24. ekosistem in pretok energije Št.l.: 2006/2007 -...

1

1

Št.l.: 2006/2007 24. Ekosistem in pretok energije

1. KOMPONENTE EKOSISTEMA2. ENERGIJA

a) Definicija energijeb) Termodinamični zakonic) Pretok energije skozi ekosistem

3. PRIMARNI PRODUCENTI a) Dejavniki okolja, ki regulirajo primarno produkcijo b) Vzorci primarne produkcije v ekosistemu b) Porazdelitev biomase v ekosistemu

4. SEKUNDARNI PRODUCENTI5. PREHRANJEVALNE VERIGE

a) Glavne prehranjevalne verigeb) Odnosi med glavnimi prehranjevalnimi verigami

6. MODELI ENERGIJSKEGA PRETOKAa) Energijski pretoki različnih ekosistemovb) Ekološke piramide

7) PRODUKTIVNOST EKOSISTEMA

2

EKOSISTEM

Lastnosti večjega sistema izhajajo iz lastnosti manjših sistemov, ki ga sestavljajo.

H. A. Gleason (1916, 1939): - lastnosti rastlinskih združb so le vsota lastnosti njihovih sestavnih delov, - rastlinska združba je samo skupina naključno zbranih rastlin, ki rastejo skupaj zato, ker so se prilagodile na dano situacijo, - za skupnost ni nobenih posledic, če se iz sistema izloči posamezna rastlinska vrsta.

F. E. Clements (1916, 1939):- zagovarjal organski koncept pojmovanja narave in je svojo pravilnost dokazoval z razpravami o rastlinskih združbah, - rastlinska združba je superorganizem, katerega lastnosti niso enostavno izvedene iz lastnosti njegovih sestavnih delov.

3

EKOSISTEM

Charles Elton (1927): - pomembnost prehranjevalnih odnosov za obstoj določene združbe rastlin in živali, - uvedel številčno trofično piramido in jo postavil kot osnovo za stabilno strukturo združbe, - utemeljil je termina prehranjevalna veriga (food-chains) in kroženje hranil (food - cycle) v združbi, - kroženje hranil se je kasneje preimenovalo v prehranski splet(food - web), vendar je Eltonov koncept prehranjevalnih odnosov ostal veljaven vse do danes.

2

4

EKOSISTEM

John Phillipson (1934, 1935) je dodatno izpopolnil Clementsovoidejo o združbi kot skupnosti funkcionalno povezanih vrst:

- postavil trditev, da značilnosti novo nastalih lastnosti sistema izhajajo iz interakcij in integracij posameznih lastnosti podsistemov in ne morejo biti vnaprej predvidljive iz posameznih lastnostipodsistemov,

- integracija lastnosti podsistemov nujno rezultira v razvoj popolnoma novih, nepredvidljivih lastnosti sistema, ki pa so mnogo več kot zgolj vsota lastnosti posameznih podsistemov.

5

EKOSISTEM

Organizmi, ki gradijo združbo so pod stalnimi vplivi okolja in hkrati vplivajo na dejavnike okolja.

Med združbo in njenim okoljem vlada neločljiva povezanost. =>

sir Arthur George Tansley (Ecology 1935): "…Organizmov ne moremo ločiti od njihovega okolja saj tvorijo enoten sistem. Tako oblikovan sistem lahko smatramo za osnovno enoto narave. Ekosistemi, kot lahko imenujmo takšne sisteme, so različnih vrst in velikosti. …"

Živa in neživa komponenta ekosistema sta med seboj tako prepleteni, da ju ni mogoče obravnavati ločeno.

Ekosistemski koncept temelji na upoštevanju energijskega pretokaskozi sistem preko prehranjevalne verige in prehranskega spleta in na biogeokemičnem kroženju hranil v sistemu.

Biotop + biocenoza = ekosistem (biogeocenoza)

6

EKOSISTEM

Na pojmovanje narave kot superorganizem se je že deset let pred Transely-jem odzval A. J. Lotka (1925): - Populacije in združbe živih organizmov je pojmoval kot termodinamične sisteme. Pretoke in transformacije snovi in energije v ekosistemu je razlagal s pomočjo termodinamičnih zakonov.

Pokazal je, kako je mogoče obnašanje sistema opisati z matematično izraženimi interakcijami elementov sistema.

Lotkov pogled na naravo je žal ostal dolgo časa neupravičeno prezrt.

3

7

EKOSISTEM

Šele leta 1942 se je ideja o ekosistemu kot energijsko pretvorbenem sistemu ponovno aktualizirala preko RaymondaLindemana.

