Ekosystémy Výsledek obrázku http://nationalgeogrpahic.com http://cs.mg.co.za/ Ekosystém je soubor organismů žijících na určitém území + neživé prostředí tohoto území. V hierarchii úrovní, které ekologie zkoumá, se nachází mezi společenstvem a krajinou. Je charakterizován především koloběhem prvků a tokem energie. jedinci – populace – druhy – společenstva – ekosystém - krajina Přísnější definice: Ekosystém je dynamický cirkulační systém producentů, konzumentů, rozkladačů a jejich abiotického prostředí, propojený energeticky s výraznými zpětnými vazbami, schopný samostatné existence a do značné míry homeostatický (homeostáze – vnitřní rovnováha). sciencing.com dodatková energie! Ekosystem spol. s.r.o.; dodavatel čístících prostředků … ekosystém těla a duše … …. ekosystém pravicových médií v USA …“ … ekosystém čističky odpadních vod ….. A tomato greenhouse in the Netherlands. Mesocosm = experimentální ekosystém? Ekosystémové experimenty ale někdy probíhají v systémech s dodatkovou energií wikipedia.org http://www.studyenglishtoday.org Biomasa Organická hmota vytvořená organismy. Počítá se v sušině (váha za suchého stavu). Vyjadřuje se v g (kg) na jednotku plochy. V rostlinném společenstvu rozlišujeme biomasu nadzemní a podzemní, živou biomasu a opad (litter). Primární produktivita a její ovlivnění faktory prostředí Je množství organického materiálu (biomasy) vytvořené rostlinami za určitý čas (např. g/m2/rok). Rostliny poutají CO2 a fotosyntézou produkují organické látky, které pak kolují ekosystémem – proto primární producenti. Primární producenti jsou vždy autotrofní organismy. Primární produkce: -hrubá (brutto, BPP): veškerá asimilovaná energie -čistá (netto, NPP): BPP minus ztráta respirací (dýcháním) „Příroda směřuje k vysoké BPP, zemědělec k vysoké NPP“. Hodně vyvinuté „klimaxové“ ekosystémy mají NPP blízkou nule. wikipedia.org abundance autotrofů na Zemi Primární produktivita závisí na: -množství zdrojů: sluneční světlo, CO2, voda, půdní živiny - rychlosti a účinnosti fotosyntézy: ovlivněno teplem a fotosyntetickou strategií rostliny (C4 rostliny). Kritické faktory omezující PP: -nedostatek FAR (pod zápojem lesa, jeskyně) -nedostatek vody (potenciální evapotranspirace vyšší než srážky – aridní klima) -krátká délka fotosyntetického období -nedostatek minerálních zdrojů Za nedostatku některého zdroje (voda, živiny) se vyvíjí menší fotosyntetický aparát (menší listová plocha) a PP je menší. Primární produktivita vodních společenstev je limitována množstvím živin (dusičnany, fosforečnany), nedostatkem světla a intenzitou „pastvy“ býložravci. Mění se s hloubkou a se sezónou. Vztah biomasa-produktivita http://www.geo.hunter.cuny.edu http://treekb.com Tundra, poušť: malá produktivita na středně velkou biomasu Mořské ekosystémy: středně velká produktivita na málo okamžité biomasy (0-0,02 kg/m2) Produktivita a diverzita Chase & Leibold 2002, Nature Palpurina et al. 2018 J Ecol Sekundární produktivita je rychlost produkce biomasy heterotrofními organismy (konzumenti, rozkladači). Čistá sekundární produkce PN = konzumace – exkrementy – respirace Sekundární produktivita závisí na primární a je vždy o jeden řád menší než primární (5000 kJ – 500 kJ – 50 kJ). http://sciencebitz.com/ Stabilita ekosystémů je schopnost autoregulace, tendence zůstat blízko rovnovážnému stavu nebo se tam vrátit po vychýlení. 