IUI U N I R E C E T O X Složky prostředí-základní charakteristiky Doc. Ing. Branislav Vrana, PhD. branislav.vrana@recetox.muni.cz RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika 1 Složky prostředí - základní charakteristika 3 Koncepce systémů *h Systém je jakákoliv část Vesmíru („Všehomíru"), kterou pozorovatel vymezí (velký, malý, jednoduchý, složitý-od atomů po celý Vesmír): jezero, vzorek horniny, oceán, sopka, horský hřbet, kontinent, celá planeta; list je součástí stromu, strom je součástí lesa. Začínáme od malých podsystémů, pochopení jejich funkce je však možné jen v kontextu celého systému. Zemský systém Zemský systém se skládá z menších podsystémů, které spolu intenzivně „komunikují" Ty mohou být rozděleny na další podsystémy - hydrosféra = oceány, ledovce, vodní toky, podzemní voda. > atmosféra ► hydrosféra ^ biosféra ^ litosféra 5 6 Systémy <*> Izolovaný <*> Uzavřený <*> Otevřený ^ Otevřený Jako izolovaná soustava (např. těles hmotných bodů) se označuje taková soustava entit, které sice mohou silově či jinak působit na sebe navzájem, ale na které nepůsobí žádné vnější síly či jiné okolní vlivy, tj. nedochází ani k výměně energie (např. tepla) či informace s okolím soustavy. Izolovaná soustava tedy neinteraguje s okolím. Jako uzavřená soustava (např. těles, hmotných bodů či jiných entit) se označuje taková soustava entit, které mohou silově či jinak působit na sebe navzájem, mohou si vzájemně vyměňovat energii (např. tepla), ale nemohou si s okolím vyměňovat hmotu. Uzavřená soustava tedy interaguje s okolím pouze prostřednictvím výměny energie, nikoliv však hmoty. Jako otevřená soustava (např. živé organismy) se označuje taková soustava, v které dochází k výměně energie i hmoty. V otevřené soustavě nemůže nastat termodynamická rovnováha. 7 „Box" modely Systémy se obvykle zobrazují jako „box" modely (snad „krabičkové"). Výhodou je jednoduchost a pohodlí. Ukazují: Rezervoáry, doba zdrženi, vstupy, výstupy, stacionárni stav. Velikost rezervoáru je dána celkovou bilancí (vstupy -výstupy) Čím provázanější jsou podsystémy a čím jich je víc, tím vyšší stabilita (mnoho cest, jak reagovat na vnější vychylování). Mnoho cyklů a cest se vzájemně překrývá. ^ rychlost toků hmoty a energie z a do systémů n> celkové množství hmoty a energie v systému Box modely jsou zjednodušené verze složitých systémů, které se redukují na boxy (nebo nádrže) propojené toky (energie nebo hmoty). Boxy se považují za homogenní. V daném boxu je tedy koncentrace všech chemických látek uniformní. Koncentrace nebo jiná veličina v daném boxu se však může lišit v závislosti na čase v důsledku vstupu do boxu (nebo jeho ztráty) nebo v důsledku produkce, spotřeby nebo rozpadu této látky v boxu. Jednoduché box modely, tj. box model s malým počtem krabic, jejichž vlastnosti (např. jejich objem) se časem nemění, jsou často užitečné pro odvození analytických vzorců popisujících dynamiku a koncentraci ustáleného stavu látky. Složitější modely krabic jsou obvykle řešeny pomocí numerických technik. Box modely se hojně používají k modelování environmentálních systémů nebo ekosystémů a ke studiu circulace oceánů a uhlíkového cyklu. Jsou tzv. multicompartment modely. 8 Život v uzavřeném systému ^množství hmoty je stálé a konečné (omezené zdroje, omezené možnosti zbavit se nepohodlných látek) "^zrněny v jedné části systému se projeviv ostatních částech (podsystémy jsou otevřené) -stavy jemně vybalancovaných a provázaných stacionárních stavů (řetězové přizpůsobení: vulkanická erupce v Indonésii může uvolnit tolik popela do atmosféry, že může dojít ke změně klimatu a záplavám v Jižní Americe a suchům v Kalifornii a tím ovlivnit cenu obilí v západní Africe). Energie se přenáší do nebo ze systému třemi formami: teplo, práce a hmotnostní tok. ... Přenos tepla do systému (tepelný zisk) způsobí zvýšení vnitřní energie systému a přenos tepla ze systému (tepelná ztráta) způsobí snížení vnitřní energie systému. 9 Dynamické interakce mezi systémy Cyklování a recyklování Neustálý tok hmoty mezi rezervoáry. Jak to, že... > Je složení atmosféry konstantní ?? > Se nezvyšuje ani nesnižuje salinita oceánů ?? > Je složení hornin 2 miliardy a 2 miliony starých stejné ?? Přirozený tok hmoty na Zemi - cykly. Hmota přechází mezi rezervoáry, různé části toků se vzájemně vyrovnávají (jsou obsaženy zpětné vazby): Množství hmoty, které „přiteče" je rovno množství hmoty, které „odteče". Energetický cyklus Zahrnuje externí a interní zdroje energie - pohání globálni systém a všechny jeho podcykly. Celkový „rozpočet" (příjmy a výdaje) energie je vyrovnaný. Pokud by nebyl, Země by se buď přehřívala nebo chladla až do dosažení rovnováhy. j Shon wavelength I solar radiation I (17.3 x 1016 watts) J Short wavelength ^ radiation_ JLory ■j radi Long wavelength I liation Tidal eneroy (2 7 x lO17 watts) Direct retiection (5 2 x 1Q16 watts) Direct