Ekologia rolnictwa
Ekologia rolnictwa
4
4
Funkcjonowanie ekosystemu
Funkcjonowanie ekosystemu
" procesy i zależności zachodzące między różnymi populacjami,
atakżemiędzy populacjami i czynnikami abiotycznymi określonego
ekosystemu
" badanie zależności między funkcjonowaniem a różnorodnością 
podstawowe zadanie ekologii
" Fotosynteza
" Produkcja
" Dekompozycja
" Obieg pierwiastków  cykle biogeochemiczne - przemieszczanie
pierwiastków
Ogólny schemat krążenia pierwiastków biogennych
Ogólny schemat krążenia pierwiastków biogennych
 skala globalna
 skala globalna
H2O
pierwiastki
nielotne
opady
tylko lotne
pierwiastki
tylko lotne
pierwiastki
Lądowa sieć
pokarmowa
parowanie
pobór
Pierwiastki martwa materia
ocean
biogenne organiczna
w roztworze
rozkład
morska sieć
pokarmowa
Straty  spływ
powierzchniowy
martwa materia
wietrzenie
organiczna
część lądowa biosfery
Krążenie pierwiastków
Krążenie pierwiastków
" Poszczególne atomy pierwiastków są niezniszczalne 
mogą być wielokrotnie wykorzystywane przez rośliny i
zwierzęta
" Ekologia  pozwala zrozumieć i ilościowo ujmować te
cykle, w aspekcie wpływu człowieka
" Zmiana cykli wpływ na klimat świata,
konsekwencje dla roślin i zwierząt
" Globalne cykle  suma lokalnych zdarzeń zachodzących
w różnych biocenozach
" Ekosystemy nie są izolowane- dzięki meteorologicznym,
geologicznym i biologicznym mechanizmom transportu
pierwiastki krążą w biosferze
magazynowanie w GtC; przepływy w GtC/rok
Obieg C
atmosfera 760
CO2
paliwa kopalne i
produkcja cementu
organizmy
lÄ…dowe 610
wylesianie
gleby
1,580 SOC
powierzchnia
950 SIC
oceanu 1,020
organizmy
morskie 3
osady 38,100
węgiel
rozpuszczony <750
sedymenty 150
Dekompozycja martwej materii organicznej
Dekompozycja martwej materii organicznej
6CO2 + 6H2O
CH12O + 6O2
6 6
Fizykochemiczna i biologiczna degradacja materii organicznej:
mikroorganizmy (bakterie, grzyby) - rozkład biologiczny
fauna glebowa (głównie bezkręgowce) -
" rozdrabnianie resztek roślinnych i zwierzęcych
" dyspersja mikroorganizmów
" środowisko życia
" żerowanie na mikroorganizmach- wpływ na tempo
rotacji
" mieszanie materii organicznej z glebÄ… mineralnÄ…
Pula węgla w glebach
Pula węgla w glebach
" Globalna pula C w glebach stanowi ok. 2500 Gt:
1580 Gt węgla organicznego (SOC) i 950 Gt węgla
w postaci związków nieorganicznych (SIC)
" To 3 razy więcej niż pula węgla w atmosferze (760 Gt)
i 4.5 razy więcej niż pula węgla zgromadzonego w
biomasie (610 Gt)
" Glebowa materia organiczna nie stanowi jednorodnej
puli - frakcje o różnym tempie rozkładu
Obieg węgla w ekosystemach lądowych
Obieg węgla w ekosystemach lądowych
CO2
produkcja pierwotna brutto
CO2
respiracja autotrofów
produkcja pierwotna netto
produkcja ściółki konsumpcja i asymilacja
CO2 CO2
produkcja wtórna netto
respiracja respiracja
heterotrofów heterotrofów
biomasa biomasa biomasa
mikrobów roślin konsumentów
drapieżnictwo i
śmiertelność
materia organiczna
produktywność netto
Zak, 2006, TREE
Dekompozycja
Dekompozycja
" temperatura
" wilgotność
" skład materii organicznej
" gleba (parametry fizykochemiczne)
" stężenia biogenów
" obecność i różnorodność mikroorganizmów oraz fauny
glebowej
" działalność człowieka  nawożenie, zanieczyszczenia
tempo dekompozycji jest bardziej wrażliwe na zmiany
temperatury niż tempo produkcji pierwotnej netto
Tempo dekompozycji zależy od rzeczywistej
Tempo dekompozycji zależy od rzeczywistej
ewapotranspiracji
ewapotranspiracji
Podobnie jak tempo produkcji pierwotnej
AET (mm)
Utrata masy w ciÄ…gu I roku (%)
Funkcjonowanie ekosystemów i różnorodność
Funkcjonowanie ekosystemów i różnorodność
" Badanie zależności pomiędzy różnorodnością i
funkcjonowaniem ekosystemów - podstawowe zadanie
ekologii
" Cykle biogeochemiczne stanowią najważniejsze funkcje
ekosystemowe i gleba odgrywa w nich zasadniczÄ… rolÄ™,
szczególnie obieg węgla i azotu
" Chociaż funkcje te mogą być pełnione jedynie przy
udziale organizmów żywych najczęściej tempo procesów
zwiÄ…zanych z obiegiem C lub N bywa rozpatrywane w
zależności od abiotycznych czynników środowiska
(temperatury czy dostępności wody), co powoduje że
specyficzna rola poszczególnych biologicznych
komponentów jest znacznie gorzej rozpoznana.