2 typy stability: Resistence: schopnost nepodlehnout změně při stresu Resilience: schopnost vrátit se k původnímu („normálnímu“) stavu; v současných pracích se ale někdy používá pro jakoukoliv resistenci, asi pod vlivem významu slova v jiných oborech (psychologie). Disturbance / Perturbace: krátkou dobu trvající narušování běžného fungování ekosystému (jeho produkce), které způsobuje změnu druhového složení nebo fungování (pastva, seč, požár, povodeň, narušení svrchní vrstvy půdy s kořeny, vývrat apod.) Disturbance: V ochraně přírody chápána jako opakovaná, pravidelná, predikovatelná s očekávatelným výsledkem…. X V modelování systémů (obecně) se tak ale označuje vnější zásah do systému Perturbace: V ochraně přírody chápána jako neočekávaná, jednorázová událost se zásadním, těžko predikovatelným vlivem na další vývoj ekosystému X V modelování systémů (obecně) se tak ale označuje výkyv ve fungování systému vyvolaný vnitřními procesy. Hystereze: závislost současného stavu ekosystému na minulé perturbanci, která „přepnula“ jeden stabilní ekosystém v jiný stabilní ekosystém (teorie „alternativních stabilních stavů“). Typicky nastává na hranici biomů: savana nebo step se může vyskytovat na místě, kde byl předtím les, aniž by se změnilo klima – mohlo dojít k velkému požáru, a po něm je bezlesí udržováno býložravci a pravidelnými požáry. Stabilita a druhová bohatost monokultura versus polydominantní lesní porost weissova.blog.sme.sk Klíčové druhy a ekosystémoví inženýři Druh, jehož význam pro fungování ekosystému a utváření vztahů v něm je větší než by odpovídalo jeho abundanci, se nazývá v ekologii klíčový druh (keystone species): například vrcholový predátor. Klíčový druh může zároveň být ekosystémový inženýr (ecosystem engineer; na obrázcích), pokud i vytváří strukturu ekosystému tím, že podmiňuje, přeměňuje, udržuje nebo ničí prostředí jiných druhů nebo mění strukturu (dominanty) společenstva. Ekosystémoví inženýři se využívají při obnově ekosystémů (restoration ecology). chaluha, korál: vytváří kelpy a korálové útesy bobr: vytváří vodní nádrže rašeliník: acidifikuje, vyplňuje prostor (kompetuje) leguminóza : díky symbióze s bakteriemi poutá vzdušný dusík, tím facilituje sukcesi rostlinný poloparazit: potlačuje dominantní druhy, zejména trávy Toky energie v potravních řetězcích Trofické úrovně společenstva: -primární producenti -konzumenti -predátoři pastevně-kořistnický potravní řetězec začíná zelenou hmotou a pokračuje přes konzumenty 1. řádu k predátorům. detritový potravní řetezec Naopak dekompozitoři (mikrokonzumenti) patří do detritového potravního řetězce, který začíná mrtvou biomasou. Energie nemůže být opakovaně použita, živiny ano. Živou hmotu tvoří voda (5%) a organické sloučeniny uhlíku (95%). V organických sloučeninách uhlíku se ukládá a akumuluje energie. Při oxidaci uhlíkatých látek CO2 se energie ztrácí. Velká část energie se ztrácí teplem – to může být využito jen na regulaci tělesné teploty, do ostatních procesů již nevstupuje a uniká z ekosystému. Naproti tomu CO2 může být znovu využit pro fotosyntézu. Energie se do ekosystému dodává neustálým slunečním svitem (sluneční konstanta). Chemické látky se na rozdíl od energie mohou recyklovat. Kdyby se nerecyklovali, jejich zásoba by se brzy vyčerpala a život by zanikl. Recyklaci chemických látek zajišťují heterotrofní organismy. Bilance živin v terestrických ekosystémech Vstupy: -zvětrávání matečné horniny – půda -vstup CO2 z atmosféry -spad živin (mokrá a suchá depozice) -fixace dusíku -splachy vodou Výstupy: -uvolňování do atmosféry (C – respirace, N – denitrifikace, rozklad, požár) -vyplavení do povrchových a podzemních vod -export živin pastvou, kosením, těžbou Jeden ze způsobů exportu živin z ekosystému louky Eutrofní ekosystémy: bohaté živinami (N, P, K); převládá několik C-stratégů Mezotrofní ekosystémy: středně bohaté živinami Oligotrofní ekosystémy: chudé živinami Eutrofizace terestrických ekosystémů Bilance živin ve vodních ekosystémech Vstupy: -přitékající vodní toky -depozice -fixace -splachy Výstupy: -odtékající vodní toky -sedimentace -živočichové opouštějící vodu -plynný únik SouvisejÃcà obrázek wordpress.com energyeducation.ca Globální biogeochemické cykly: uhlík (carboneum; C) Horké současné téma věd o Zemi a ekosystémové ekologie kvůli bezprecedentnímu antropogennímu nárůstu koncentrace CO2 v atmosféře s důsledky v podobně klimatických změn: viz poslední přednáška tohoto kurzu (Ekologie globální změny). Pomalý cyklus – geologická škála 100-200 milionů let / 1 oběh atomu uhlíku; studuje jej geologie uhlí, ropa, zemní plyn fosilní paliva vznikly fotosyntézou: jde o zbytky rostlin; jejich uhlík byl kdysi v atmosféře vápenec ze zbytků schránek živočichů: vznikl při sekundární produkci, C se do schránek dostal z organických látek vzniklých fotosyntézou zdroj cementu vápenec vzniklý reakcí vápníku s HCO3- v moři; do moře se Ca dostal řekami a je produkt zvětrávání hornin. C má různý původ: ze vzduchu (disoluce), z hornin zemské kůry nebo i z půdního org. uhlíku (tedy taky z fotosyntézy) z geologických vrstev se do atmosféry uhlík přirozeně vracel jen díky sopkám, v moři i rozpouštěním a vzestupným prouděním. Rychlý cyklus – tady a teď jednotky až tisíce let; předmět studia ekosystémové ekologie odebírá CO2 z atmosféry fotosyntézou; vytváří organické látky rozklad trvá různě dlouho: pár týdnů nebo pár tisíc let, záleží na podmínkách prostředí a vlastnostech rozkládaného materiálu: tyto rozdíly jsou klíčové! Když do rychlého cyklu přidáme uhlík spalováním fosilních paliv a výrobou cementu (tj. dlouhý cyklus urychlíme o miliony let), zásoba uhlíku v každé složce ekosystému, včetně vzduchu, se zvětší, i kdyby se s rychlým cyklem vůbec nic nedělo. ! Kolik je kde na Zemi uhlíku, který by mohl cyklit v rychlém nebo pomalém cyklu? Kolik uhlíku jsme spalováním fosilních paliv a výrobou cementu do koloběhu přidali? Geologické vrstvy Geologické vrstvy (bez fosilních paliv): 65 000 000 GtC Oceánské sedimenty: 1 800 GtC (?časovaná bomba - metan) Fosilní paliva (zásoby): 905 GtC Rozpuštěný anorganický uhlík ve vodě (zejména HCO3-): 37 000 GtC (? časovaná bomba-CO2) Ekosystémy (celkem 4250 GtC) Uhlík v půdě (SOC*: humus, rašelina, uhlíky; SIC**): 1700 GtC Permafrost (tajga, tundra): 1400 GtC Vodní ekosystémy (hlavně DOC) : 700 GtC Vegetace: 450 GtC Co je teď navíc v rychlém cyklu oproti předindustriální éře Přidali jsme spalováním fosilních paliv: 465 GtC ** zejména uhličitany (uhličitan vápenatý); rozpouští se do vody, může putovat do jeskyní, pěnovců a travertinů, moří a jezer * z toho 600 GtC v rašelině; rychle se přesouvá do atmosféry destrukcí tohoto ekosystému. Klíčová role ekosystémových procesů: produkce, dekompozice ! Ale uhlíku přidáváme do atmosféry nejen spalováním fosilních paliv, ale i destrukci ekosystémů a změnami využívání krajiny: oblasti, které by dřív uhlík v rychlém koloběhu na nějaký čas poutali, jej teď emitují. •odvodnění rašelinišť: uvolnění uhlíku vázaného v rašelině • kácení pralesů: uvolnění uhlíku