conversion to heal (8 1 x IQ16 watts) Winds, ocean currents waves etc (0 035 ■ 10^ wa Evaporation and precipitation (4 0 x 10i6 watts) _fc Water ano ice i ;e : Mil Photosynthesis (0 004 - to16 watts) Organic matter Plant storage bank Decay Teles tidal currents etc (2 7 ■ 101* *attsj Conduction (21 x 101''watts) Submarine volcanism (11 x 10 'walls) Volcanoes hot springs on land (0 3 x 101? watts) h s thermal energy (32 3 x I0W watts) GEOTHERMAL ENERGY Conrvnori sedimentary rocks (1026 joules) lOUll l.i-l. (2.1 I Id" pulM) Thermal energy 10 10 km depth (1 3 x 1027 pules) Spontaneous nuclear decay Uranium and thorium within 1 km of surface (5 x 10s9 pules) Energetická bilance země-atmosféra je dosažena, protože energie přijatá ze Slunce vyvažuje energii ztracenou Zemí zpět do vesmíru. Tímto způsobem si Země udržuje stabilní průměrnou teplotu, a tedy stabilní klima. Absorpce infračerveného záření, která se snaží uniknout ze Země zpět do vesmíru, je zvláště důležitá pro globální energetickou bilanci. Absorpce energie atmosférou ukládá poblíž jejího povrchu více energie, než by tomu bylo, kdyby zde nebyla atmosféra. Průměrná povrchová teplota měsíce, který nemá atmosféru, je -18 ° C. Naproti tomu průměrná povrchová teplota Země je (15 ° C). Tento efekt se nazývá skleníkový efekt. 11 Energetické vstupy Celkový příjem: 174 000 teraW (174 000x1012 J/s) (člověk užívá 10 teraW za rok) Sluneční záření: 99,986 % z celkového množství -pohání vítr, déšť, oceánské proudy, vlny; fotosyntézu. Geotermálni energie: 23 teraW (0,013 % z celkového příjmu) - vulkanická činnost, horninový cyklus Energie přílivu: 3 teraW (0,002 % z celkového příjmu) - rotace Země a gravitační přitažlivost Měsíce; pohyb vodní hmoty vůči horninám působí jako „brzda" zemské rotace Energetické výstupy Odraz kolem 40 % slunečního záření je nezměněno odraženo zpět (albedo) Degradace a znovu vyzářeni 60 % slunečního zářeni absorbováno, přechází nevratně z jednoho rezervoáru do druhého až skončí jako teplo, které je opět vyzářeno v dlouhovlnné (Infračervené) oblastí. direct solar radiation radiation to deep space planetary radiation 13 Energetický cyklus --:-•--------- Sluneční energie absorbovaná Zemí je nakonec znovu přenesena do vesmíru jako teplo. Mezitím je distribuována po povrchu Země cirkulací atmosféry a oceánů. 14 Hydrologický cyklus K oběhu dochází účinkem sluneční energie, zemské gravitace a rotace Země. Voda se vypařuje z oceánů, vodních toků a nádrží, ze zemského povrchu (výpar, evaporace) a z rostlin (transpjrace), dohromady se používá pojem evapotranspirace. Vodní páry a drobounké kapičky vody v oblacích se pak v ovzduší pohybem vzduchových mas způsobených nestejným zahříváním vzduchu nad pevninou a oceány i zemskou rotací neustále přemisťují (cirkulace atmosféry). Po kondenzaci páry z ovzduší dopadá voda ve formě srážek na zemský povrch, zejména ve formě deště a sněhu (viz hvdrometeorv). Zde se část vody hromadí a odtéká jako povrchová voda, vypařuje se zpět do ovzduší nebo se vsakuje pod zemský povrch a doplňuje zásoby podzemní vody (infiltrace). Podzemní voda po určité době znovu vystupuje na povrch ve formě pramenů nebo dotuje vodní toky (drenáž podzemní vody). 15 Hydrologický cyklus ZUSGS ater Cycle mm. Precipitation Snowmelt runoff Déiublimation Evapotranspiration t Fog drip Surface runoff Streamflow ^ Evaporation Seepage ^^"^^ e„.;____ Flora and SEfJllK fauna Fresh- ^?lant water uP«ako Oceans U.S. Dept. of the Interior US Geological Survey John Evans Howard Ptrlmin, USGS ^ httpi.'.'ga.water.usg3.gov/edu.watercycle html r/Ow Groundwater storage Koloběh vody (hydrologický cyklus) je stálý oběh povrchové a podzemní vody na Zemi, doprovázený změnami skupenství. K oběhu dochází účinkem sluneční energie, zemské gravitace a rotace Země. Voda se vypařuje z oceánů, vodních toků a nádrží, ze zemského povrchu (výpar, evaporace) a z rostlin (transpirace), dohromady se používá pojem evapotranspirace. Vodní páry a drobounké kapičky vody v oblacích se pak v ovzduší pohybem vzduchových mas způsobených nestejným zahříváním vzduchu nad pevninou a oceány i zemskou rotací neustále přemisťují (cirkulace atmosféry). Po kondenzaci páry z ovzduší dopadá voda ve formě srážek na zemský povrch, zejména ve formě deště a sněhu (viz hydrometeory). Zde se část vody hromadí a odtéká jako povrchová voda, vypařuje se zpět do ovzduší nebo se vsakuje pod zemský povrch a doplňuje zásoby podzemní vody (infiltrace). Podzemní voda po určité době znovu vystupuje na povrch ve formě pramenů nebo dotuje vodní toky (drenáž podzemní vody). •Ve velkém koloběhu vody dochází k přesunům vody mezi světovým oceánem a pevninou. 'Malý koloběh vody probíhá pouze nad oceány nebo pouze nad bezodtokovými oblastmi pevniny. 