Eltonovi prehranjevalni verigi je dodal pojem trofični nivo in namesto številčne trofične piramide je kot osnovo za strukturiranje združbe uvedel energijsko trofično piramido.

S tem je potrdil obstoj energijskega pretoka med trofičnimi nivoji in tako uvedel pojem ekološke učinkovitosti med posameznimi trofičnimi nivoji.

8

EKOSISTEM

V petdesetih letih preteklega stoletja je ekosistemski koncept doživel vsesplošno potrditev. Kroženje snovi in pretok energijeskozi ekosistem je postalo osnova za opis struktur in delovanja ekosistemov.

Na osnovi razčiščenih konceptualnih okvirov so pričeli s sistematičnimi meritvami in spremljanji snovnih in energetskih procesov v ekosistemih.

Med najodmevnejše znanstvenike tistega časa sodi Eugene P. Odum s svojo knjigo Fundamentals of Ecology, ki je bila izdana leta 1953.

Na osnovi pretokov energije in kroženja snovi je izdelav univerzalni shematski prikaz ekosistema. Odum uporablja energijo za opis strukture in delovanja ekosistemov.

9

1. KOMPONENTE EKOSISTEMA

Biotska komponenta = združba (organizmi in njihove medsebojne povezave in odnosi).

Abiotska komponenta = dejavniki nežive narave (okolja), ki vplivajo nanj in so pod vplivi biotske komponente.

Tri osnovne strukturne ekosistema:1. avtotrofi: zelene rastline in alge, fiksatorji sončne energije 2. heterotrofi:

- potrošniki (konzumenti): hranjenje na živih organizmih- razkrojevalci (dekompozitorji): hranjenje z odmrlo

organsko maso (detritusom) in pretvorbo organskih sestavin v anorgansko snov (mineralizacija)3. anorganska in odmrla organska snov (detritus)

4

10

11


Vhodi v ekosistem:

Abiotski: - energija (kratkovalovno in dolgovalovno sevanje => vpliv na temperaturo, vlago, fotosintezo, …), - anorganske snovi (CO2, N, O2, produkti preperevanja matične podlage – minerali), - organske sestavine (proteini, ogljikovi hidrati, huminske kisline, organska snov), -padavine.

Biotski: -organizmi iz drugih ekosistemov in -vplivi drugih ekosistemov.

12


Pogonska sila ekosistema je energija sonca.

- poganja vse ekofiziološke procese,

- pretok energije in kroženje snovi neločljivo povezana procesa: hitrost kroženja regulirajo predvsem potrošniki .

Ekosistem je prostorska enota (jezero, mlakuža, pašnik, gozd) z bolj ali manj jasno določeno mejo.

Ekosistem je dinamičen sistem, ki se s časom spreminja.

5

13

2. ENERGIJA

Energija je definirana kot sposobnost opravljanja dela (1J=4.168 kalorije).

Toplotna energija ne povzroča nujno tudi kemičnih reakcij ampak vpliva na gibanje in vibriranje molekul (vpliva na njihovo kinetično energijo).

Energija svetlobnega sevanja povzroča premike elektronovznotraj atomov in molekul => vodi do fotokemičnih procesov => fotosinteza.

14

b) Termodinamični zakoni

Termodinamika: splošen nauk o energijah in lastnostih sistemov.

Termodinamični zakoni: zakonitosti prehodov ene vrste energije v drugo.

Utemeljeni so z izkušnjami in se ne dajo dokazati po načinu matematičnih dokazov.

Podrejeni so jim vsi naravni pojavi, med njimi tudi življenje.

15

b) Termodinamični zakoni

a) Prvi zakon določa, da za vse oblike energije velja zakon o ohranitvi energije: Energija se lahko pretvarja iz ene oblike v drugo, ne more pa nastati iz nič, niti ne more izginiti.

Za prvi zakon veljajo principi: transformacije, ohranitve energije/mase

b) Drugi zakon določa popolnost pretvorb energij iz ene v drugo obliko, ki jih opisuje spremenljivka sistema entropija (iz grške besede (entrope), ki pomeni sprememba).

Ekosistem je odprt sistem in odvajanje visokoentropijske energije iz sistema (dolgovalovno sevanje – toplota) mu omogoča obstoj in razvoj.

6

16

c) Pretok energije skozi ekosistem

Sončno sevanje predstavlja glavni energijski vir

Rastline uporabljajo sevanje z valovno dolžino od 400 do 700nm (fotosintetsko aktivno področje) za fotosintezo (pretvorbo CO2 in nekaterih anorganskih spojin v organske spojine => vir energije za dihanje rastline oz. vir energije za sintezo novih tkiv => vir energije za heterotrofe.