Różnorodność biotyczna
Różnorodność biotyczna
" Różnorodność w obrębie gatunku (wewnątrzgatunkowa)
" Liczba gatunków w zespole (populacji)
" Zmienność genetyczna (bogactwo puli genowej) w
obrębie gatunku (populacji)
" Zróżnicowanie systemów ekologicznych występujących
na danym obszarze i na całej Ziemi
" Różnorodność form życia oraz różnorodność
zasiedlanych ekosystemów
Skale różnorodności
Skale różnorodności
Różnorodność biotyczna wykazuje zmienność w różnych
skalach przestrzennych
cm3 gleby m2 powierzchni roślinności km kontynent
1 mld bakterii,
120 tys grzybów,
25 tys. glonów
Historia
Historia
" 1853 Darwin  dlaczego życie na ziemi odznacza się tak
wielką różnorodnością?
" 1953 Odum  duża różnorodność sprzyja stabilności
" 1955 MacArthur  sieci troficzne, liczebność i struktura
zespołów, podział zasobów
" 1959 Hutchinson  dostępna energia ogranicza liczbę
gatunków
" lata 90 XX w. Tilman  różnorodność roślin,
produktywność i funkcjonowanie organizmów naziemnych
Różnorodność - produktywność
Różnorodność - produktywność
różnorodność funkcjonalna
różnorodność gatunkowa
(liczba dodanych grup funkcjonalnych)
(liczba dodanych gatunków)
Zależność biomasy roślin (produktywności) od różnorodności
gatunkowej i funkcjonalnej
Tilman, 1997, Science
2
2
biomasa roślinna (g/m )
biomasa roślinna (g/m )
Czy mikrobiologiczna różnorodność gleb
jest ważna dla funkcjonowania
ekosystemów ?
Mikroorganizmy w glebie
Mikroorganizmy w glebie
Mikroorganizmy glebowe pełnią zasadniczą rolę w:
" przepływie energii
" obiegu materii i biogenów (dekompozycja)
" rozkładzie zanieczyszczeń
" utrzymywaniu struktury gleby i procesach humifikacji
stanowią istotną i wrażliwą część materii organicznej
Właściwy stan zespołów mikroorganizmów glebowych  ich
odpowiednia ilość, aktywność i różnorodność  jest
warunkiem koniecznym dla prawidłowego funkcjonowania
ekosystemów lądowych
Skąd taka różnorodność?
Skąd taka różnorodność?
biologiczne
różnorodność interakcje-
nisz sieci troficzne
sposób użytkowania
własności siedliska
dostępność
stres
zasobów
różnorodność
mikroorganizmów
produktywność ?
stabilność ?
elastyczność?
tolerancja ?
Różnorodność mikroorganizmów
Różnorodność mikroorganizmów
" Zmienność gatunkowa - liczba gatunków bakterii,
grzybów i glonów wchodzących w skład zespołu
(bogactwo gatunkowe)
" Zmienność genetyczna w obrębie populacji  rozkład
informacji genetycznej
" Ekologiczne zróżnicowanie - względna częstość
występowania osobników z poszczególnych gatunków,
zmiany w strukturze zespołów, liczba poziomów
troficznych, interakcje
Różnorodność funkcjonalna  redundancja
Różnorodność - funkcje gleby (redundancja)
Różnorodność - funkcje gleby (redundancja)
2
1
liczba gatunków
krzywa 1 - gatunki równoważne dla funkcji ekosystemu (hipoteza rivet),
krzywa 2 - zależność uwzględniająca redundancję
Bengtsson, 1998, Appl. Soil Ecol.
funkcje ekosystemu
Jaką rolę odgrywa funkcjonalna różnorodność
mikroorganizmów w funkcjonowaniu
subsystemu glebowego ?
