Agroekologia
Wiadomości wstępne
I. Podstawowe definicje
Eko - dom, mieszkanie, otoczenie
Logos - nauka
E. Haekel - niemiecki zoolog 1869 wg niego ekologia to nauka, która bada wzajemne zależności między organizmami, a ich środowiskiem zarówno ożywionym (biotycznym), jak i nieożywionym (abiotycznym)
Środowisko abiotyczne - temperatura, wilgotność, kwasowość gleby
Środowisko biotyczne - oddziaływania ze wszystkimi innymi organizmami
Odum E.P. 1982 - ekologia to nauka o strukturze i funkcjonowaniu przyrody
Krebs C.J. 1974 - ekologia jest nauką o zależnościach decydujących o liczebności i rozmieszczeniu organizmów. Odpowiada na pytania:
Gdzie występują organizmy, w jakich liczebnościach i dlaczego właśnie tu i właśnie tyle?
Autekologia - (gr. autos - sam) dział ekologii, który zajmuje się badaniem związków pojedynczych organizmów z ich środowiskiem życia i reakcją na jego zmiany, rodzajem przystosowania.
Synekologia (ekologia ogólna) - (gr. syn - razem) zajmuje się grupami organizmów, ich wzajemnymi zależnościami, a także zależnością od warunków środowiska (ekologia populacji, biocenoz, ekosystemów, krajobrazu, biosfery), cechą ekologii ogólnej jest zainteresowanie strukturą i funkcjonowaniem układów PONAD ORGANIZMALNYCH
II. Poziomy organiczne biologiczne, układy ekologiczne
Zespół powiązanych ze sobą organizmów i elementów przyrody nieożywionej stanowiący wzajemnie współzależną całość, to układ przyrodniczy albo ekologiczny
Główną zasadą socjologii jest jedność organizmów ze środowiskiem.
Ekologia rolnicza to ekologia stosowana.
Agroekologia (agros - rola) - dział ekologii zajmujący się zjawiskami ekologicznymi zachodzącymi w obrębie agrocenoz i agroekosystemów.
Agrocenoza - (koinas - wspólny) - biocenoza wtórna stworzona przez człowieka w celu uzyskania maksymalnego plonu powstała w wyniku zniszczenia biocenozy naturalnej i utworzona na jej miejscu sztucznego, uproszczonego ekosystemu rolniczego (agroekosystemu)
Agroekosystemy - najbardziej zantropogenizowany układ ekologiczny, poddawany stałemu działaniu agrotechnicznemu człowieka. Wśród producentów - główne rośliny uprawne, głównymi konsumentami są człowiek i zwierzęta gospodarskie. Czynniki abiotyczne i biotyczne podlegają silnej ingerencji człowieka (nawożenie, stosowanie pestycydów itd.). Ekosystem niezrównoważony z otwartymi cyklami biogeochemicznymi, w których produkcja przekracza nakład.
Szybki wzrost populacji i uboczne skutki postępu cywilizacyjnego doprowadzają do degradacji środowiska.
Sozologia (ewolucja środowiskowa) - dziedzina wiedzy opisująca zmiany w środowisku przyrodniczym (np. zanieczyszczenia wód, powietrza, gleby) zachodzące zwłaszcza pod wpływem czynników postępu technicznego (antropopresja) i sposoby zapewniające trwałość jego użytkowania. Twórcą terminu w 1962 został W. Goetel.
Ochrona środowiska - jest to zespół środków i działań (prawnych, organizacyjnych, technicznych) zmierzających do utrzymania środowiska w stanie zapewniającym optymalne warunki bytowania człowieka. Respektuje zasady ekologii i jest jej podporządkowana.
Czynniki ekologiczne (czynniki środowiskowe)
I. Czynniki środowiska - elementy żywej przyrody (biotyczne czynniki) i nieożywionej, wzajemnie powiązane składające się na swoiste środowisko danego terenu, oddziałujące zespołowo na życie wszystkich organizmów i rozwój lokalnych ekosystemów.
1. Naturalne
abiotyczne - klimat, gleba, rzeźba terenu, pożary
biotyczne - organizmy żywe oraz interakcje między nimi np. bakterie, grzyby, rośliny, zwierzęta oraz oddziaływania między nimi (np. symbioza)
2. Antropogeniczne (sztuczne) - działalność człowieka
w rolnictwie np. zabiegi agrotechniczne (uprawianie roli, nawożenie)
II. Czynniki klimatyczne
1. Promieniowanie słoneczne
a. promieniowanie widzialne (światło)
- składa się z fali od długości 400 - 750 nm.
- w tej postaci do Ziemi dociera około 45% energii
b. promieniowanie niewidzialne (niewidzialne dla człowieka)
- podczerwone o długości fali powyżej 750 nm. - 48% źródła energii
- ultrafioletowe o długości fali poniżej 400 nm. - 7% źródła energii, ma korzystne lub niekorzystne działanie na organizmy
UV-A - 320 - 400 nm.
UV-B - 290 - 320 nm.
UV-C - poniżej 290 nm.
c. znaczenie energii świetlnej
- fotosynteza
podstawa życia
powstaje materia organiczna z nieorganicznej
gromadzi energię słoneczną (przekształconą w chemiczną) w biomasie
autotroficzne organizmy korzystają z energii słonecznej
w procesie fotosyntezy ma znaczenie promieniowanie czynne fotosyntetycznie (380-710 nm.)
