Biogeochemia -

ćwiczenia

- Biogeochemiczne aspekty wyróżniania w ekosystemie lasu struktury pionowej,
troficznej paratroficznej i konkurencyjnej

- terenowe metody szacowania niektórych chemicznych właściwości gleby

- Stopień akumulacji materii organicznej i jej ekologiczne znaczenie

- Źródła glebowej materii organicznej oraz jej przemiany

- funkcja poszczególnych warstw roślinnych lasu w obiegu materii

- wpływ okapu drzew na chemizm wód opadowych (wzbogacanie i zatrzymywanie
niektórych pierwiastków)

- homeostaza ekosystemu

- Czynniki glebotwórcze, budowa profilu gleby.

- Gleba jako środowisko trójfazowe.

-Właściwości poszczególnych faz budujących glebę.

- odżywiania roślin. Biogeochemia makro i niektórych mikroelementów w glebie.

- Właściwości fizyczne i wodne gleb.

-Przegląd systematyki gleb Polski.

Biogeochemia

• Biogeochemia bada drogi przepływu

pierwiastków chemicznych pomiędzy

poszczególnymi składnikami ekosystemu

oraz wymiany tych pierwiastków między

ożywioną częścią ekosystemu (biocenozą)

i jej fizyko-chemicznym środowiskiem.

• Początkowo badania biogeochemiczne

skupiały się na poznaniu obiegu biogenów

w ekosystemie; obecnie z reguły bada się

równocześnie także drogi

przemieszczania się rozmaitych

zanieczyszczeń antropogenicznych.

 Aby ekosystem mógł funkcjonować, potrzebny jest przepływ energii i obieg
materii. Pierwiastki nieprzerwanie krążą pomiędzy żywymi organizmami i ich
nieożywionym środowiskiem. Krążenie każdego składnika w przyrodzie
nazywamy jego cyklem biogeochemicznym.

Krążące w tym obiegu pierwiastki nie giną, aczkolwiek mogą wypaść z
obiegu, kiedy znajdą się w miejscach niedostępnych dla organizmów; jednak
najczęściej są dostępne i wykorzystywane powtórnie przez organizmy.

Do najważniejszych cykli biogeochemicznych należą obiegi: węgla, azotu,
tlenu, fosforu, siarki i wody. Węgiel, azot, tlen, siarka i woda mogą
występować w stanie gazowym, w związku z tym mogą się przemieszczać
na duże odległości. Fosfor natomiast nie ma postaci gazowej, dlatego jego
obieg w przyrodzie jest trudniony.

KRAŻENIE PIERWIASTKÓW W EKOSYSTEMIE

- cykle biogeochemiczne

Przepływ energii a obieg materii

- U podstaw obiegu materii w ekosystemie leżą zachodzące w organizmach żywych
procesy fizjologiczne.

-Motorem napędowym cykli biogeochemicznych jest konieczność pozyskiwania
i wydatkowania energii.
- Stąd przepływ energii i obieg materii są ze sobą nierozerwalnie związane.
- W przeciwieństwie do energii, zasadnicza pula pierwiastków biofilnych (biogenów)
w zrównoważonym ekosystemie jest stała.

-Biogeny krążą wewnątrz ekosystemu w mniej lub bardziej zamkniętym cyklu, zmieniając
jedynie formę występowania ze związków nieorganicznych w organiczne i odwrotnie
wraz z zachodzącymi w organizmach żywych procesami fotosyntezy, asymilacji
i degradacji.
- Ponieważ energia magazynowana jest
przez producentów w postaci wiązań
chemicznych w wytwarzanych przez nie
związkach organicznych, krążeniu materii
nieodłącznie towarzyszy przepływ energii.

Pule pierwiastków biofilnych w ekosystemie

Ze względu na aktywność, z jaką ekosystem korzysta z zasobów pierwiastków
biofilnych, można wyróżnić ich dwie pule:

-pulę zasobów

- pulę wymienną

Pula wymienna jest mniejsza, lecz bardzo aktywna: zawarte w niej pierwiastki
chemiczne podlegają stałej wymianie między:
- organizmami (pula biotyczna)

- ich bezpośrednim środowiskiem (pula abiotyczna).

W ramach puli abiotycznej można dodatkowo wyróżnić:
- pulę nieorganiczną (biogeny dostępne w formie związków mineralnych)

-pulę organiczną (martwa substancja organiczna, detrytus).

Bilanse biogeochemiczne

- ekosystemy w stanie równowagi nie mają idealnie zamkniętych cykli

biogeochemicznych: zawsze pewna ilość pierwiastków chemicznych jest z

ekosystemu tracona wraz z odpływającą strumieniami wodą lub wskutek

erozji wietrznej.

- z drugiej strony istnieje ciągły dopływ pierwiastków z zewnątrz z opadami

atmosferycznymi, przemieszczającą się mgłą oraz w postaci tzw. suchej

depozycji.

-dopływ nadmiernych ilości biogenów prowadzi do eutrofizacji

(przenawożenia) i zachwiania naturalnych dla danego ekosystemu proporcji

pierwiastków biofilnych.