Pretok energije skozi ekosistem se vrši pretežno preko energije kemičnih vezi organskih spojin.

Razumevanje pretoka energije skozi ekosistem je neločljivo povezano s sončnim sevanjem in kroženjem ogljika in se prične s primarnimi producenti.

17

3. PRIMARNI PRODUCENTI

Pričetek s fotosintezo (energija fotona v kemično energijo organskih spojin).

Primarna produkcija: energija akumulirana z rastlinami (fotositezo), prva in najosnovnejša energija akumulirana v ekosistemu.

Bruto primarna produkcija: energija asimilirana s fotosintezo.

Neto primarna produkcija: Bruto pp – dihanje ; vsi živi sistemi potrebujejo energijo za svoj obstoj.

Produkcija (bruto in neto) je merjena s stopnjo produkcije biomaseali energije na enoto časa in površine ter jo imenujemo produktivnost (kJ/ m2 /leto ali tsuhe snovi/ m2/leto).

Količino biomase, ki se nahaja na določeni površini in času imenujemo zalogo biomase in je izražena s tsuhe snovi/ m2

18

a) Dejavniki okolja, ki regulirajo primarno produkcijo

Produktivnost ekosistema je odvisna od klime (kombinacija povprečne vrednosti temperature, vlaga, padavin in vetra) in dejavnikov rastišča (hranila).

7

19

Neto primarna produkcija odvisna od:

Padavin in temperature

20


Dolžine obdobja neto primarne produkcije

21


Evapotranspiracije (transpiracija rastlin in evaporacija iz tal => kombinacija toplote in razpoložljive vode)

8

22


Razpoložljivih hranil

23

b) Neto primarne produkcije različnih ekosistemov

Razlike med ekosistemi so velike (slika 24.8, tabela):- tropski deževni gozdovi: 1000-3500 g/m2/leto- gozdovi zmernega pasi: 600-2500 g/m2/leto- savana 200-300 g/m2/leto- tajga, puščava: 100-250 g/m2/leto

24

9

25

26

b) Vzorci primarne produkcije v ekosistemu

Časovne spremembe produkcije v ekosistemih odvisne od:

- starosti prevladujoče oblike ekosistema

- odnosa med bruto produkcijo in dihanjem (poraba neasimilirajoče biomase z njenim akumuliranjem narašča).

- vplivov okolja (suše, požari, kisel dež,…).

27

10

28

c) Porazdelitev biomase v ekosistemu

Razmerje med koreninami in nadzemnim delom rastlin:- določa ga razpoložljivost dostopa do vode, hranil in fizična stabilizacija rastline

korenine : nadzemni del: zeli in trave tundre 5-11:1, grmovja tundre 4-10:1, trave v preriji 3:1, drevesa (bukev: 13%, jelka, smreka 15%) 0,2:1, zeli 1:1

29

c) Porazdelitev biomase v ekosistemu

Pomembna vertikalna porazdelitev.

Asimilacijski aparat je v zgornjem sloju, ne-asismilacijski, podporni sistemi, ki so neto porabniki energije so v spodnjih nivojih.

30

11

31

4. SEKUNDARNI PRODUCENTI

Neto primarna produkcija NI v celoti dostopna heterotrofom:- nedosegljiva (herbivori),- odtok iz ekosistema (veter, voda, človek),- konzumenti se ne hranijo na odmrli organski masi,- dekompozitorji se ne hranijo na živi organski masi,- stopnja prebave odvisna od hrane in vrste živali (kobilica prebavi 30%, miš 85-90% zaužite hrane)

detritovoriVzdrževanje, rast in razmnoževanje

32

Energija, ki ostane na voljo organizmu (dihanje in vzdrževanje metabolizma) => produkcija maščob, rasti in reprodukcije => sekundarna produkcija oz. produkcija potrošnikov.


33

Energijska zaloga potrošnikov:

C=A+(F+U)

C-zaužita energija, A-asimilirana energija, F-iztrebki, U-urin oz. iztrebki bogati z dušikom

A= P+R

P-sekundarna produkcija, R-dihanje

U potrebno vključiti v A => A=P+R+UU=> produkt metabolizma vendar težko ločljiv od F =>C= P+R+(F+U)

Sekundarna produkcija:

P= C-R-(F+U)


12

34

Sekundarna produkcija odvisna od:- količine,- kvalitete,- razpoložljivosti neto primerne produkcije => vir energije,- količina zaužite hrane, stopnja asimilacije in produkcije.

Vsaka naravna omejitev primarne produkcije omeji tudi sekundarno.