biomasa roślin jest źródłem: energii i materii dla konsumentów, oraz surowców dla przemysłu
biomasa jest zbiornikiem, CO2 i energii odnawialnej
- źródło energii cieplnej na Ziemi
- warunkuje klimat
- fotoperiodyzm - wpływa światła (chodzi o stosunek długości dnia do nocy) na rozwój roślin oraz rozwój i zachowania zwierząt
wyróżniamy rośliny dnia długiego, które przechodzą z rozwoju wegetatywnego w rozwój generatywny przy dniu powyżej 14 godzin
rośliny dnia krótkiego, kwitną w warunkach dnia krótkiego poniżej 12 godzin (kukurydza, proso)
rośliny fotoperiodycznie obojętne nie reagują na długość dnia
w rolnictwie głównie rośliny dnia długiego
zwierzęta dzienne (pszczoła, ptaki, dziki)
zwierzęta nocne (ćmy, sowy, gryzonie)
zwierzęta całodobowe (muchówki, chrząszcze, jesiotrowate)
2. Temperatura
a. Bezpośrednie źródła ciepła na Ziemi:
- promieniowanie słońca 99%
- procesy geologiczne zachodzące we wnętrzu Ziemi (1%)
Wszystkie organizmy żywe rozwijają się w zakresie temperatury optymalnej, każdy ma inne wymagania termiczne
b. Organizmy żywe
- zmiennocieplne - czynności życiowe są ściśle uzależnione od warunków termicznych
- stałocieplne - większa tolerancja
c. Życie na Ziemi: od - 200 °C (przetrwalniki i zarodniki) do +100 °C (niektóre glony i bakterie termofilowe)
Większość organizmów ma niski zakres tolerancji temperatury (od kilku do 35 °C) optymalna 25 - 30 °C, temperatury powyżej 45 °C powodują koagulację białka
d. rozróżnienie organizmów
- stenotermiczne - rośliny środowisk wodnych
- eurytermiczne - rośliny środowisk lądowych
3. Woda (opady) i wilgotność
Hydrosfera - wody na kuli ziemskiej w postaci ciekłej, stałej (lód) i gazowej-para wodna
W litosferze i atmosferze - wody atmosferyczne, powierzchniowe i podziemne
a. Warunki wodne środowiska uzależnione są głównie od:
- ilości rozkładu opadów atmosferycznych
- tempa parowania i transpiracji
Wszystkie procesy zachodzą w środowisku wodnym
b. Bilans wody
- korzystny - ilość opadów jest większy niż utraty wody
- niekorzystny - ilość opadów jest mniejsze niż utraty wody
- proces parowania jest uzależniony od temperatury
- biomy
pustynie - duże temperatury, mało wody
lasy deszczowe - niskie temperatury, dużo wody
c. w zależności od zasobów wody rośliny dzielimy na:
- hydrofity - rośliny wodne
- higrofity - rośliny częściowo zanurzone w wodzie lub rośliny terenów podmokłych
- mezofity - rośliny siedlisk średnio wilgotnych
- kserofity - rośliny siedlisk suchych
4. Wiatr
5. Składniki atmosfery (atmosfera)
a. rola w utrzymaniu bilansu termicznego całej planety
b. regulacja składy promieniowania słonecznego
c. N2O2, CO2, H2O - naturalne składniki atmosfery
d. zanieczyszczenia m. in. NO2, SO2, CH4, NH3, CFC, (O6), pyły + CO2 antropogeniczne - niszczą warstwę ozonową i powodują efekt cieplarniany
III. Porównanie środowiska lądowego i wodnego
|
Środowisko
|
|
Czynniki środowiska |
Wodne |
Lądowe |
Gęstość |
duża |
mała |
O2 |
3,5% |
21% |
CO2 |
1,7% |
0,03% |
N2 |
6,3% |
78% |
wahania temperatury |
małe |
duże |
oświetlenie zewnętrzne |
rozproszone |
pełne |
Skład powietrza w %
|
||
|
powietrze glebowe |
powietrze atmosferyczne |
CO2 |
0,3 - 2,7 |
0,03 |
O2 |
10 - 20 |
21 |
N2 |
78 - 87 |
78 |
Organizm a środowisko
Organizm żywy stanowi samoregulujący się trwający w czasie mechanizm, który jest układem przepływowym, ściśle związany z otoczeniem poprzez procesy przemiany materii (Trojan).
Organizm czerpie ze środowiska materiały oraz energię, a równocześnie wydala produkty przemiany materii i zmienia w ten sposób swoje otoczenie.
I. Zmienność warunków środowiska
Dostosowanie do środowiska - miarą jest zdolność osobnika do wydania potomstwa. Najlepsze dostosowanie - największy udział w przekazywaniu swoich cech następnym pokoleniom.
Adaptacja - każda dziedziczna cecha organizmu, która korzystnie wpływa na jego przeżycie lub sukces rozrodczy
Homeostaza - utrzymywanie względnie stałych warunków wewnętrznych organizmów wobec zmieniających się warunków środowiska (zewnętrznego)
Równowaga dynamiczna - równowaga miedzy organizmem a środowiskiem oraz wewnątrz samego organizmu
Obecność i czynności życiowe organizmu uzależnione są od działania wielu czynników środowiska. Czynniki te podlegają nieustannym zmianom.
Prawo minimum Liebiga (1841): wzrost i rozwój organizmu zależy od tego składnika pokarmowego, którego jest najmniej w środowisku. Prawo to dotyczy także wszystkich innych czynników środowiska (ilościowych i jakościowych), czyli organizm może żyć tylko w pewnym określonym przedziale zmienności warunków środowiska, zmiana tych warunków może być tolerowana lub przekraczać granice tolerancji
Tolerancja - genetycznie utrwalona zdolność organizmu do kompensowania zmian środowiska
Zakres tolerancji - zakres zmienności warunków środowiska, w jakich organizm może żyć
Prawo tolerancji (Schelford) - mówi, że zarówno niedobór jak i nadmiar (tak ilościowy jak i jakościowy) któregokolwiek z czynników występujących w ilościach bliskich granicy tolerancji organizmu może wpłynąć ograniczająco na organizm
Czynnik ograniczający - czynnik ekologiczny, który zbliża się do granic tolerancji gatunku, lub je przekracza
Punkt krytyczny - wartość progowa danego czynnika, powyżej której, lub, poniżej której organizm nie może istnieć (jest dolny i górny punkt krytyczny)
Gatunki eurytopowe (eurybionty) - o szerokim zakresie tolerancji, zasiedlają środowiska o zróżnicowanych warunkach i dużych wahaniach czynników zewnętrznych (eury - szeroki)
Gatunki stenotopowe (stenobionty) - o wąskim zakresie tolerancji, wyspecjalizowane, często są gatunkami wskaźnikowymi, czyli bioindykatorami (steno - wąski). Bioindykacja naturalnych warunków siedliska, oraz zanieczyszczenia środowiska.