vázaného v biomase • intenzívní zemědělství (méně humusu v půdě) • spad dusíku, eutrofizace: rychlejší dekompozice a mineralizace organické hmoty – uvolňování CO2 z půdního uhlíku v humusu • Hořící tropické rašeliniště www.carbonbrief.org Zpětné vazby mezi oteplováním, a dalším uvolňováním CO2 z ekosystémů: -uvolňování metanu při tání permafrostu - -uvolňování metanu ze dna moří při změně stratifikace vody - -zvýšená dekompozice rašeliny a humusu Kolik CO2 jsme tedy emitovali do atmosféry a kolik kvůli nám emitovala krajina, tj. ekosystémy a agro(eko)systémy? Global Carbon Budget 2022 Earth System Science Data K 465 GtC spalováním fosilních paliv jsme ještě přidali 205 GtC díky destrukci ekosystémů. V součtu tedy 670 GtC, z toho ekosystémy dokázaly absorbovat (fotosyntézou a uložením do SOC / DOC) jen 385 GtC (za cenu jejich acidifikace nebo zvýšení produktivity, které tuto jejich schopnost snižují); zbylých 275 GtC způsobilo navýšení CO2 v atmosféře. Role spalování fosilních paliv ale v současnosti roste (pravý graf) a vysvětluje 87% nárůstu CO2 v atmosféře. celková koncentrace sezónní variabilita kvůli fotosyntéze 1.11.2023: 418.84 ppm V geologické historii Země: Foster et al. 2017 Nature Communications prvohory druhohory třetihory čtvrtohory poslední glaciální maximum dnes Současný nárůst CO2 v atmosféře: více než dvojnásobek oproti poslednímu glaciálnímu maximu, o ¼ víc než v roce 1960. Jsme na úrovni třetihorního období před ca 20 miliony lety. Podle scénářů vývoje emisí se můžeme dostat až na úroveň prvohor. Antropogenní emise CO2 od roku 1850 a jak je zvládaly pohlcovat ekosystémy Global Carbon Budget 2022 Earth System Science Data kumulativně meziročně Global Carbon Budget 2022 Earth System Science Data uhlí a ropa na špici celkové emise: Čína vede, Indie se dotahuje: ale oni vyrábí i pro nás emise na jednoho obyvatele Důsledky zvýšené koncentrace CO2: -skleníkový efekt – změny klimatu -zdroj pro primární produkci (zejména C4 rostliny za předpokladu dostatku jiných zdrojů); při převisu uhlíku nad jinými živinami se mění biochemické složení biomasy (např. jiné složení dřeva; více cukrů) a poté se produkce zastaví (Liebigův zákon minima) -menší vysoušení půdy transpirací kvůli méně otevřeným průduchům (opět zejména C4 rostliny) -tzv. „zelenání planety“ – více autotrofů v mořích, zarůstání některých aridních oblastí Důsledky zvýšené koncentrace CH4: -skleníkový efekt – změny klimatu - www.abc.net.au Tato australská poušť se zelená, jinde ale pouště vznikají Acidifikace oceánů Vliv CO2 rozpouštěného ve vodě: oceány pohlcují velké množství nadbytečného CO2, to je ale okyseluje (vzniká kyselina uhličitá H2CO3 : viz dissolved inorganic carbon). Jde zčásti o abiotický proces (disoluce do vody), zčásti o biotický (fotosyntéza řas a pak rozklad jejich těl). miami.edu Spolu se znečištěním a oteplováním vody je příčinou zániku mořských ekosystémů, například korálových ostrovů. Globální ozeleňování kvůli zvyšující se koncentraci CO2? Oxid uhličitý zvyšuje produktivitu za předpoklady přístupnosti jiných zdrojů, hlavně vody. Jeho zvyšující se koncentrace ale sama může zlepšit hospodaření s vodou (regulace průduchů). V chladných oblastech (tundra) je vzrůst produktivity způsoben růstem teploty, a všude na Zemi i rostoucím množstvím dusíku v globálním cyklu. Mezi lety 2000–2018 vzrostla celková listová plocha na Zemi o 5,4 milionu km2, což zhruba odpovídá současné ploše Amazonského pralesa. Čtyřiatřicet