- dopływ pierwiastków o właściwościach toksycznych grozi ich akumulacją w

rozmaitych ogniwach ekosystemu do stężeń niebezpiecznych dla

organizmów żywych.

Bilans pierwiastków w

ekosystemie

• Drogi importu pierwiastków do ekosystemu:

– opady mokre (deszcz, śnieg)
– opad suchy (pyły)
– depozycja gazowa (np. SO

2

, NO

X

)

– intercepcja („wyczesywanie” – mgły, chmury)
– imigracja organizmów

• Drogi eksportu (ucieczki) z ekosystemu:

– odpływ powierzchniowy (strumienie)
– ucieczka do wód gruntowych
– erozja eoliczna (wietrzna)
– emigracja organizmów

Asymilacja versus

mineralizacja

• Punkt kompensacyjny:

natężenie światła, przy

którym fotosynteza = respiracja  V

O2

/V

CO2

= 1

• Tempo obiegu pierwiastków:

– może być bardzo różne w zależności formy

występowania pierwiastka w organizmach (np.
materiały energetyczne / budulcowe / jony) i
chemicznej mobilności pierwiastka

6 C O + 6 H O

2

2

C H O + 6 O

6

1 2

6

2

Obieg azotu jest znacznie bardziej skomplikowany, choćby z uwagi na
fakt, iż nie jest on bezpośrednio powiązany z przemianami
energetycznymi - jego związki mogą więc być wielokrotnie
wykorzystywane w obrębie ekosystemu.

Główną pulą azotu jest jego ogromny zapas w atmosferze, skąd trafia do
puli biotycznej za pośrednictwem bakterii wiążących azot atmosferyczny
(np. Rhizobium, Clostridium, Azotobacter) oraz niektórych glonów.

W przeciwieństwie do węgla, azot przechodzi szereg przemian
chemicznych wewnątrz ekosystemu, pośredniczących między jego
organicznymi i nieorganicznymi formami.

Znaczna część azotu, w postaci martwej materii organicznej, jest
tracona z obiegu wskutek sedymentacji na dnie oceanów.

Globalny obieg azotu

Bilanse biogeochemiczne,

eutrofizacja

• Dwa typy obiegów biogeochemicznych:

– gazowe (np. C, O, N, S)
– sedymentacyjne (np. P)

• Nadwyżka importu do ekosystemu nad

eksportem  eutrofizacja (= wzbogacenie w

substancje odżywcze)

– np. nadmierny dopływ P (czynnik limitujący) do

zbiorników wodnych  gwałtowny wzrost produkcji

materii organicznej przez glony (tzw. „zakwity”) 

obumieranie biomasy  intensywny rozkład

mikrobiologiczny  wyczerpanie zapasów tlenu 

śnięcie ryb, śmierć zbiornika wodnego.

Badanie obiegów

biogeochemicznych:

badania zlewniowe

o p a d p o d k o r o n o w y

o p a d ś c ió łk i

l iz y m e tr p o d

p o w . w a r s tw y

o r g a n i c z n e j

l iz y m e tr

p o n i ż e j s tr e f y

u k o r z e n i a n i a

p r z e l e w n a s t r u m ie n i u

l im n ig r a f

d e s z c z o m ie r z

( o p a d y a tm o s f e r y c z n e )

s p ły w p o p n i a c h

Badania cykli biogeochmicznych zmierzają na ogół do poznania

bilansu biogenów dla całego ekosystemu oraz ich wymiany pomiędzy

poszczególnymi składnikami ekosystemu.

Wynika stąd konieczność ścisłego wyznaczenia granic ekosystemu, zwłaszcza

pod względem hydrologicznym. Warunek ten najłatwiej jest spełnić, gdy

badania prowadzi się w obrębie zlewni danego cieku wodnego (zlewnia jest

odpowiednikiem dorzecza w mikroskali - oznacza obszar, z którego cała woda

dochodząca wraz opadami atmosferycznymi spływa do jednego strumienia).

Pomiaru dopływu dokonuje się przez pomiar ilości opadów

atmosferycznych na badanym obszarze przy pomocy deszczomierzy, pomiar

tzw. suchej depozycji (opad pyłu) oraz intercepcji

("wyczesywanie","depozycja pozioma" - woda wraz z rozpuszczonymi w niej

związkami chemicznymi przenoszona w postci mgły i chmur.

Zgromadzone tak dane pozwalają już na wyciągnięcie wniosków na

temat ogólnej gospodarki ekosystemu: jakie pierwiastki chemiczne "uciekają"

z ekosystemu (odpływ większy od dopływu), a jakie akumulują się (dopływ

większy od odpływu). Badania bardziej szczegółowe wymagają poszerzenia

badań o przepływy wewnątrz ekosystemu w postaci opadu podkoronowego,

spływu po pniach, opadu ściółki, roztworu glebowego itp .

Przepływ pierwiastków przez

ekosystem

Obieg węgla w przyrodzie

Obieg azotu w przyrodzie

Obieg azotu w przyrodzie

Obieg fosforu w przyrodzie

Obieg siarki w przyrodzie