16 Hydrologický cyklus Podzemní voda je voda, která se nachází pod zemským povrchem, zejména v pórech mezi částicemi půdy a v místech, kde je narušena kontinuita hornin. Podzemní vodou je i voda ve studních, ve vrtech, či voda vyvěrající z pramenů. Z pohledu geologického, resp. hydrogeologického, jde o vodu pod zemským povrchem, v nasycené zóně, kde vyplňuje všechny dutiny a je ohraničena svým horizontem. Ostatní vody pod povrchem, které této definici neodpovídají, jsou vody podpovrchové. Patří do nich půdní vlhkost, vody v nenasycené zóně, vody v jiném skupenství i kapilární voda. Výzkumem podzemní vody se zabývá hydrogeologie. Podzemní voda tvoří okolo 20 % dostupných světových zásob sladké vodví1], využívá se často jako zdroj pitné i užitkové vody. Podzemní voda je nejspolehlivějším zdrojem vody, proces jejího doplňování je však zdlouhavý a závislý na počtu a intenzitě srážek. Proto existuje hrozba, že zásoby podzemní vody budou v některých oblastech dosud zvyklých na určitý stav podzemní vody s pokračující změnou globálního klimatu ubývat. 17 Biogeochemický cyklus Figuře l.(>3 The bioiieochemical eyele Biogeochemický cyklus (též koloběh látek) je termín, používaný ve vědách o Zemi pro cyklus určitého chemického prvku či molekuly, který probíhá živým (biosféra) i neživým (litosféra, atmosféra, hydrosféra) prostředím Země. Termín biogeochemický vyjadřuje fakt, že v procesu jsou zahrnuty biologické, geologické a chemické faktory. Díky tomuto koloběhu je daný prvek zpravidla recyklován, přestože se mohou vyskytovat rezervoáry, kde je daná látka na delší dobu akumulována (jako oceány a jezera). Nejznámější a nejdůležitější biogeochemické cykly jsou: •koloběh vody, •koloběh kyslíku, •koloběh dusíku, •koloběh uhlíku, •koloběh síry, •Koloběh fosforu, •Koloběh vodíku. 18 Globální antropogenní cyklus Production and products Fossil (industry, trade) fuels 1 1 ŕTl'/J Agro-chemicals Refuse Sewage Exhaust air J I 1 I Soil Figure 1.6.1 The global anthropogenous cycle Lidé ovlivňují biogeochemické cykly především při průmyslové výrobě. Zvláště významným procesem je spalování fosilních paliv, který ovlivňuje biogeochemický cyklus uhlíku. Procesy výrobní však ovlivňují cykly prakticky všech chemických prvků i dalších látek. Stejně významná je i spotřeba, při které opět se mění biogeochemické cykly. Významné je i nakládání s odpady včetně čištění odpadních vod a nakládání s čistírenskými kaly. Skládky odpadů představují významný zásah do řady biogeochemických cyklů. Z hlediska jednotlivých prvků a látek si všimneme tří důležitých kategorií: živin, těžkých kovů a persistentních organických škodlivin (POP - persistent organic pollutants). Mezi nejdůležitější živiny patří uhlík, dusík, fosfor a síra. Biogeochemický cyklus uhlíku člověk narušuje spalováním fosilních paliv, kterým se uvolňuje ročně do atmosféry takové množství oxidu uhličitého, že jeho koncentrace v ovzduší stoupá. 19 Cyklus látek v prostředí deposition ptHriurviiľlion adsorption and desorption Kigim 1.7.1 Cycles of cmimnmcni.il chemicals - mezi živou a neživou složkou dochází k neustálé výměně látek, ke koloběhu prvků či sloučenin - tyto látky pronikají z prostředí do rostlin a živočichů, po jejich uhynutí se postupně vracejí zpět do prostředí - biologická část je rychlejší, nebiologická část funguje jako zásobník látek - do všech cyklů vstupuje víc či míň člověk produkcí různých chemických látek -hnojiva, pesticidy, umělé hmoty, C02,S02, oxidy dusíku, fosforečnany, těžké kovy, radioaktivní látky, prací prostředky... Tyto látky jsou buď včleněny do uvedených cyklů, nebo se hromadí v organismech, půdě, vodě apod. 20 Ovzduší - atmosféra UV radiation hctcrosphcre (contains atomic oxygen, helium, hydrogen) turbopause I (c. 100 km up) strong reduction of water content with altitude 50 0 Temp. 50 100 (°C) ľ i ti 11 re 2.1.2 Composition of the atmosphere 85 km ' SlratoM*8'1 10-16 km 56 C iTOpospťEie Incoming solar radiation W km. (0J * [0,J mmm 0j ♦ lnr(220nni'330faii) -*.(),* o 0. N..0,. Sea 1net 15 Earth Infrared m,Ble. .ní Ultraviolet- ' POO-330 nm, High energy ultraviolet: Ultraviolet - > 330 nm. penetration 1 d "-50km >. < 100 nm, penetration penetration to~-200*m lo Earth's surface Zemská atmosféra je vrstva plynů obklopující planetu Zemi, udržovaná na místě zemskou gravitací. Obsahuje přibližně 78 % dusíku, 21 % kyslíku a 1 % ostatních plynů (argon, oxid uhličitý, vodík, helium, neon, radon, xenon, ozon a stopové příměsi dalších plynů). Voda v atmosféře se vyskytuje hojně, a sice ve všech třech skupenstvích (vodní pára, vodní kapky i ledové krystaly). Atmosféra chrání pozemský život před nebezpečnou sluneční a kosmickou radiací a svou tepelnou setrvačností snižuje teplotní rozdíly mezi dnem a nocí. Atmosféra nemá jednoznačnou vrchní hranici - místo toho plynule řídne a přechází do vesmíru. Tři čtvrtiny atmosférické hmoty leží v prvních 11 km nad povrchem země. Všeobecně uznávanou vnější hranicí atmosféry je Karmanova hranice, která se nachází ve výšce 100 km nad hladinou světového oceánu.