Gatunki oligostenotopowe - niskie natężenia czynników, polistenotopowe - wysokie
Prawo Shelforda jest rozszerzone regułami pomocnymi:
1. Tolerancja organizmu może być zmienna zależnie od funkcji, wieku i płci organizmu.
2. Tolerancja może ulegać zmianom zależnie od wpływu innych czynników.
3. Organizmy mogą mieć szeroki zakres tolerancji w stosunku do jednego czynnika a wąski w stosunku do innego.
4. Organizmy o szerokim zakresie tolerancji w stosunku do wszystkich czynników mają duże zasięgi geograficzne.
5. Granica tolerancji dotyczy nie tylko organizmów, ale całych populacji.
6. Różna tolerancja osobników w obrębie tej samej populacji.
Działanie czynników środowiska
1. Wysoki plon można uzyskać w warunkach optymalnej dostępności wszystkich wymaganych przez rośliny czynników środowiska.
2. Zarówno niedobór danego czynnika (poniżej minimum) ja i jego nadmiar (powyżej maksimum) wpływa na organizmy (w tym rośliny) szkodliwie.
3. Oddziaływanie czynników ekologicznych na organizmy jest kompleksowe. Zmiana poziomu jednego czynnika modyfikuje działanie innych.
4. Ten sam czynnik dział inaczej zależnie od stadium rozwoju rośliny.
5. Na ogół żadnego z czynników środowiska nie można zastąpić innym.
Regulacja czynników środowiska
1. Czynna - przez przeobrażanie czynników środowiska (np. uprawa roli, nawożenie, nawadnianie, stosowanie pestycydów)
2. Bierna - przez dobór gatunków i odmian roślin do istniejących warunków glebowych i klimatycznych oraz przez dostosowanie agrotechniki roślin do warunków środowiska (optymalne ich wykorzystanie) rosnące znaczenie postępu technicznego i biologicznego.
Ekologia - populacje
I. Definicja populacji
1. W demografii: np. populacja Krakowa, populacja Polski itd.
2. W ekologii populacji: grupa osobników tego samego gatunku zamieszkującego ten sam teren w tym samym czasie
3. Populacja może się składać:
a. z pojedynczych osobników (łatwo wyróżnianych)
b. z organizmów o budowie modularnej (wiele gatunków roślin, koralowce)
II. Cechy populacji
1. Zasięg przestrzenny
a. siedlisko - przestrzeń zajmowana przez populację
b. areał osobniczy - część przestrzeni siedliska przypadająca na osobnika
c. zasięg przestrzenny populacji - suma areałów poszczególnych osobników
d. terytorium (rewir) - przestrzeń szczególnie preferowana, aktywnie broniona przez osobnika
e. ograniczenia występowania populacji
- rozkład przestrzenny środowiska nadającego się do zasiedlenia
- konkurenci
2. Liczebność i zagęszczenie
a. liczebność - liczba osobników danej populacji
b. zagęszczenie - liczba osobników przypadająca na dany obszar
c. wpływ na nie mają: rozrodczość, śmiertelność, emigracja, imigracja
3. Rozrodczość i śmiertelność
a. rozrodczość - stosunek liczby nowo urodzonych osobników do liczebności populacji
- rozrodczość maksymalna - zdolność do wytwarzania potomstwa
- rozrodczość ekologiczna (realizowana) = rozrodczość maksymalna - opór środowiska
b. opór środowiska - czynniki abiotyczne i biologiczne ograniczające tempo rozrodu
c. na rozrodczość wpływają:
- płodność
- długość życia
- dojrzałość do rozrodu
- czynniki abiotyczne
d. wyróżnia się strategie rozrodu
- strategia typu "r" - ilościowa, dużo potomstwa
- strategia typu "k" - jakościowa, mało potomstwa
e. śmiertelność - stosunek liczby zmarłych osobników do liczebności populacji
f. przyczyny śmiertelności:
- środowiskowe
- osobnicze
- populacyjne
- biocenotyczne
4. Migracja (emigracja i imigracja)
5. Struktura populacji:
a. przestrzenna (pionowa i pozioma)
b. wiekowa (piramidy wieku)
- populacja gwałtownie rosnąca (A)
- populacja ustabilizowana (B)
- populacja wygasająca (C)
c. płci
d. genetyczna
e. socjalna
Dynamika populacji i regulacja liczebności populacji
Fazy dynamiki liczebności populacji (fazy populacyjne) są uwarunkowane zmianami liczebności, zagęszczeniu, struktury wieku i płci.
Wyróżniamy 3 fazy populacyjne:
a. wzrostu
- krzywa wzrostu populacji typu J (wzrost wykładniczy) typowa dla zwierząt i roślin o krótkich okresach wzrostu. brak czynnika ograniczającego, brak konkurencji, załamanie liczebności po przekroczeniu pojemności środowiska
- pojemność środowiska (k) - maksymalna liczebność populacji, jaka może w sposób długotrwały w określonym środowisku przy określonej wielkości zasobów
- wzrost wg krzywej logistycznej typu S, typowy dla populacji opanowującej siedlisko o ograniczonych zasobach, wzrost aż osiągnie równowagę i dalej niewielkie wahania wokół "k"
b. równowagi
c. spadku
Zmienność faz istotna jest w: ochronie gatunków, eksploatacji populacji, walki ze szkodnikami i chorobami itp.
