Az ökológia alapjai - Növényökológia Kötelező irodalom: Tuba Zoltán, Szerdahelyi Tibor, Engloner Attila, Nagy János: Botanika III. – Növényföldrajz és Bevezetés a funkcionális növényökológiába fejezetek
Ajánlott irodalom: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tkt/agrookologia/index.html Tárgyleírás: tematika és követelményrendszer Oktatási segédanyag: - előadások letölthető (pdf) formátumban az intézeti honlapon (nofi.szie.hu)
A NÖVÉNYÖKOLÓGIA története Mai értelmezés: az ökológia az egyed feletti szinteken értelmezhető biológiai egységek (populációk, társulások stb.) előfordulásával kapcsolatos tér–idő összefüggésekkel foglalkozik Növényföldrajz- Alexander von Humboldt (1769-1859)
- német természettudós és utazó - amerikai utazásai (1799-1804) Aimé Bonpland botanikussal - Chimborazo megmászása – nagy növényzeti övek a hegyvidék
lejtőin vertikálisan is megjelennek - vegetációformák (formációk) - helyi fajkollektívumok (társulások, cönózisok) megfigyelése - csillagászati, archeológiai és antropológiai megfigyelések
Ernst Haeckel (1834-1919) - német orvos, zoológus, filozófus - evolúcióelmélet terjesztése, továbbfejlesztése - ökológia fogalma: oikos=ház (környezet), logos=tudomány „ökológia alatt a tudományok azon körét értjük, amely a szervezetek környezettel fenntartott kapcsolatát vizsgálja, ahová tágabb értelemben valamennyi létfeltétel sorolható” (Haeckel, 1866) - biogenetikai alaptörvény kidolgozása: az egyed szerveinek kifejlődése során röviden keresztülmegy az őseinek, fejlődési rokonformáinak szervi kifejlődésének fázisain (E. Haeckel (1874): Anthropogenie)
TÁRSULÁS - a társulás (biocönózis) fogalmát Karl Möbius (német zoológus, 1825-1908) használta először, 1877-ben, tengeri sziklák teljes életközösségének leírására. - a társulás (biocönózis): egy adott helyen, adott pillanatban koegzisztáló (együtt létező) populációk közössége. - angol nyelvterületen nem használt fogalom, helyette: community (associations of populations of two or more different species occupying the same geographical area)
fő kérdés: milyen törvények szabályozzák a fajok együttélését? Növénytársulás - a növénytakaró alapegysége: állandó megjelenésű és faji összetételű, meghatározott környezeti igénnyel rendelkezik, a többi társulástól jellemző és megkülönböztető fajai révén különbözik (fiziognómia, forma formáció) emergens (nélkülük nem létező) sajátságokat mutatnak.
ÖKOSZISZTÉMA a./ Az élő szervezetek közösségei egymástól független populációk kollektívuma b./ Az élő szervezetek közösségei organizmusok (szuperorganizmus koncepció) Az életközösségek a környezetet képező abiotikus faktorokkal együtt „fizikai értelemben vett rendszert” képeznek: ez az ÖKOSZISZTÉMA Az életközösségek (biocönózisok) csak abiotikus környezetükkel együtt képeznek igazi egységet
-a modern ökológia az ökoszisztémát a társulások anyag- és energiaforgalmát leíró modellnek (értelmezést szolgáló eszköznek) tartja - Mi az „anyag- és energiaforgalom?” (víz, szén, nitrogén…CHONSP..FeCuMo), (sugárzás, hő…. ATP)
Anyagforgalom az ökológiai rendszerekben: biogeokémiai ciklusok és üvegházgáz-kibocsátás
Biogeokémiai ciklusok általános jellemzői: • kompartmentek vagy raktárak – tartózkodási idő • áramok (fluxusok) a kompartmentek között • sebességük nem egyenletes tartózkodási idő • szoros kapcsolat van az anyag és az energiaáramlás között • emberi tevékenység nagyban befolyásolja a működésüket • bioelemek – a ciklus élő szervezeteken keresztül működik • transzport mechanizmusok meteorológiai (légköri gázok, száraz és nedves ülepedés) geológiai (felületi és felület alatti (drén) áramlások) biológiai (az élőlények ökoszisztémák közötti mozgása) a transzportmechanizmusok természetéből következően léptékük lehet helyi és globális
- szénforgalom globálisan és az ökológiai rendszerekben – CO2 és CH4 kibocsátás - a nitrogén forgalma globálisan és az ökológiai rendszerekben – N2O kibocsátás
Anyag- és energiaáramlás a növényi szervezetben, anyagcsere a környezettel
avarhullás dekompozíció
A vízforgalom
•Hajtóereje a Napból érkező energiaáram – ez befolyásolja a globális csapadékeloszlást •Fő limitáló tényező nem a csapadék, hanem a talajban rendelkezésre álló víz mennyisége – ez az összes vízmennyiség 0.01 %-a – gyors a kicserélődési ideje •Erózió – nem megfelelő tájhasználat
A globális vízciklus. A feltüntetett mennyiségek km3/év-ben értendők. A keretezett mennyiségek a nagy víz-rezervoárok, nyilakkal a fluxusok irányát és mellettük nagyságukat jelöltük.