^ u Od této hranice se místo termínu nadmořská výška již používá termín vzdálenost od Země 21 Otevřený oceán Atmosférická hmota a srážky Atmosférická směsné vrstva (e.g., 200-1000 Koncetrace m) plynná fáze Mořský s prey ... . Suchá a mokrá Vymena plyn. depozjce Směsná vrstva na povrchu oceánu (e.g., 50-100 m) / Rozpuštěná fáze C re-cycling Plankton Potravní řetězce Hluboký oceán Toky do hlubin spojer K. C. Jones 22 Ve vědě o Zemi je geochemický cyklus cestou, kterou chemické prvky procházejí povrchem a kůrou Země. Termín „geochemický" nám říká, že jsou zahrnuty všechny geologické a chemické faktory. Migrace zahřátých a stlačených chemických prvků a sloučenin, jako je křemík, hliník a obecné alkalické kovy prostřednictvím subdukce a vulkanismu, je v geologickém světě známá jako geochemické cykly. Geochemický cyklus zahrnuje přirozenou separaci a koncentraci prvků a procesy tepelné rekombinace. Změny nemusí být patrné v krátkodobém horizontu, například u biogeochemických cyklů, ale v dlouhodobém horizontu dochází ke změnám velkého rozsahu, včetně vývoje kontinentů a oceánů 23 Geosféry a horninový cyklus % Geosféry ■': Zvetrávaní a půdy <*> Ztráta půdy Tak jako vše v přírodě mají i horniny vymezeny svou existenci časem. Mohou na jedné straně vznikat, ale na druhé straně musí po delší či kratší době zaniknout, aby daly vznik horninám novým. To vseje ovlivňováno takzvanými endogenními a exogenními procesy.Endogenní procesy jsou geologické děje, které probíhají v litosféře pod povrchem Země. Oproti tomu exogénni procesy probíhají na povrchu litosféry, obvykle za přispění vlivu atmosféry, hydrosféry a často i biosféry. Vzájemné působení endogenních a exogenních procesů tvoří dohromady horninový nebo taky geologický cyklus. 24 Geosféry a horninový cyklus The Rock Cycle Magmatické a m e ta m o rf o va n é horniny: Představme si, že na počátku cyklu je magma. Část taveniny vlivem nízké hustoty vystupuje svrchním pláštěm k zemské kůře, kde se hromadí. Dále pokračuje k povrchu, kde s klesající teplotou a tlakem ztrácí svoji mobilitu a kumuluje se v magmatických krbech. Část zde zůstává a tuhne, čímž vznikají plutonické magmatické horniny. Zbytek, ochuzený o utuhlý materiál, postupuje oslabenými zónami dále k povrchu. Materiál, který utuhne v těchto zónách, vytvoří magmatické žilné horniny. Pokud se dostane až k povrchu, nebo utuhne mělce pod povrchem, dojde ke vzniku vulkanických magmatických hornin. Působením tepla a obohacených roztoků uvolněných z pronikajících magmat může dojít k přeměně okolních hornin a tím ke vzniku hornin kontaktně metamorfováných. Sedimentární a metamorfované horniny: Vlivem horotvorných a erozních procesů mohou být jak horniny magmatické, tak horniny metamorfované vyzdviženy k povrchu, kde dochází vlivem působení exogenních činitelů k jejich zvetrávaní. Při těchto procesech dochází k rozpadu starších hornin na menší úlomky případně až na molekuly a ionty, které vytvářejí suspenze případně roztoky. Takto erodovaný materiál je transportován tak dlouho, než transportní síla oslabne natolik, že materiál může sedimentovat. Takto vznikají sedimenty. Ukládáním velkých objemů sedimentárního materiálu, vznikají působením tlaku nadloží a krystalizací tmelů z původních nezpevněných sedimentů sedimenty zpevněné. Tento proces se nazývá diageneze. Je-li proces značně dlouhý a horniny pohřbeny dostatečně hluboko, může dojít vlivem vysokého tlaku nadloží a vyšších teplot k metamorfóze spodních sedimentárních vrstev 25 Geosféry a horninový cyklus Seafloor Midocean Seafloor trench ridge trench Convergent Divergent Convergent Divergent Convergent (continent-continent) (continental) (ocean-continent) (oceanic) (ocean-ocean) V případě mořských sedimentů uložených v předpolí subdukční zóny, může dojít k jejich zavlečení do subdukční zóny, kde intenzivně narůstá tlak a postupně i teplota. Horniny se přizpůsobují novým podmínkám změnou stavby a složení - dochází k re krystal izaci a ke vzniku metamorfovaných hornin. Za určitých podmínek může docházet až k tavení hornin a ke vzniku magmatu, které může opět postupovat k povrchu. Další možné přechody mezi jednotlivými pochody jsou dobře patrné z obrázku. 26 Zvetrávaní <*> salinita oceánů n> výživa pro biotu i> rudy transformace povrchu ^ spotřeba H+ n> spotřeba C02 ■JUDiiŕu jÄJc-wr duta cyWu 27 UUII RECETOX Zvetrávaní je označení pro proces, při kterém dochází k působení chemických, fyzikálních, či biologických sil na obnažené horniny. Zvetrávaní může v průběhu miliónů let vést k rozpadu hornin a následné erozi, které vedou k celkovému přetvoření tváře krajiny. Rychlost zvetrávaní závisí na složení horniny, na klimatických podmínkách atd. •fyzikální (mechanické), •chemické, •biologické. 