Regulacja liczebności populacji
a. niezależny od zagęszczenia - liczebność populacji jest wciąż redukowana przez zaburzenia środowiskowe, dzięki którym nigdy nie dochodzi do osiągnięcia liczebności "k"
b. zależny od zagęszczenia - liczebność populacji wzrasta aż do osiągnięcia liczebności, "k", kiedy dalszy wzrost jest niemożliwy ze względu na ograniczone zasoby (wyczerpują się zasoby, brak siedlisk itp.) Do czynników biologicznych zależnych od zagęszczenia należą: łatwość rozprzestrzeniania się.
c. mechanizmy wewnątrzpopulacyjne
- konkurencja wewnątrzgatunkowa
- samoprzerzedzanie
- dobór grupowy
- stabilizujący wpływ zmienności indywidualnej
- zanieczyszczenie środowiska odchodami
- terytorializm
- stres w populacji przegęszczonej i zmiany fizjologiczne osobników oraz wzrost śmiertelności i obniżenie płodności, kanibalizm.
Agrosystemy - populacje roślinne są kształtowane przez człowieka
Gradacja - zjawisko masowego rozmnożenia się osobników danego gatunku o charakterze lokalnym, głównie owadów (gąsienice, motyle)
Ekspansja lub inwazja - masowe pojawienie się gatunku "przychodzącego" z zewnątrz, dotychczas nieobecnego na danym terenie (szarańcza, przed laty stonka ziemniaczana), sprzyja baza pokarmowa i brak wrogów naturalnych.
Biocenoza
I. Cechy biocenozy:
1. Zajmuje określoną przestrzeń. Struktura przestrzenna.
2. Składa się z populacji gatunków wzajemnie uzależnionych i funkcjonujących jako całość.
3. Podstawą istnienia są zależności pokarmowe między populacjami.
4. Wykorzystuje i przetwarza materię i energię.
5. Ulega przekształceniom w czasie w trakcie, których zmienia swoje środowisko i sama ulega kierunkowym zmianom - sukcesji.
6. Dążenie do trwania w stanie równowagi.
Interakcje między populacjami
I. Konkurencja biologiczna
Gdy osobniki wykorzystują te same ograniczone zasoby środowiska wzajemnym kosztem inaczej, gdy nisz ekologiczne gatunków całkowicie lub częściowo się pokrywają
Konkurujące organizmy wzajemnie wpływają na obniżenie swojego dostosowania.
Jest to najpowszechniejszy rodzaj interakcji między organizmami. Na ogół jeden z konkurentów ponosi większe koszty.
1. konkurencja wewnątrzgatunkowa - podstawą terytorializmu, migracji, regulacji liczebności populacji
2. konkurencja międzygatunkowa - różne gatunki, te same zasoby środowiska
a. konkurencja o charakterze eksploatacji (typu pośredniego): wykorzystywanie ograniczonych zasobów środowiska wzajemnym kosztem
b. konkurencja o charakterze interferencyjnym (typu bezpośredniego): wzajemne hamowanie rozwoju obu populacji (np. walka, oddziaływanie chemiczne)
c. Jeżeli dwa gatunki konkurują ze sobą w stabilnych warunkach środowiska, wówczas:
- jeden z konkurentów zostaje wyparty lub
- następuje podział zasobów i koegzystencja (współwystępowanie), może to nastąpić, jeśli te gatunki są w stanie w odmienny sposób korzystać z dostępnych zasobów (zasada konkurencyjnego wypierania zasada Gausego)
3. Drapieżnictwo
a. Zjadanie w części lub w całości jednych żywych organizmów (ofiary) przez inne organizmy (drapieżniki). Są tu cykliczne zmiany populacji drapieżnika i ofiary.
b. rodzaje drapieżców:
- monofagi - jedzenie tylko jednego gatunku ofiar
- oligofagi - jedzenie kilku gatunków ofiar
- polifagi - jedzenie wielu gatunków ofiar
c. roślinożercy są zwykle większymi specjalistami niż drapieżnicy
d. ogromna rozmaitość przystosowań drapieżników do polowania oraz ofiar do obrony
e. gdy liczebność ofiar malej, drapieżnik może przestawić się na inny rodzaj ofiar.
f. drapieżnik eksploatuje te ofiary, których pozyskanie daje największy zysk energetyczny w jednostce.
g. drapieżnych owadów używa się do walki biologicznej ze szkodnikami
4. Roślinożercy
a. zjadają na ogół tylko część rośliny
b. odporne na spasanie są trawy
c. są wektorami chorób roślin
d. są szkodnikami w agrocenozach i lasach
e. rośliny bronią się przed zjadaniem:
- adaptacje strukturalne: włoski, kolce itp.
- adaptacje chemiczne: wytwarzanie trujących lub niejadalnych substancji chemicznych (np. związki wtórne - garbniki, glikozydy, alkaloidy, związki pierwotne - krzemionica, lignina)
- uodpornianie się roślinożerców na działanie wtórnych związków.
5. Pasożytnictwo
a. żerowanie pasożytów (roślinnych i zwierzęcych) na innych organizmach na ich koszt i z ich szkodą (stopniowa eksploatacja żywiciela przez pasożyta.
b. eksploatacja dotyczy zazwyczaj jednego osobnika.
c. spasanie - żerowanie na wielu osobnikach żywiciela, bez specyfikacji gatunkowej
d. pasożyty roślin są dużo bardziej powszechne w tropikach. Są one jednak dużo rzadsze u roślin niż u zwierząt
d. parazytoidy - pasożyty owadów, zawsze doprowadzają do śmierci żywiciela,
- są to larwy, samice składają jaja na powierzchni żywiciela, lub w jego ciele, albo w jego jajach, są to owady błonkoskrzydłe, lub dwuskrzydłe
e. owady są wykorzystywane w walce biologicznej ze szkodnikami roślin
f. patogeny - głownie grzyby, bakterie i wirusy wywołujące choroby roślin
6. Mutualizm (symbioza)
a. oddziaływanie korzystne między dwoma lub większą liczbą gatunków (korzyści dwustronne)
b. porosty - grzyb + sinice lub zielenice, albo wszystkie razem
c. mikoryza
- ednomikoryza - strzępki grzybni wnikają do wnętrza komórek kory wewnętrznej korzenia
- ektomikoryza - strzępki nie wnikają do komórek, powszechna w lasach i borach klimatu strefy umiarkowanej
- sprzężenie systemu korzeniowego z grzybnią zapewnia grzybni produkty fotosyntezy, a dla roślin zwiększenie tempa pobierania fosforu, azotu, wody itp.