procent povrchu souše se prokazatelně ozelenilo. Tento proces je do značné míry odpovědný za to, že ekosystémy do značné míry (ale ne úplně) dokázaly nadbytečné CO2 pohlcovat – tato jejich schopnost se ale může vyčerpat. Navíc se to děje za cenu úbytku biodiverzity: acidifikace oceánů, zvýšení kompetice a s tím související expanze některých K-stratégů v terestrických ekosystémech. Pokorný 2020, Vesmír Úbytek biodiversity kvůli klimatickým změnám -Ústup druhů neadaptovaných na nové teplotní a vlhkostní poměry, pomalý příchod adaptovaných druhů (limitace v šíření). Nově příchozí druhy se ale mohou chovat invazně a potlačovat původní druhy. - -Změny prostředí, které podporují málo početné zásobníky druhů (acidifikované oceány, acidifikace na severní polokouli, desertifikace). - -Rostoucí produktivita, která podporuje dominantní druhy, které pak kompetičně vytlačují slabší druhy Oxid uhličitý a s ním spojená klimatická změna ale nejsou hlavní příčinou úbytku diverzity na Zemi! Změny v land-use (přímá destrukce ekosystémů) jsou zásadnější! Newbold et al. 2020 Nature Ecol. Evol. úbytek diversity kvůli oteplování Tropické a mediteránní ekosystémy mají největší úbytek diverzity Příklady konfliktů mezi ochranou biodiversity a ochranou klimatu -biopaliva (plantáže palmy olejné versus tropická rašeliniště a tropické lesy; eutrofizace řek, jezer a moří z nadměrného hnojení polí s biopalivy – biopaliva mají mírnější regulace chemizace než potraviny) -zalesňování stepí (plantáž dřevin i temperátní les mají méně druhů než step) -přísevy druhů, které poutají uhlík, do původních travinobylinných společenstev -výstavba infrastruktury v diverzitně cenných místech (větrníky, solární kolektory, skleníky apod.) -prioritní ochrana a obnova ekosystémů, které poutají víc uhlíku, ale jsou druhově chudší -veganství versus údržba biodiverzitně cenných luk a pastvin Malajsie, plantáž na místě rašeliniště Author: Stephanie Evers Mrtvá zóna v Mexickém zálivu; serc.carleton.edu vrátíme se k tomu v poslední přednášce Globální biogeochemické cykly: dusík (N) Ovlivnění cyklu dusíku činností člověka: -těžba a spalování fosilních paliv: zvýšení přísunu dusíku do atmosféry (automobilismus, průmysl) -umělá hnojiva získaná těžbou (např. dusičnan sodný – ledek; síran amonný) -Haber-Boschův proces přeměny atmosférického N2 na amoniak do hnojiv -pěstování bobovitých rostlin (přírodní analogie Haber-Boschova procesu) -zvýšená denitrifikace na orné půdě a emise čpavku ve velkochovech NASA: koncentrace NO2 v troposféře Množství dusíku, který se dostává do ekosystémů z atmosféry se označuje jako atmosférická depozice dusíku. Suchá depozice s prachem, mokrá atmosférická depozice se srážkami (prší dusík). 1983 2021 Leip et al. 2011 Galloway et al. 2002 Atmosferickou depozicí se dusík dostává na velké vzdálenosti, i do moří, i do „bezzásahových oblastí“ málo obydlených hor (Sudety, Alpy, Karpaty). Na globální škále je její vliv ale nerovnoměrný, na rozdíl od oxidu uhličitého. 