Użytkowanie - różnorodność
Użytkowanie - różnorodność
zmienna bór naturalna
monokultura pastwisko
sosnowy roślinność
uprawa
Wpływ użytkowania na różnorodność metaboliczną mikroorganizmów
Lynch, 2004, Biol. Fert. Soil
różnorodność metaboliczna
Różnorodność - tempo dekompozycji
Różnorodność - tempo dekompozycji
chityna
10 20 30 40
liczba gatunków grzybów
Wpływ grzybów saprofitycznych na tempo dekompozycji
Setala, 2004, Oecologia
-1
-1
2
µ
g CO  C g
sm h
Różnorodność - stabilność
Różnorodność - stabilność
poczÄ…tkowe pH
Zmiany wskaz
nika różnorodności na skutek działania stresu w glebach
pastwisk (duża różnorodność) - linia przerywana i w glebach uprawnych
(monokultura- mniejsza różnorodność)  linia ciągła
Degens i in., 2001, Soil Biol. Biochem.
wskaz
nik różnorodności
Biogeny- różnorodność
Biogeny- różnorodność
dodatek N kg N/ha
dodatek N kg N/ha
Zależność wskaz
nika aktywności metabolicznej i różnorodności
mikrobiologicznej od intensywności nawożenia
Ruppel, 2007, Biol. Fert. Soil
-1
2
-1
2
qCO (ng CO -Cµg Cmic h
)
różnorodnodność prokariotów
Udział fauny w przemianach glebowych
Udział fauny w przemianach glebowych
" Oddziaływuje na fizyczne, chemiczne właściwości gleby,
szybkość rozkładu materii organicznej i krążenie
pierwiastków
" Właściwości transportowe, aktywność kanałowa 
zwiększenie pojemności por, przepływ wody i pojemność
wodnÄ… gleby
" Wpływa na napowietrzenie i podatność gleby na erozję
" Przepływ gleby przez dżdżownice i wydaliny fauny
wpływają na strukturę gleby
" Fauna rozdrabnia śćiółkę, zwiększając powierzchnię
napowietrzania
" Stosunkowo mały udział w mineralizacji substancji
organicznej
Mineralizacja azotu
Mineralizacja azotu
" Fauna głównie uczestniczy w mineralizacji N
Mikroby rozkładają szczątki roślinne mające szeroki
stosunek C:N (100 lub więcej)
SyntetyzujÄ… biomasÄ™ o wÄ…skim stosunku C:N (ok.10) na tej
biomasie żeruje fauna
Np. Wykazano, że w lesie sosnowym
biomasa fauny stanowiła 1.7 g /m2
bakterii 39 g/m2
grzybów 120 g /m2
I fauna skonsumowała 30-60% produkcji mikrobiologicznej
Fauna mineralizuje od 19-38% N glebach uprawianych
rolniczo w Szwecji
Gazowy obieg azotu
Gazowy obieg azotu
Rośliny i biogeny
Rośliny i biogeny
" C, N, H, O  rośliny czerpią z gleby lub powietrza
" C - fotosynteza (CO2)
" O - woda lub atmosfera
" H - woda
" N  gleba azotany, sole amonowe
" C, H, O  składniki lipidów, węglowodanów, kwasów
nukleinowych, białek
" N - kwasy nukleinowe, białka, chlorofil
Rośliny i biogeny
Rośliny i biogeny
" K  pobierany przez rośliny w dużych ilościach,
występuje w komórkach w postaci jonowej K+ -
warunkuje dopływ wody do komórki i utrzymanie turgoru,
otwieranie i zamykanie szparek
" Ca - funkcje strukturalne (blaszka srodkowa), jony Ca2+
funkcje fizjologiczne- przepuszczalność błon, wtórne
przekaz
niki bodz
ców
" Mg  składnik chlorofilu, aktywator enzymów
" P- składnik kwasów nukleinowych, fosfolipidów i
czÄ…steczek przenoszÄ…cych energiÄ™ (ATP)
" S- składnik aminokwasów i witamin
" Si- wzmacnia tkanki roślinne
Jak ocenić rolę pierwiastka
Jak ocenić rolę pierwiastka
" Uprawy hydroponiczne  eliminacja niezbędnych
składników i ocena parametrów wzrostu
" Doświadczalne potwierdzenie wpływu na wzrost,
metabolizm, rozmnażanie
" Niewłaściwa gospodarka może niszczyć glebę
zubażając dostępną pulę biogenów