- symbiotyczne wiązanie azotu przez bakterie brodawkowe decyduje o istnieniu cyklu biogeochemicznego tego pierwiastka
- symbioza roślinożerców z mikroorganizmami trawiącymi celulozę (beztlenowe pierwotniaki, bakterie, jednokomórkowe grzyby
7. Allelopatia
a. wzajemne oddziaływanie na siebie roślin (także mikroorganizmów) w drodze chemicznej
b. substancje chemiczne mogą oddziaływać na organizmy dodatnio lub ujemnie
c. gatunek wydzielający toksyny odnosi korzyści pośrednie
- zyskuje przestrzeń
- korzysta z zasobów nie wykorzystywanych przez inne gatunki ustępujące
- allelopatia może dotyczyć osobników tego samego gatunku
d. w agrocenozach
- uprawa roślin w zmianowaniu, a nie w monokulturze
- alleloherbicydy
Poziomy troficzne biocenozy
I. Poziomy troficzne - grupy organizmów o podobnym sposobie odżywiania
1. Poziom I - producenci - autotrofy, czyli organizmy samożywne, rośliny, fitoplankton
2. Poziom II - roślinożercy - konsumenci I rzędu - zooplankton
3. Poziom III - drapieżcy I - konsumenci II rzędu - ukleja
4. Poziom IV - drapieżcy II - konsumenci III rzędu - okoń, szczupak
II. Producenci - autotrofy, czyli organizmy samożywne wiążą CO2
1. Fotoautotrofy - rośliny naczyniowe, bakterie, liczne Archea, grzyby
2. Chemoautotrofy - źródłem energii jest utlenianie związków mineralnych
III. Konsumenci - heterotrofy - organizmy cudzożywne: wszystkie zwierzęta, bakterie, liczne Archea, grzyby.
Pozyskują energię i budulec biomasy tworzonej przez producentów:
a. roślinożerne
b. drapieżne I rzędu, II rzędu
c. pasożyty
d. detrytusofagi - zwierzęta żywiące się martwymi szczątkami roślin i zwierząt, czyli detrytusem
- detrytusofagi (mikrofauna, mezofauna, makrofauna)
- między innymi: nicienie, pajęczaki, wije, dżdżownice
- w ekosystemach leśnych i trawiastych ponad 60% materii organicznej to detrytusofagi
IV. Destruenci (reducenci) - bakterie, grzyby
a. rozkładają biomasę na elementy, z których powstała (składniki mineralne)
Łańcuchy i sieci pokarmowe
Łańcuchy pokarmowe - to zależności pokarmowe między różnymi gatunkami (kto kogo zjada), kanały przepływowe energii i materii.
Dany gatunek może się znajdować na jednym poziomie (monofagi) lub na więcej niż jednym poziomie troficznym (oligofagi i polifagi). Dlatego łańcuchy pokarmowe są powiązane między sobą tworząc sieci pokarmowe
Szczytowe drapieżniki - gatunki, które nie są zjadane przez jakiekolwiek inne w sieci pokarmowej (drapieżniki najwyższego rzędu) - orka, tygrys, lis, wilk
Opisano jak na razie 170 sieci pokarmowych
Łańcuchy pokarmowe są zazwyczaj krótkie - najczęściej 3-4 poziomy
1. Średnia dla łańcuchów pokarmowych
a. w oceanie 3,8
b. w ekosystemie wodnym 3,0
c. dłuższe łańcuchy nie są stabilne - zagrożenie dla drapieżników
2. Dwa typy łańcuchów pokarmowych
a. łańcuch spasania (dominują w morzach)
- fitoplankton - kryl - kałamarnica - ryby drapieżne - pingwin (foka)
- lucerna - nornik - myszołów
- ziemniak - stonka - kuropatwa - jastrząb
b. łańcuch detrytusowy (dominują na lądach)
- detrytus - dżdżownica - kura - człowiek - detrytus - dżdżownica
ekosystemy ...................... (występują wszystkie poziomy troficzne) - podstawą funkcjonowania jest materia autotroficzna (powstają wewnątrz systemu)
ekosystemy ........................... podstawą materia pochodząca z zewnątrz - np. strefa denna, mórz, jaskinie
Piernik ekologiczna
a. liczebności
b. biomasy
c. energii
- liczba organizmów zjadanych > liczby zjadanych
- większy zjada mniejszego
- masa zjadanych > masy zjadających, gdy producenci i konsumenci są podobnych rozmiarów
3. Produkcja i biomasa w ekosystemach
a. niska biomasa nie musi oznaczać niskiej produkcji
b. poza pewnymi wyjątkami (np. rafa koralowa) na lądzie wysoka biomasa, niska redukcja producentów, w wodzie niska biomasa, wysoka rotacja producentów
c. piramida biomasy może być odwrócona - piramida produkcji nigdy
Produkcja ekosystemu oraz przepływ energii i krążenie materii w ekosystemie
I. Miary stanu i tempa produkcji biomasy
1. Stan g (kg) biomasy / m2 (ha, km2)
2. Produkcja (stan biomasy razy tempo produkcji biomasy):
g (kg) biomasy / m2 (ha, km2) / rok (doba, godzina)
3. Przeliczenie jednostek
1g suchej masy (s.m.)~ 5 g biomasy = 4,1 kcal = 17,2 kJ
1g węgla (C) = 2,4 suchej masy (bo: C6H12O6)
