirace)
Základní veličiny
Srážky - tipping bucket - princip
20
Základní veličiny
Srážkoměr Met One 370
Srážkoměr SR03
Srážkoměr ARG100
21
Základní veličiny Vzdušná vlhkost – princip měření • metoda hygroskopická (vlasové vlhkoměry, hygrografy) • metoda psychrometrická (psychrometry ventilované – aspirační a neventilované) • měřiče rosného bodu • infraanalyzátory • kapacitní vlhkoměry
22
4.
Cirkulace vzduchu, větrný profil Přímý vliv na rostliny: •desikace
Teorie turbulentní difuze.
•zakrňování •deformace •poškození a vykořenění •eroze - větrolamy •přenos škůdců a šíření semen
23
Základní veličiny
Vítr Směr a rychlost x vektor rychlosti
24
5.
Periodicita – klimatické rytmy, fenologie
• rotace Země spolu s náklonem zemské osy způsobuje periodické změny množství disponibilní energie během dne (diurální změny - diurnální fotoperiodicita, termoperiodicita) i roku (sezónní fotoperiodicita, termoperiodicita, hydroperiodismus) • diurnální rytmus má vliv na: •
procesy spojené s fotosyntetickou asimilací
•
aktivitu dýchání – disimilaci
•
propustnost protoplasmy a transport látek
•
růstové procesy
• fáze vývoje jedince mají svoji posloupnost, probíhající podle geneticky zakódovaných norem za spoluúčasti fytohormonů v součinnosti s vlivy prostředí (nucené - aitionomické a vrozené - autonomické přerušení růstu rostlin, fyziologické hodiny s predormancí, dormancí a postdormancí) • cyklus rašení, kvetení, tvoření a zrání plodů a stárnutí v závislosti na počasí sleduje fenologie • tzv. fenofáze závisí v první polovině roku na teplotách, resp. překročení určitých teplotních hranic (u časně kvetoucích druhů nižších, u pozdně kvetoucích vyšších), v druhé polovině roku nabývají na významu spíše teplotní sumy - aktivních, efektivních teplot - než prahové hodnoty, spolu s dalšími vlivy, jako jsou fotoperioda, zásoba vody, živin • k podrobnější analýze vlivu faktorů prostředí slouží fenometrie, popisující kvantitativně růstové charakteristiky, kupř. kambiální růst prostřednictvím dendrometrie
25
Fotoperioda ovlivňuje kvetení, vzcházení semen, opad listí, podzimní barvení listů. Hlavním fotoreceptorem rostlin je pigment fytochrom, mající formu s absorbcí záření 660 nm, převažující v noci a 730 nm vlnové délky, převažující přes den, mající biologicky aktivní účinky. Dle převahy jednotlivých forem a z ní plynoucího období přechodu vegetativní fáze v generativní rozlišujeme krátkodenní (chryzantéma) a dlouhodenní (jahoda) rostliny.
26
6.
Vliv vnějších faktorů na výměnu CO2
27
Méně obvyklé veličiny
Výměna CO2/H2O – infraanalyzátor plynů
LI-COR analyzátor LI-6400
28
7.
Vodní bilance porostů
vodní bilance:
Kolísání obsahu vody v rostlině ovlivňuje koncentraci buněčných šťáv a vodní potenciál buněk, který se zvyšuje při narůstání WSD. Rostliny buďto snášejí velký osmotický tlak buněčných šťáv bez poškození (euryhydrické), nebo dochází při jeho nepatrném zvýšení k poruchám životních funkcí u rostlin stenohydrických. 9Podle schopnosti rostlin vyrovnávat výkyvy v zásobení vodou rozdělujeme rostliny na ¾poikilohydrické (bakterie, sinice, řasy, houby, lišejníky, některé cévnaté výtrusné rostliny s malými buňkami bez centrální vakuoly) a ¾homoiohydrické (s vakuolizovanými buňkami, které se dovedou přizpůsobit nedostatku vody, ale nesnáší vysušení – kutikula, průduchy, kořenový systém) ¾izohydrické – hydrostabilní, schopné vyrovnávat denní výkyvy vodní bilance průduchy v součinnosti s bohatým kořenovým systémem (stromy, trávy, stínomilné rostliny, sukulenty) ¾anizohydrické – hydrolabilní, u nichž dochází k velkým ztrátám vody a zvyšování vodního potenciálu (euryhydrické cévnaté rostliny, poikilohydrické rostliny a byliny slunných stanovišť)
29
Vliv zásobení vodou na transpiraci: 1 – neomezena, 2 – polední částečné uzavření průduchů, 3 – polední úplné uzavření průduchů, 4 – úplné přerušení stomatární transpirace, pouze kutikulární transpirace, 5 – omezení kutikulární transpirace smrštěním membrán
Sezónní chod transpirace na stanovištích s rozličnými režimy zásobení vodou: 1 – celoroční, 2 – sucho v druhé půli léta (lesostepi), 3 – letní sucho (stepi), 4 – pozdní prohřátí půdy (tundra, vysokohorské polohy)
31
Méně obvyklé veličiny
Půdní vlhkost – čidla VWC [%]
32
Méně obvyklé veličiny
Sací tlak [Pa] - půda Sádrové bločky 227/223 max -15 bar Tenziometr max -1 bar
Watermark max -2 bar
33
Méně obvyklé veličiny
Pohyb vody v potoce
Metoda tepelné bilance je založena na rozdělení přivedené energie na složku konduktivní a složku ohřevu proudící vody, protékající měřištěm, podle vztahu: (1)P = Q · dT · cw + dT · z kde P je příkon energie [W], Q je průtok vody [kg.sec-1], dT je gradient teploty v měřišti [K], cw je měrné teplo vody [J.kg-1.K-1] a "z" je koeficient tepelné ztráty v měřišti [W.K-1].
v kmenech stromů
ve větvích 34
35