27 Zvetrávaní CaAI2Si208 + H2C03 CaC03 + AI2Si205(OH)4 2 NaAISi308 + 11 H20 -» 2 Na+ + 2 OH- + AI2Si205(OH)4 + H4Si04 3 NaAISi308 + H2C03 + 7 H20 -> 3 Na+ + 3 H4Si04 + AI(OH)3 + HC03" 3 NaAISi308 + Mg2+ +4H20->2 Na0 5AI., 5Mg0 5Si4O10(OH)2 + 2 Na+ + H4SiÓ4 Mg2Si04 + 4H20->2 Mg2+ + 4 OH- + H4Si04 Mg2Si04 + 4 H2C03 -> 2 Mg2+ + 4 HC03- + H4Si04 Mg2Si04 + 4 H * ->2 Mg2+ + H4Si04 mnohotvárnost reakcí proti vysokoteplotním procesům Chemické zvetrávaní je typ zvetrávaní, během kterého dochází k rozkládání určitých horninových minerálů a k následnému vytvoření minerálů nových. Chemické zvetrávaní je závislé na teplotě a vlhkosti. Čím jsou obě veličiny větší, tím rychleji k zvetrávaní dochází. Atmosférická voda reaguje se vzdušným oxidem uhličitým, což má za následek vznik kyselého roztoku, který rozpouští určité minerály během vsakování do půdy. Vznikají krasové oblasti. Další významným reakčním činidlem je podzemní a mořská voda, která má schopnost reagovat s jinými druhy minerálů (slídy, živce mohou reagovat za vzniku jílů a kaolinitů). Další chemické zvetrávaní je typické pro horniny obsahující železo, které reagují za vzniku oxidu železitého, jenž je charakteristický svojí načervenalou barvou (typické pro oblasti savan). Posledním druhem je zvetrávaní podmořské, při kterém se v puklinách v kamenech pod mořem ukládá sůl, která krystalizuje a tím trhá strukturu kamene. 28 Půda - směs produktů zvetrávaní, organických látek a zbytků původních hornina vody - typická půda 5 % organických látek, 95 % anorganických posloupnost vrstev (půdní profil); složení je závislé na klimatu (T, srážky atd.). vegetaci, času, podložní hornině vtgetanon "A* horizon (topsoil) "B"horizon (subsoil) Půda tvoří nejsvrchnější vrstvu zemské kůry, je prostoupená vodou, vzduchem a organismy, vzniká v procesu pedogeneze pod vlivem vnějších faktorů a času a je produktem přeměn minerálních a organických látek a zaniká procesem eroze. Je morfologicky organizovaná a poskytuje životní prostředí rostlinám, živočichům a člověku. Půda je předmětem studia pedologie. 29 Půdní povrchová vrstva ' -* x ^CjC Soil, with vertical and % horizontal variations Soil particles (grey), r filled with air (white) and water (black) , ■ i v 4 - . •* •• •• í • •;•>' -,v-, *••■ '.: '•.'*;'*' <■■•- *> ■ t • ,' *: j '.-. V- j .-'.f -: .*, wi'A'Y .-■ *■>* "im" f;* '• ->."»• 1 • . V} .; » jV", ,» Vr JÍT ;t 'r *' *{• - -r f, . > »• ■ ' r I■ < : i - • i * . . ' Fig. 17.2 Soil, the surface layer of much of the terrestrial environment. A three-phase mixture, it consists of finely divided organic and inorganic particles and pore spaces filled with water Z pohledu geografie tvoří půda, potažmo celá pedosféra, tu část krajinné sféry, kde množství a intenzita vzájemných vztahů mezi dílčími krajinnými sférami je největší, kde se sféry stýkají a dokonce se částečně navzájem prolínají. Dosahuje tloušťky až 4 metrů. Každá půda obsahuje podíl regolitu, vody, vzduchu a organické hmoty. Podíly složek zastupují jednotlivé geosféry: litosféru, hydrosféru, atmosféru a biosféru. Pokud jedna z těchto složek chybí, nejedná se o půdu. Jednotlivé půdní složky jsou vzájemně promíšeny a vytvářejí heterogenní polydisperzní systém. 30 Lito-ekosféra Vadozní zóna Kapilárnítřáseň Nasycená zón y Nenasycená Blízko nasycení ■*-Vodní tabule Každá zóna obsahuje: 1. Minerální frakce 2. Organická frakce 3. Kapalná fáze 4. Plynná fáze *— Walet Table Geochemie půdy Acidobazické a výměnné reakce v půdách Makroživiny Mikroživiny Pesticidy a chemické odpady v půdách Ztráta půdy - dezertifikace Chemické vlastnosti pudy zahrnují chemické složení pud a fyzikálně chemické a chemické procesy probíhající v půdě. Složky půdy se z pohledu chemického dělí na minerální a organické látky. Zdrojem minerálních látek je horní část litosférv, která podléhá zvetrávaní a ve které pomocí půdotvornvch procesů vzniká půda. Organickou složku půdy tvoří půdní organismy (edafonV Mezi základní chemické vlastnosti půd patří obsah humusu, půdní reakce a obsah prvků v půdě. 32 Ztráty půdy q> eroze Eroze je způsobena gravitací za přispění dalších faktorů, jako je např. intenzita srážek, struktura půdy, sklon svahu, hustota rostlinného pokryvu, způsob využívání půdy. Je úměrná proudící hmotě m a rychlosti v (m ■ v2/2). Rychlost eroze představuje množství nebo mocnost materiálu přemístěného za určité časové období. Podstatnou překážkou je tvrdost erodované horniny, v měkčích horninách je eroze rozměrnější, jedná se tedy o selektivní činnost. Důležitým faktorem eroze je déšť, intenzita eroze je však závislá na spolupůsobení dalších faktorů. Rostlinný pokryv zabraňuje vyššímu stupni eroze, naopak odlesněné svahy či vypasené svahy podlehnou erozi rychleji. Půdy obsahující větší množství iílovitých minerálů přijímají méně vody a na volnějším svahu jsou méně narušovány. Erozi půdy zvyšuje spásání travin. Významným činitelem současnosti je činnost člověka, nekontrolovaná těžba dřeva, stavba obydlí a komunikací. Zejména stavba silnic a