0,24 g suchej masy = 1 kcal
1 kcal = 0,249 J
1 g węgla = około 10 kcal
II. Produkcja ekosystemu (produktywność) - przyrost biomasy na jednostkę powierzchni w jednostce czasu.
1. Produkcja pierwotna - ilość energii (lub materii, węgla) wytworzona przez producentów w jednostce czasu i powierzchni
a. proces fotosyntezy jest podstawą PP, roślin zielone stanowią 99,9% biomasy naszej planety
b. fotosynteza - przekształcenie energii promieniowania w energię chemiczną
6CO2 + 12 H2O + energia promieniowania słonecznego = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
- obok fotosyntezy - oddychanie (energia do podtrzymywania procesów życiowych)
- oba te procesy zachodzą jednocześnie w ciągu dnia, a tylko oddychanie w nocy
c. produkcja pierwotna brutto (GPP) 2% ogólna ilość asymilatów jakie powstają w procesie fotosyntezy
- wydajność fotosyntezy (produkcji pierwotnej brutto) = energia wiązana w produkcji pierwotnej brutto/ energia zawarta w docierającym promieniowaniu słonecznym. W lasach 2-3,5% w uprawach rolnych poniżej 1,5%
d. Produkcja pierwotna netto (NPP) = GPP - R - oddychanie (respiracja) - przyrost biomasy roślin
- NPP - to pokarm dla wszystkich organizmów heterotrofowych
- produkcja użyteczna - czyli plon rolniczy jest zawsze mniejszy od NPP np. o masę resztek korzeniowych, ścierni których się nie zbiera (pozostają jako detrytus)
- do pomiaru NPP używa się bardzo różnych metod np.:
zbiór roślin i ważenie świeżej i suchej masy (można ją przeliczyć na węgiel lub jednostki energii)
mierzenie tempa fotosyntezy: O2, CO2
metody satelitarne
- wydajność fotosyntezy (produkcji pierwotnej brutto) = energia wiązana w produkcji pierwotnej brutto/ energia zawarta w docierającym promieniowaniu słonecznym. W lasach 2-3,5% w uprawach rolnych poniżej 1,5%
- w trakcie oddychania samych roślin jest tracone w lasach 50-75% GPP, rośliny zielone i uprawne 45-50%
- wydajność netto po utratach wynosi ok. 1%
- produkcja pierwotna netto w g/m2/rok
wilgotne lasy tropikalne |
2200 |
lasy tropikalne zrzucające liście |
1600 |
zawsze zielone lasy strefy umiarkowanej |
1300 |
zrzucające liście lasy strefy umiarkowanej |
1200 |
lasy borealne |
800 |
jeziora i rzeki |
250 |
otwarty ocean |
125 |
podwodne łąki i rafy koralowe |
2500 |
tereny uprawne |
100 - 3500 |
- produkcje roślinną na lądzie ogranicza:
woda
temperatura
cykliczność pór roku
2. Produkcja wtórna - ilość materii lub energii wytworzonej na poziomie troficznym konsumentów
a. brutto - przed odjęciem strat wynikających z oddychania
b. netto - po odjęciu "oddychania" czyli przyrost masy ciała + reprodukcja
Konsumpcja (C) - odchody (FU) = Asymilacja (A)
Asymilacja (A) - respiracja (R) = Produkcja (P), czyli energia w wyprodukowanej biomasie własnego ciała i potomstwa
A = C - FU = P + R
Wydajności ekologiczne
c. W stabilnych ekosystemach sumaryczna wartość respiracji wszystkich heterotrofów równa jest całkowitej NPP ekosystemu (stan biomasy na stałym poziomie)
d. wydajność ekologiczna konsumpcji
- dla roślinożerców około 5% w lasach
- dla roślinożerców 25% w ekosystemach trawiastych
- dla roślinożerców 50 w ekosystemach wodnych
- dla drapieżców często ponad 50%
e. wydajność asymilacji
- dla roślinożerców, detrytusofagów i organizmów odżywiających się mikroorganizmami to jest 20 - 50%
- dla drapieżników od 80%
f. wydajność produkcji wynosi:
- dla roślin 50%
- dla bezkręgowców 30 - 40%
- dla kręgowców zmiennocieplnych 10%
- dla kręgowców stałocieplnych 1-2%
3. Piramidy energii
a. ekosystem ma do dyspozycji tyle zasobów ile wyprodukują autotrofy
b. osobnik z 20 poziomu troficznego potrzebowałby NPP całego kontynentu
c. kolejny konsument wbuduje w biomasę własnego ciała i potomstwa (nasion, jaj, młodych) 5-22% energii pobranej z niższego poziomu troficznego
d. ekosystemy kumulacyjne - gdzie przeważa produkcja nad respiracją P>R
e. ekosystemy degradacyjne - przewaga respiracji nad produkcją R>P
Biogeny materii organicznej zawierają C, H, O2, N, P
Cykl biogeochemiczny: krążenie materii między stałym lądem, oceanem, atmosferą w wyniku jednoczesnego działania sił natury geofizycznej i biologicznej. W obiegu niezbędne są drobnoustroje. Obecność, działalność właśnie ich wpłynęły na zmiany szybkości migracji wielu substancji chemicznych np. w użytkach rolnych
Energia dostaje się do biocenozy i ucieka, natomiast materia krąży w biocenozie i nie ucieka.