36-17-PhosphorusCycle-L Globální biogeochemické cykly: fosfor (P) vulkanické horniny (zvětrávání) biogenní sedimenty (kosti, zuby, schránky, trus ptáků – guáno, popel): obsahují fosfority získávání apatitu: výroba hnojiv (reakce s H2SO4 – vznik superfosfátu); v minulosti recyklace biogenních zbytků (kostí, popela, zbytků ryb), dnes hlavně těžba v rozsáhlých ložiscích (Maroko, Nauru, USA): řada z nich je ale kontaminována těžkými kovy: kontaminace půdy při používání levných „průmyslových“ hnojiv, v rozvojových zemích i otravy z rostlinné produkce při hnojení kontaminovanými fosfáty. Fosfor je vyčerpatelný zdroj pro lidstvo! (vzhledem k velikosti lidské populace už recyklace nestačí). Ale má dlouhé přetrvávání v půdě: trvá stovky až tisíce let, než se odčerpá nadbytečný fosfor (problém při obnově eutrofizovaných ekosystémů) V přírodě je většina ekosystémů limitována fosforem z důvodu jeho silných vazeb na železo, hliník (tropické půdy, kyselé půdy), případně na uhličitany (vápnité půdy pod velkým alespoň sezónním vlivem podzemní vody); navíc se pomalu uvolňuje z popela kvůli pomalé dekompozici spálených organických látek. Z těchto vazeb dokáží fosforečnany získat houby: rostliny jsou proto většinou odkázány na mykorhizu, silnější mykorhizní vztahy jsou pro ně kompetiční výhodou ve fosforem limitovaném prostředí. Eolický (větrem) transport fosforu a jeho redistribuce na velké vzdálenosti (suchá atmosférická depozice) Eolický přísun fosforu ze Sahary (sedimenty vyschlých jezer) do Amazonie: z důvodu přirozené limitace fosforem jde o důležitý proces, který udržuje vysokou produkci ekosystému, obnovu lesa po vykácení apod. Yu et al. 2015 Ložek 2010 Doba ledová: odnášení fosforu ze suchých (až pouštních) stepí a otevřené stepotundry a jejich ukládání do mocných sprašových vrstev v nížinách, spolu s uhličitanem vápenatým: na spraši pak vznikají úrodné půdy; osídlení v době prvních zemědělců (neolit; střední holocén) u nás kopíruje rozšíření spraší. sprašová step ziva.cz Ovlivnění cyklu fosforu činností člověka: eutrofizace: Zvýšení vstupu fosforu do terestrických a sladkovodních ekosystémů; nadbytečný fosfor z „pomalého geologického cyklu“ (těžba fosforitů a apatitu): nejen výroba hnojiv, ale i čistících prostředků (fosfáty, fosfonáty). Fosforem hnojíme ve velkých dávkách, protože se ho část naváže na kovy a stane nepřístupným: polní plodiny jsou bez mykorhiz, houby v intenzívně chemizované a obdělávané půdě nejsou, proto se aplikují velké dávky; z nich velká část kontaminuje přirozené ekosystémy, buď splachem (vodou) nebo eolickým odnosem (větrem: prach, tekutá hnojiva): čím větší lány, tím spíš. Fosforem bohatými hnojivy hnojíme i vodní kultury: rybníky; do vod se P dostává z pracích a čistících prostředků. www.eniscuola.net Důsledkem je eutrofizace jak vodních, tak terestrických ekosystémů (zvýšení produktivity, snížení druhové bohatosti). vesmir.cz sundayartist.ca Ve vodách vzniká tzv. vodní květ Ve vodách vzniká tzv. vodní květ: zvýšená produkce, přemnožení sinic, které produkují toxiny (amensalismus: alelopatie): propad druhové bohatosti, úhyny ryb, toxické maso ryb), kontaminace pitné vody, znemožněná rekreace Experimentální důkaz vlivu fosforu na eutrofizaci vod a vznik vodního květu. Globální biogeochemické cykly: síra (S) Ovlivnění cyklu síry činností člověka spočívá zejména v obrovském přísunu oxidů síry do ovzduší. Vstup síry do globálního ekosystému se činností člověka celkově zdvojnásobil. Zvýšení je nerovnoměrné – hlavně průmyslové oblasti. V atmosféře vznikají kyseliny, pH klesá. O kyselém dešti hovoříme, když je pH srážkové vody pod 5,6. Zaznamenáno i pH 2,1. Kyselé deště způsobují i oxidy dusíku a CO2. Důsledky: -přímé poškození organismů (např. vymizení lišejníků, úhyn stromů, dýchací obtíže), -acidifikace půdy (vyplavení živin se sorpčního komplexu) i vod (úhyn ryb, ústup vod a mokřadů s neutrálním pH apod.) http://lichenportal.org imisní holiny