35


Asimilacijska učinkovitost: razmerje med asimilirano in zaužito hrano => učinkovitost potrošnika pri odvzemanju energije iz zaužite hrane.

Toplokrvni organizmi 70%, hladnokrvni organizmi 42%

Produkcijska učinkovitost: razmerje med produkcijo in asimilacijo => učinkovitost potrošnika pri vgradnji asimilirane energije v nova tkiva

- rastline (neto produkcija / absorbirana svetloba):

- plankton: 0,34 %

- rastline: 0,9 %

- rastlinojedci: 5-16 % (odvisno ali so toplokrvni ali hladnokrvni) - karnivori: 13 do 24 %

36

Učinkovitost zaužite hrane: razmerje med produkcijo in konzumacijo hrane => kolikšen delež zaužite energije je pretvorjen v produkcijo (nova tkiva) => mera učinkovitosti razpoložljive hrane za naslednjo skupino potrošnikov.

Homeotermni organizmi: 98% za metabolizem, 2% za produkcijo

Poikilotermni organizmi: 56% za metabolizem, 44% za produkcijo


13

37

5. Prehranjevalne verige

Prehranjevalna veriga: Energija akumulirana v rastlinah prehaja skozi ekosistem po principu “jesti in biti požrt”.

Prehranjevalni odnosi znotraj verige so določeni s trofičnimi nivoji. Organizmi, ki pridobijo energijo preko istega števila nivojev, pripadajo istemu trofičnemu nivoju ekosistema.

Prvi trofični nivo: primarni producenti

Drugi trofični nivo: herbivori

Tretji in višji trofični nivoji: karnivori

Organizem lahko zaseda en trofični nivo oz. več (omnivori) trofičnih nivojev

38

5. Prehranjevalne verigea) Glavne prehranjevalne verige

V ekosistemu dve glavni prehranjevalni verigi: - veriga neto primarne produkcije (osnova živa organska snov), - veriga detritusa (osnova odmrla organska snov).

39


Prehranjevalna veriga neto primarne produkcije:

- izjemno velik vpliv nematod, hroščev in nevretenarjev, ki so herbivori (aktivni nad in pod zemljo), na prehranjevalno verigoneto primarne produkcije => uporaba neto primarne produkcije s “klasičnimi” rastlinojedci (jeleni, srne, zajci) je majhna

Naraščanje velikosti potrošnika z višanjem trofičnega nivoja ni pravilo: kače, paraziti (z nivoji se celo manjšajo) => majhni vendar na koncu verige.

14

40


41


Povprečno preide na višji trofični nivo le 10% energije (to je zelo splošno). => Na tretji in četrti nivo prispe zelo malo energije, => Prehranjevalna veriga ima zato tri, štiri, redko pet trofičnih nivojev (zelo splošno).

42

5. Prehranjevalne verigePrehranjevalna veriga detritusa

Prisotna v vseh ekosistemih.

V kopenskem in litoralnem ekosistemu se preko nje vrši glavni pretok energije v ekosistemu.

- Bruto primarna produkcija topolovega gozda: 50% metabolizem in dihanje, 13% nova tkiva, 2% herbivori in 35% prehranjevalna veriga detritusa.

- 3/4 akumulirane energije travnika (primarne produkcije) vstopa v verigo detritusa.

Dodatne prehranjevalne verige: verige parazitov zelo komplicirane (način življenjskega razvojnega cikla) => število trofičnih nivojev se močno poveča!!

15

43

5. Prehranjevalne verigeInterakcije med glavnima verigama

Verigi sta povezani in prepleteni=> veriga detritusa ima povratno zanko od karnivorov do detritusa => to se pri verigi primarne neto produkcije ne zgodi!!

44

5. Ekološka piramida

Piramida števila vrst: število vrst na trofičnem nivoju upada z zviševanjem trofičnega nivoja => zagovarjal Elton, danes ni večaktualno

Piramida biomase: Biomasa upada po trofičnih nivojih

Piramida števila in biomase: pove nekaj o strukturi in malo o delovanju => energijska piramida

45

5. Ekološka piramida

Energijska piramida: podana je količina uskladiščene, akumulirane energije na posameznih trofičnih nivojih.

16

46

6. Produktivnost ekosistema

Vključuje tako primarno kot sekundarno produkcijo

Neto ekosistemska produkcija: energija uskladiščena v živo biomaso in odmrlo organsko maso.

Izražena s stopnjo produkcije organske mase oz. akumulacije energije na enoto površine v enoti časa ( J/m2/leto)Neto ekosistemska produkcija: pozitivna, nič, negativna

47

24. ekosistem in pretok energije Št.l.: 2006/2007 -...

Documents