železničních tratí narušuje přirozenou říční síť a voda stékající po vozovce se dostává do míst, kam by jinak neproudila, a přispívá k erozi půdy. 33 Ekosystém Terestrický (suchozemský) - louky, lesy, pole Akvatický (vodní) - mořský - sladkovodní - řeky, rybníky, podzemní vody, močály 1" * n^j í*^B(BJ Ekosystém je obecné označení pro ucelenou část přírody (biosféry). Příkladem je např. ekosystém listnatého lesa nebo vlhké nekosené louky. Protože není zpravidla jednoznačně specifikováno, jakou prostorovou velikost by měl ekosystém mít, lze za ekosystém považovat v extrémním případě i celou biosféru a naopak, třeba i trávicí trakt přežvýkavce (s výskytem bakterií a nálevníků). Český zákon o životním prostředí ekosystém definuje jako „funkční soustavu živých a neživých složek životního prostředí, jež jsou navzájem spojeny výměnou látek, tokem energie a předáváním informací a které se vzájemně ovlivňují a vyvíjejí v určitém prostoru a čase." 34 Ekosystém Neživé složky ekosystémů - Podloží -Půda -Voda - Sedimenty - Ovzduší - Klima, krajina Organismy - Viry - Bakterie - Houby - Rostliny - Živočichové + Člověk Ekosystém se skládá ze dvou samostatných složek - složky živé, tvořené organismy (tzv. společenstvo neboli biocenóza) a složky neživé, tvořené prostředím (biotopem). 35 36 Ekosystém Ucelený soubor organismů a jejich prostředí - prostředí je zpravidla primární a určující. Tvoří základní strukturně funkční jednotku krajiny i celé biosféry. Je prostorový útvar, v němž biotické (živé) a abiotické (neživé) složky jsou vzájemně propojené rozmanitými vztahy „funkční soustava živých a neživých složek životního prostředí, jež jsou navzájem spojeny výměnou látek, tokem energie a předáváním informací a které se vzájemně ovlivňují a vyvíjejí v určitém prostoru a čase." 37 Ekosystém Fyzikální parametry - sluneční záření (zdroj E), T a jej i kolísání, vlastnosti okolního prostředí (A, W, S). Chemické parametry-složení prostředí. Vedle živé složky (biocenóza) zahrnuje i neživé prostředí (biotop) Ekosystém Biocenóza - společenstvo druhů organismů Biotop, ekotop - územní jednotka se stejnými půdními, klimatickými, tvarovými znaky Biotop, někdy taky habitat neboli stanoviště, je biotické (živé) i abiotické (neživé) prostředí, ovlivněné a pozměněné živou složkou přírody - biotou. Lze ho chápat jako společné prostředí určitých složek biocenózy, tedy soubor všech vlivů, které vytvářejí životní prostředí všech zde žijících organismů. Pro rostliny se někdy používá i pojem ekotop. Synonymem pojmu biotop je stanoviště. Podle některých autorů je však pojem stanoviště užší než biotop. Př. v biotopu pomalu tekoucí vody je více stanovišť: dno, břeh apod Společenstvo neboli biocenóza (z řeckého bios = život + koinos = společný) je soubor populací všech druhů rostlin, živočichů, hub a mikroorganismů, které žijí v určitém biotopu; existují mezi nimi určité vztahy. Je to živá část ekosystému, která je schopna samoregulace, přičemž biotop je místem, kde se společenstvo nachází. 38 Typy ekosystémů Podle míry ovlivnění člověkem rozlišujeme q> přirozené ekosystémy (bučina, rašeliniště aj.) ^> umělé ekosystémy (smrková monokultura, pole, vinice atp.) Ekosystémy lze dělit na přírodní (jezero, les, louka) a umělé (vinice, sad, pole, rybník), které vytvořil nebo se na nich podílí člověk. Typy ekosystémů (biotopů) v ČR > Vodní toky a nádrže > Mokřady a pobřežní vegetaci > Prameniště a rašeliniště > Skály, sutě a jeskyně > Alpínské bezlesí > Sekundární trávníky a vřesoviště ^ Kroviny a Lesy > biotopy silně ovlivněné nebo vytvořené člověkem Chytrý M., Kučera T., Kočí M., Grulich V. & Lustyk P. (eds) (2010): Katalog biotopů České republiky. Ed. 2. Agentura ochrany přírody a krajiny ČR, Praha. Vodní toky a nádrže, Mokřady a pobřežní vegetaci, Prameniště a rašeliniště, Skály, sutě a jeskyně, Alpínské bezlesí, Sekundární trávníky a vřesoviště, Kroviny a Lesy. Devátou skupinu tvoří biotopy silně ovlivněné nebo vytvořené člověkem 40 Schéma ekosystémů Všechny ekosystémy jsou charakterizovány především: tokem energie koloběhem látek vývojem Někdy je oddělení obou složek dosti obtížné - např. je trouchnivý kmen stromu živý nebo ne? Je kravské lejno plné baktérií putující střevy součástí biotické a nebo abiotické složky ekosystému. Propojení biotické a abiotické složky ekosystému je ve skutečnosti větší, než si většina z nás uvědomuje. Ekologická rovnováha je pojem označující dlouhodobě relativně stálý stav ekosystému. Ekosystém je ze své rovnováhy neustále vychylován působením vnějších činitelů. Jeho přirozené autoregulační mechanismy (vazby mezi jednotlivými organismy) působí proti těmto změnám, čímž navrací ekosystém opět do stavu rovnováhy. Jedná se tedy nikoli o pasivní, ale o dynamický stav, jehož součástí jsou i jisté odchylky. Proto posuzování toho, zda je sledovaný ekosystém v rovnováze, závisí velmi na zvoleném časovém