Obieg materii i przepływ energii
Podstawowe składniki żywej materii
Biogeny - H, O2, C, N
Cykle biogeochemiczne:
- sedymentacyjne (np. P)
- globalne (gazowe) np. O2, N, C, S, para wodna
Cykle obiegowe opisywane są za pomocą zbiorników (puli) i dróg transportu, którymi materiał jest przenoszony z jednego zbiornika do drugiego. Ilość materiału przemieszczanego - strumień
I. Przemieszczanie biogenów (drogi transportu)
1. Dopływ meteorologiczny
- związki rozpuszczone w wodzie deszczowej i śniegu
- gazy i pyły przemieszczane przez wiatr
2. Dopływ geologiczny
- pierwiastki transportowane przez spływ powierzchniowy i podziemny
3. Dopływ biologiczny
- przemieszanie się zwierząt między ekosystemami
II. Krążenie węgla w przyrodzie
Krążenie węgla to także krążenie materii organicznej
Zbiorniki węgla w mld ton: |
|
Skały (CaCO3) |
60000000 |
Wody głębokie |
38000 |
Paliwa kopalne |
4000 |
Gleby |
1500 |
Wody powierzchniowe |
1000 |
Atmosfera |
760 |
Roślinność |
550 |
Osady denne |
150 |
Organizmy morskie |
2 |
1. Czynniki pochodzenia antropogenicznego powodujące wzrost CO2 w atmosferze (1,5 ppm/rok):
- spalanie paliw kopalnych
- niszczenie roślinności lądowej, wylesianie, wypalanie pod uprawy rolne zwłaszcza w tropiku
2. Obecny bilans węgla (mld ton/rok):
Źródła |
Odbiorniki |
||
Spalanie paliw |
5,5 |
Atmosfera |
3,2 |
Niszczenie roślinności lądowej |
1,1 |
Oceany |
2,0 |
Razem |
6,6 |
|
5,2 |
3. Obieg węgla obejmuje także CH4 oraz CO
a. naturalna emisja metanu - 155 mln ton / rok
b. antropogeniczna emisja metanu 360 mln ton / rok
- fermentacja jelitowa i odchody zwierząt - 105
- pola ryżowe 60
- górnictwo 100
c. CO powstaje w wyniku niepełnego spalania jest utleniany do CO2
d. obydwa są to gazy cieplarniane powodują efekt szklarniowy i zmiany klimatu
4. GWP i udział gazów pochodzenia antropogenicznego w procesie ocieplenia klimatu
Gaz |
GWP w 2000 r. |
Wzrost w % |
CO2 |
1 |
55 |
Metan (CH4) |
35 |
15 |
N2O |
1200 - 11000 |
24 |
HCFC |
5500 |
|
a. GWP (Globalny potencjał cieplarniany): ile razy bardziej cząstka danego gazu pochłania ziemskie promieniowanie podczerwone niż CO2.
III. Krążenie azotu w przyrodzie
1. Największa pula azotu: w postaci N2 w atmosferze, bezpośrednio niedostępny dla roślin
2. Procesy dzięki którym N2 jest włączony w obieg:
a. naturalne
- wiązanie N2 przez mikroorganizmy: wolno żyjące bakterie w glebie, bakterie symbiotyczne w glebie; sinice w wodzie
- wyładowania atmosferyczne
- reakcje fotochemiczne w atmosferze
- gazy wulkaniczne
b. antropogeniczne
- procesy spalania (silniki samochodowe, przemysł)
następuje łączenie N2 z O2 w tlenki azotu (NOx)
NOx (NO i NO2) przyczyniają się do:
kwaśnych opadów pH < 5,6
* NO2 NO2-
* SO2 SO3 SO42-
* zakwaszają i eutrofizują (NO3-) ekosystemy wodne i lądowe
powstawaniu smogu (Los Angeles)
- produkcja nawozów azotowych, stosowanie nawozów azotowych zwłaszcza w nadmiarze powoduje
wymywanie azotanów do wód gruntowych i powierzchniowych i ich zanieczyszczenie i eutrofizację
w warunkach beztlenowych denitryfikacji azotanów do form gazowych azotu: N2O, NO2, N2
N2O uwalniany w wyniki procesu denitryfikacji
gaz cieplarniany
pośrednio niszczy ozon w atmosferze - N2O + promieniowanie nadfioletowe N2O + NO, NO niszczy ozon
- emisja amoniaku (głównie produkcja zwierzęca)
amoniak po opadnięciu ulega nitryfikacji zakwaszając i eutrofizując ekosystemy lądowe
3. W skali globalnej emisja antropogeniczna CO2 i tlenków azotu stanowi 5-10% emisji naturalnej
4. Eutrofizacja - nadwyżka importu do ekosystemu nad importem - eutrofizacja to wzbogacanie w substancje odżywcze
IV. Krążenie siarki w przyrodzie
1. Występowanie siarki w postaci nieorganicznej
a. znajduje się głównie w skorupie ziemskiej (paliwa kopalne i rudy metali), oraz woda morska (siarczany)
b. atmosfera - niewielka ilość siarki, ale bardzo szkodliwa (kwaśne opady)
2. Przydatna dla życia
a. rośliny pobierają głównie SO42-
b. S - aminokwasy i białka (-SH)
c. rozkład materii organicznej:
na lądzie uwalnianie siarczku wodoru (H2S)
w wodzie uwalniany siarczek dwumetylowy (CH3)2S
w warunkach tlenowych może odbyć się szybkie utlenianie H2S S (może się nie tworzyć) SO2 SO3 SO42-
w warunkach beztlenowych (osady denne, błota, tereny podmokłe) H2S uwalniany do atmosfery lub wiązany jonami metali ciężkich w nierozpuszczalne siarczki (eliminacja z obiegu)
d. Siarczany z gleby mogą migrować wraz z wodą w kierunku pionowym (przesiąkanie, podsiąkanie) i poziomym (do mórz). Naturalnym źródłem SO2 są wulkany.
e. Źródłem antropogenicznej emisji SO2 jest głównie spalanie paliw kopalnych.
f. Antropogeniczna emisja jest 2,5 razy większa niż emisja naturalna (lokalnie wielokrotnie)
g. usuwane jako kwaśne opady o pH < 5,6 głównie do 200 km od źródła emisji. suchy i mokry opad zawiera obok kwasu siarkowego (2/3) także kwas azotowy.
h. skutki kwaśnych opadów:
zakwaszenie gleb, mniejsza dostępność Mg i Ca
uwalnianie jonów glinu, metali ciężkich
uszkodzenie roślin
obumieranie lasów
zakwaszanie i redukcja biocenoz słodkich zbiorników wodnych - bardzo wrażliwa - kryl, narybek, mięczaki i skorupiaki
negatywny wpływ na zdrowie ludzi
niszczenie budowli i korozja metali (węglany w kamieniu budowlanym: CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2)
pośrednio wpływ na krążenie innych pierwiastków
V. Obieg fosforu
Cykl sedymentacyjny - brak fazy gazowej
Fosforany wymywające do cieków wodnych i do morza. Działanie właściciela nasila ten proces:
a. stosowanie nawozów fosforowych (produkowane z fosforytów i apatytów)
b. intensyfikacja procesu erozji gleb (wylesianie, intensywna uprawa)
c. ścieki komunalne i przemysłowe zawierające fosfor
d. zwiększony dopływ do zbiorników wodnych oraz zwiększona eutrofizacja wód
e. w morzach odkładanie fosforu w osadach głębinowych
f. częściowo odzyskiwany przez organizmy wodne i ptactwo (guano) oraz w wyniku rybołówstwa (odzysk P - 60 tys. ton rocznie)