Vízforgalom ökoszisztéma szinten
pF: A talaj vízoszlop cm-ben kifejezett szívóerejének 10-es alapú logaritmusa
Hő- és vízgazdálkodás különböző években
Oxigén-ciklus Jelenlegi légkör kialakulása (21 térf% O2): • Urey szint ~ 4 Mrd éve • Pasteur szint ~ 2.3 - 2 Mrd éve
• Szárazföldi szint ~ 700 M éve • mai szint kialakulása ~ 300 M éve (karbon kor)
Ózon Képződés és bomlás O2 + hν → O +O O + O2 → O3 O3 + hν → O + O2 O + O3 → 2 O2 Dinamikus egyensúly, befolyásolják: CFC-k, nitrogén-oxidok
Szén-ciklus
A globális szénforgalom sematizált ábrája. A fő széntárolók mellett (keretezett) feltüntettük a becsült szénmennyiséget is, valamint a szén fluxusok irányát és azok becsült mennyiségét. A számok petagramm/év-ben értendők. (1petagramm= 1015 g = 1 Gt)
• talajok jelentős széntárolók
• fotoszintézis és légzés hasonló mértékű áram • vegetációformációk szénforgalma igen eltérő lehet • óceáni rétegződés: mély óceáni üledékekből csak geológiai transzport
Fate of Anthropogenic CO2 Emissions (2003-2012 average) 8.6 ± 0.4 GtC/yr
0.8 ± 0.5 GtC/yr
92%
8%
4.3±0.1 GtC/yr 45%
+
2.6 ± 0.5 GtC/yr 27%
2.6 ± 0.8 GtC/yr 27% Calculated as the residual of all other flux components
Source: Le Quéré et al 2013; CDIAC Data; Global Carbon Project 2013
A légköri CO2 koncentráció változása
• http://www.globalcarbonatlas.org/?q=emissions
Nettó primer produkció = növények által felvett C mennyiség – növényi légzés Globális NPP szárazföldek: 55%, óceánok 45%
A föld alatti, föld feletti biomassza és a talaj széntartalma globálisan
Szénforgalom
Ökoszisztéma szénforgalom vizsgálata
NEE =
fotoszintézis
+ ( légzés (felszín felett) + talajlégzés )
autotróf és heterotróf komponensek
autotróf és heterotróf komponensek
CO2 fluxusok (NEE) gyepfelszín felett
Bugac
IAV of NEE
Cumulative sum of daily sums
Annual balance: winter (generally source) spring (sink) summer (sink and source) autumn regeneration (it depends) 5th Slovenian Symposium on Plant Biology, Ljubljana, 6th-9th September, 2008
Nitrogénforgalom és N2O kibocsátás • A nitrogén körforgalmát az antropogén tevékenység jelentősen befolyásolta, ez jelenleg is növekvő mértékű • Légköri N2 megkötése: természetes és antropogén • Az ülepedő nitrogénvegyületek (száraz, nedves ülepedés) hatással vannak a bioszférára • A bioszférából felszabaduló nitrogénvegyületek is hatással vannak a légkörre • Kétirányú fluxus több vegyület esetében (ülepedés-kibocsátás) • A talaj jelentős mértékű NO vagy N2O forrás, a körülmények függvényében • a talaj az ülepedett nitrogénvegyületek akár 1/3-át is üvegházgáz formájában juttathatja vissza
Légköri N2 megkötése • baktérium (Rhizobium, Azotobacter) és cianobaktérium (Nostocales rend) fajok • energiaigényes folyamat • nitrogenáz enzimkomplex – oxigénérzékeny • szimbiózis – pl. Anabaena azollae
A nitrogén globális körforgása. Az egységek teragramm/év-ben értendők (1Tg= 1012 g).