měřítku. Představte si biologa - mimozemšťana, který žije na planetě se stálým klimatem a který dostal od svého pracoviště dotace na tříměsíční pozorování planety Země a byl by vysazen u nás, v Česku, v srpnu. Biolog - mimozemšťan by velmi pravděpodobně do své závěrečné zprávy z pobytu v půlce listopadu napsal, že na zkoumané planetě nastává katastrofická a neuvěřitelně rychlá změna klimatu, který vede k odumírání vegetace a globálnímu opadu listí ze stromů. Pokud by jeho pracoviště na základě této významné zprávy jeho studijní pobyt o dva měsíce prodloužilo, ve svém bludu by se utvrdil, a na přelomu ledna a února by ze zničené planety raději odjel domů. Příchod jara a celý čtyřfázový cyklus střídání ročních období by mu snadno mohl uniknout. Hlavní důvody jeho mylných interpretací by byly asi tyto: •nečekal střídání období, protože je nezažil na své planetě 41 •měřítko pozorování bylo vzhledem k periodicitě jevů nevhodně zvoleno Ekosystém - otevřený systém Ekosystémy jsou otevřené systémy, které se svým okolím vyměňují energii i látky: Vstupy: Slunečnízáření Oxid uhličitý u Živiny (minerály uvolňované do pudy zvetrávaním horninového podloží, atmosférický spad nebo příchod nových druhů organismů či jejich diaspor) 42 Ekosystém - otevřený systém Výstupy: Vyzařování (odpadní teplo) Vymýváním látek z půdy Povrchový odtok Větrná eroze Vystěhování organismů Sklizeň biomasy z obdělávaných ekosystémů (pole, louky) 43 Ekosystém Ekosystém - společenstva rostlin, živočichů a protistů tvořená populacemi příslušníků jednotlivých druhů Biom Soubor ekosystémů podobných typů Úrovně biologické organizace: molekula - část buňky buňka - tkáň - orgán - organismus - populace společenstva organismů - ekosystém - biom Ekologická nika - určitá funkce, kterou má ten či onen druh v daném ekosystému Biom představuje dílčí oblast biosféry, charakterizovanou určitým typem biotických a abiotickych podmínek (zejména klimatickými a hydrologickými faktory a půdními a geologickými poměry, které dávají vznik určitým charakteristickým typům rostlinných a živočišných společenstev). Termínem ekologická nika (resp. nika) se v obecné ekologii označuje souhrn životních podmínek, které umožňují životaschopnou existenci populace určitého druhu. Tyto podmínky jsou určovány faktory prostředí, které lze dělit na abiotické (např. teplota, vlhkost, sluneční záření) a biotické (přítomnost potravy, predátorů a zdrojů). 44 Biotické složky prostředí Ekologická nika - schéma Ekologická valence vlhkost optimum i B I Ekologická valence je vyjádření schopnosti organismů snášet určitý faktor prostředí (např. teplotu, vlhkost,...). Znázorňuje se pomocí Gaussovy křivky. Šířka křivky odpovídá šíři valence, tedy rozsahu hodnot faktoru (na horizontální ose), které je daný druh schopen snášet (nejsou pro něj smrtící). Např. teplotní valence (termovalence) vyjadřuje, v jakém rozmezí teplot je schopen daný druh přežívat. 45 Základní rysy metabolismu jednotlivých živých organismů E E rokarvotní (Monera) rvoci {Protozoa) rostliny (Plantae) houby (Fungi) živočichové (Animalia) Eukaryota » Fun9/ ^\malia Protista Prokaryota This Photo by Unknown Author is licensed under CC BY-NC 46 Klíčovými druhy mohou být i různí opylovaci či roznášecí semen (plodů) nebo symbiotické organismy Klíčový druh je druh, který hraje klíčovou roli v ekosystému a jehož vymření (případně i jen výrazné zredukování početního stavu) může rozvrátit existující ekosystém či biotop. Často se jedná o dominantní rostlinné druhy, jejich opylovače nebo některé predatory. Jedním z klasických příkladů je vydra mořská (Enhydra lutrís), která je klíčový druh v příbřežních porostech mořského dna. Po prudkém poklesu její populace v důsledku systematického lovu došlo k přemnožení ježovek, kterými se vydra mořská živí, kteréžto následně spásly rostlinný pokryv až na holé dno. 47 Ekosystémoví stavitelé Samostatnou skupinu klíčových druhů představujítzv. ekosystémoví stavitelé (ecosystem engineers), kteří zásadním způsobem ovlivňují prostředí (fyzikální podmínky) společenstva i celé krajiny - např. bobři, žížaly, termiti aj. Termiti kteří se vyvinuli již před 145 mil. lety, patří mezi nejvýznamnější ekosystémové stavitele světa zvířat. samostatnou skupinu klíčových druhů představují tzv. ekosyst ekosystémoví stavitel stavitelé (ecosystem engineers), kteří zásadním způsobem ovlivňují prostředí (fyzikální podmínky) společenstva i celé krajiny - např. bobři, žížaly, termiti aj. 48 Základní složky ekosystému a jejich vzájemné vazby PRODUCENTI Biotické faktory KONZUMENTI DESTRUEN - Podle funkčního postavení v ekosystému a podílu na přeměně látek a energie lze organismy rozdělit na: A*' id o* x>e' Živé organismy ekosystému tvoří podle vztahu k hmotě 3 skupiny: 1. producenti - jsou to rostliny, produkující kyslík, který podmiňuje existenci života na Zemi. 2. konzumenti - organické látky produkované zelenými rostlinami tvoří potravu pro konzumenty. Někteří konzumenti se stávají potravou pro jiné konzumenty. Tento tok hmoty a s ním spojený tok energie nazýváme potravní (trofický) řetězec. 