g. około 2 mln ton/rok fosforu osadza się w głębinach oceanów bezpowrotnie
h. zasoby fosforytów i apatytów są ograniczone
Biocenoza
I. Cechy biocenozy:
1. Zajmuje określoną przestrzeń. Struktura przestrzenna.
2. Składa się z populacji gatunków wzajemnie uzależnionych i funkcjonujących jako całość.
3. Podstawą istnienia są zależności pokarmowe między populacjami.
4. Wykorzystuje i przetwarza materię i energię.
5. Ulega przekształceniom w czasie w trakcie, których zmienia swoje środowisko i sama ulega kierunkowym zmianom - sukcesji.
6. Dążenie do trwania w stanie równowagi.
Sukcesja ekologiczna - kierunkowy proces stopniowego przekształcania się ekosystemów obejmujący zachodzące w czasie zmiany struktury gatunkowej i procesów biocenotycznych.
1. Przyczyny:
a. zmiany w abiotycznym środowisku zachodzące pod wpływem biocenozy
b. czynniki zewnętrzne, pn. osuszanie terenu, pożar, zaniechanie koszenia łąk
2. Ze względu na sytuację wyjściową wyróżniamy sukcesję:
a. pierwotną - zachodząca na miejscu nie zajętym wcześniej przez roślinność
b. wtórną - roślinność powraca na wcześniej zajmowane stanowiska
c. następstwo biocenoz rozwijających się w tym samym miejscu jedna po drugiej nazywamy seną
Sekwencja biocenoz na odłogu: zespół chwastów polnych (roczne, wieloletnie), roślinność trawiasta, krzaki, las
Klimaks - ostatnie stabilne stadium sukcesji roślinnej będące wynikiem równowagi pomiędzy czynnikami biotycznymi i abiotycznymi. W strefie umiarkowanej klimaksem jest las.
3. Różnorodność biologiczna oznacza zmienność:
a. wewnątrzgatunkową (bogactwo puli genowej) wszystkich żyjących populacji
b. międzygatunkową
c. ponadgatunkową:
- różnorodność ekosystemów
- różnorodność krajobrazów
4. W Polsce zarejestrowano ponad 60000 gatunków
II. Bioróżnorodność
1. Ekosystemy rolnicze
a. agroekosystem - układ ekologiczny poddany stałemu działaniu agrotechnicznemu człowieka, najbardziej zantropogenizowany w którym:
- producenci to głównie rośliny uprawne i chwasty (konkurenci)
- konsumenci - głównie człowiek, zwierzęta gospodarskie,
inni naturalni konsumenci (głównie szkodniki - roślinożercy, pasożyty roślin uprawnych i zwierząt gospodarskich), w miarę możliwości likwidowani
organizmy pożyteczne np. naturalni wrogowie szkodników, drapieżcy, parazytoidy (pasożyty owadów), patogeny
- czynniki abiotyczne podlegają silnej ingerencji człowieka w postaci:
nawożenia, stosowania pestycydów, uprawy roli, nawadniania
w konsekwencji ekosystemy rolnicze należą do najwydajniejszych o małej efektywności energetycznej
- zredukowana bioróżnorodność agrocenoz - zmiana skomplikowanych powiązań żywieniowych na krótkie łańcuchy pokarmowe, co znacznie obniża stabilność agroekosystemu
- destruenci podlegają silnym wpływom zabiegów agrotechnicznych
Podsumowanie |
||
|
ekosystemy naturalne |
agroekosystemy |
Produkcja netto |
średnia |
wysoka |
Współzależności troficzne |
złożona |
proste, liniowe |
Różnorodność gatunków |
duża |
mała |
Różnorodność genetyczna |
dużą |
mała |
Obieg surowców pokarmowych |
zamknięty |
otwarty |
Stabilność (odporność) |
wysoka |
mała |
Równowaga (samoregulacja) |
duża |
mała (brak) |
Wpływ człowieka |
niezależny |
zależny |
Trwałość w czasie |
długotrwały |
krótkotrwały |
Heterogeniczność środowiska |
złożona |
prosta |
III. Zasoby przyrody ożywionej i nieożywionej
1. Zasoby wyczerpalne
a. odnawialne (przy racjonalnym wykorzystaniu) - roślin i zwierzęta, woda, gleba, powietrze
b. nieodnawialne - złoża surowców mineralnych i energetycznych, niektóre organizmy i całe biocenozy
2. Zasoby niewyczerpalne - energia światła słonecznego, prądów morskich i płynących wód, wiatrów, pływów, geotermiczna i synteza termojądrowa
3. Przestrzeń i piękno krajobrazu
14
agroekologia agroekologia agroekologia agroekologia
BIOSFERA
BIOM
EKOSYSTEM
BIOCENOZA
POPULACJA
ORGANIZM +ŚRODOWISKO
ORGANIZM
UKŁAD NARZĄDÓW
NARZĄD
TKANKA
KOMÓRKA
ORGANELLA
Układy ekologiczne |
malejący stopień poznania naukowego a rosnący stopień złożoności strukturalnej i funkcjonalnej
rośliny wyższe
koliny
antybiotyki
rośliny wyższe
drobnoustroje
fitoncydy
drobnoustroje
marazminy
Allelopatyczne oddziaływanie różnych organizmów roślinnych
Produkcja ekosystemu
pierwotna
wtórna
brutto
brutto
netto
netto
Producenci
NPP
Konsumenci
NPP
NPP
- utrata energii na oddychanie
związki nieorganiczne
reducenci
martwa materia organiczna
NPP - producenci
drapieżniki I
drapieżniki I
detrytusofagi
roślinożercy
respiracja
martwe ciała i odchody
drapieżniki II
drapieżniki II
respiracja
Wyszukiwarka