7000
90 Föld népessége Mezőg. területek M ha Műtrágya Tgr NOx kibocsátás
5000
80 70 60
4000
50
3000
40 30
2000
20
1000
10 0 1850
0 1900
1950
2000
Year
Carl Bosch Fritz Haber
Műtrágya és NOx
Népesség Mezőg. terület
6000
Légkör – felszín közti kicserélődésben szerepet játszó nitrogénvegyületek (szerepük és légköri tartózkodási idejük igen változó) GÁZFÁZISBAN • NH3 (ammónia) • N2O (dinitrogén-oxid) • NO (nitrogén-monoxid) -----------------------------------------------------• NO2 (nitrogén-dioxid) • HONO (salétromossav) - savasodás, savas esők • HNO3 (salétromsav) • PAN (peroxi-acetil-nitrát) AEROSZOL RÉSZECSKÉKBEN, CSAPADÉKBAN • NH4+ (ammónium) • NO3- (nitrát)
A nitrogénforgalom főbb lépései az ökológiai rendszerekben
A különböző nitrogénformák keletkezése (produkciója) a talaj víztelítettségének függvényében
• • •
Kis víztartalomnál jó az oxigén ellátás nitrifikáció (oxidáció), NO Közepes-nagy víztartalomnál denitrifikáció, redukció, N2O elillanhat Telítettség közelében az N2O a talajban marad (viszonylag jól oldódik vízben) és a redukció az N2-ig végbemegy
N2O
talajok dinitrogén-oxid kibocsátása
• N=N=O • üvegházhatása kb. 300-szorosa a CO2-nak • az összes antropogén eredetű üvegházhatásnak 5-6 %-át teszi ki • sztratoszférikus ózon • nagyrészt talajeredetű
biotikus: Azotobacter, Rhizobium sp, cianobaktériumok abiotikus: villámlás
Biológiai N-kötés 70%-a szimbiotikus kapcsolatokból, 30 %-a nem szimbiotikus fixáció - N2 fixáció → energia a cukrok és egyéb organikus vegyületek oxidációjából - a szabadon élő bakt.→ a szerves hulladék oxidációjából - Rhizobium → szimbiózis, cukor
Nitrifikáció 1 NH3→NO2 (Nitrosomonas) 2 NO2→NO3 (Nitrobacter) (oxidáció, e-akceptor: oxigén) Denitrifikáció: Anoxiás környezetben a NO2 és NO3 e-akceptorként (oxidáló) lép fel. NO3→ NO2→ NO →N2a
N2O
talajok dinitrogén-oxid kibocsátása
•N=N=O •Üvegház hatása kb. 300-szorosa a CO2-nek •Az összes antropogén üvegház-hatásnak 5-6 %-át teszi ki •Sztratoszférikus ózon •Nagyrészt talajeredetű
N2O kibocsátás 2005
Agroökológiai rendszerek üvegházgáz-mérlege: szántóföldek, C mérleg
- NEE alapján nettó C felvétel - figyelembe véve egyéb tényezőket is - kibocsátás
Agroökológiai rendszerek üvegházgáz-mérlege: szántóföldek, teljes mérleg
Agroökológiai rendszerek üvegházgáz-mérlege: gyepek
A foszfor globális körforgása. Az egységek teragramm/évben értendők
-Kőzetek mállása, a P talajoldatba kerül, felvehetőség: Ca5(PO4)3 +4H2CO3→ 6Ca2++3HPO42-+4HCO3-+H2O - szerves vegyületekből: C-O-P észterkötés enzimatikus bontása, foszfatázok (→PO43-) savas pH: H2PO4- (mobilis, felvehetőség jobb) lúgos pH: HPO42- (kevésbé felvehető) Nagy reakcióképesség (H2PO4- )→ általában kötött formákban (Fe, Al,..)
A kén globális körforgalma. Az egységek teragramm/év-ben értendők savas esők SO2 (antropogén + vulkáni)→H2SO4 H2S, tengeri ökoszisztémákban energiaforrás DMS→kondenzációs mag, albedo↑→hűtő hatás
Redukció anaerob környezetben (e-akceptor az oxigén helyett a szulfát-csoport)
2CH2O + 2H+ + SO42- --> H2S + 2CO2 + 2H2O Kén alapú anaerob fotoszintézis (a víz helyett a H2S a hidrogén (elektron) donor a CO2 redukciójához, bíbor kén-baktériumok) 2H2S + CO2 --> CH2O + 2S + 2H2O
Kemoautotrófia (Thiobacillus, mélytengeri S (H2S)források környezetében) 4H2S + CO2 + O2 --> CH2O + 4S + 3H2O
Egyéb tápanyagok A növények számára esszenciális kationok: K, Ca, Mg, Mn, Fe • elsősorban a kőzetek mállásából kerülnek be az életközösségbe. • mozgásuk főként az ökoszisztémák internális ciklusához kötött, a talajból felvett és az elhalt szervesanyaggal visszajutott mennyisége sokkal jelentősebb, mint az ökoszisztémába egyéb folyamat révén bejutó, illetve kimenő mennyiség. • kisebb mennyiségre van szükség, de jelentőségük nem elhanyagolható.
Szerepük: • elsősorban enzimek aktiválásában, • káliumnak a vízmozgásban, transzspirációban, • magnéziumnak a klorofill alkotóelemeként, • kalciumnak pedig a sejtfal szerkezetének és a sejthártya áteresztőképességének szabályozásában van. • káliumtartalom limitáló tényező lehet, mivel könnyen kimosódik a talajbeli vízmozgás révén. A kimosódás a legjelentősebb veszteségi útvonal a tápanyagok számára, különösen a nagy évi csapadékösszeggel bíró, illetve a savas esőkkel terhelt élőhelyeken jelentős. Nincs gázállapotú előfordulásuk, de a szél okozta erózió révén – főként a sivatagokból és a művelt területekről származó – az atmoszférában szálló porral jelentős mennyiségük jut az óceánba, illetve egyéb ökoszisztémákba.
Klímaváltozás
IPCC 2007
IPCC 2007
Az előadás letölthető nofi.szie.hu oktatás letöltések