3. Reducenti nebo destruenti - tvoří rozkladný potravinový řetězec. 49 Základní typy metabolismu Organismy Foto-litotrofní Fotoorga-notrofní Chemo-litotrofní Chemoor-ganotrofní Zdroj E Světlo Světlo Oxidace Oxidace Zdroj H+, e H20 (H2S) Organické látky H20 (H2S) Organické látky Zdroj C C02 co2 C02 Organické látky Z hlediska výživy (trořiky, z řeckého trofé = výživa) dělíme organismy podle různých kritérií na několik základních metabolických typů:Podle formy přijímané energie dělíme organismy na fototroýhí, které absorbují světelnou energii a přeměňují ji na energii chemickou (viz fotosynthesa), zatímco zdrojem energie organismů chemotroýiích jsou různé chemické reakce (nejčastěji oxidace organických nebo anorganických látek). Podle toho, zda jsou schopny synthetisovat organické látky, dělíme organismy na autotroýhí, které jsou schopny přijímat anorganické látky (především oxid uhličitý) a synthetisovat z nich látky organické, a heterotroýií, které nemohou z oxidu uhličitého synthetisovat organické látky a musí je získávat z prostředí ve formě živin, obvykle z těl jiných organismů. Podle zdroje vodíku, potřebného pro různé intracelulární redukční procesy, dělíme organismy na lithotrofní (řecky lithos = kámen), které využívají vodík z anorganických látek, a organotroýhí, pro něž jsou zdrojem vodíku organické látky. Tyto základní metabolické typy mohou být libovolně kombinovány; organismy autotrofní bývají, celkem logicky, většinou lithotrofní a naopak heterotrofové bývají organotrofní. V rámci jednoho organismu lze často určité skupiny buněk podle trofiky řadit do různých typů; např. kořenové buňky rostlin jsou chemoorganotrofní zatímco zelené buňky listů jsou fotolithotrofní. 50 Základní metabolismus První skupina: typicky autotrofní organismy (pouze světlo a anorganické živiny) Základní proces látkové výměny: fotosyntéza (asimilace C02) 6 C02 + 6 H20 + 2,82 .106 J -> C6H1206 + 6 02 Sluneční zářeni Základní metabolismus Druhá skupina - fotoorganotrofní- pouze bakterie jedné čeledi Třetí skupina-chemolitotrofn í- opět jen některé bakterie: <í> nitrifikační- oxidace NH, > N02-->N03- C02-redukce na CH4 Fotoorganotrofní organismy, zjm. bakterie, využívají světelnou energii k syntéze biomasy a zdrojem živin jsou organické látky, např. soli organických kyselin, např. kyseliny jantarové či octové. 52 Základní metabolismus Společný znak metabolismu heterotrofů- látkovým i energetickým zdrojem jsou organické látky z vnějšího prostředí Zvláštní metabolické typy: -1 Bakterie a sinice vážící N: pomoci enzymu nitrogenázy dokáží rozbít neobyčejně pevnou vazbu molekulárního dusíku a vázat jej do organických nebo anorganických molekul Bakterie schopné rozložit pevné, stabilní organické látky: CH4, nasycené uhlovodíky, benzen.. Organismy žijící v extrémních podmínkách: horké prameny, Sahara, nasycený roztok NaCI, nízké pH.. Konzumenti - konzumují živou biomasu (býložravci, masožravci) Reducenti (destruenti, rozkládací) -konzumují biomasu mrtvou -heterotrofové z říše protistů -bakterie a houby Ekosystém ^producenti + konzumenti + destruei Zdroj E - sluneční záření 1-5 % dopadajícího slunečního záření využívají k asimilaci Polovina asimilované energie se ztrácí při dýcháni a polovina (0,5 - 3 % dopadající E) je využito ke tvorbě biomasy Zbytek sluneční E - odraz (10-25 %) - absorpce rostlinami -přeměna na tepelnou E -spotřeba jako výparné teplo vody - přebytek (80 %) vyzářen ve formě tepelného záření Živí se těly producentů: - primární (býložravci) - sekundárni - terciární Žiji z těl a odpadů jiných organismů (zbytky, odumřelé organismy) Výsledek činnosti destruentů - nic se neakumuluje, vseje znovu využito a znovu zapojeno do koloběhu látek Producenti Producenti (P) - autotrofní organismy tvořící z jednoduchých anorganických látek látky organické, buď prostřednictvím fotosyntézy (zelené rostliny, sinice), nebo chemosyntézy (některé bakterie, např. sirné či nitrifikační). Primárni producenti autotrofní organismy, přeměňující anorganické látky v organické. Dokáží chemicky vázat energii do své biomasy tato energie udržuje životní procesy všech organismů v potravním řetězci během průchodu potravním řetězcem degraduje a přeměňuje se v mechanickou energii a teplo 55 Konzumenti Konzumenti (K) - heterotrofní organismy (většina živočichů), živící se přímo či nepřímo organickými látkami vytvořenými producenty. Podle typu výživy se dělí na: (1) býložravce (herbivoři, fytofágové, K1), (2) mäsožravce (karnivoři druhého řádu - K2, třetího řádu - K3 atd. (3) všežravce (omnivoři). Destruenti (rozkladací, dekompozitoři) Destruenti (rozkladací, dekompozitoři. D) - různé skupiny organismů živící se mrtvou organickou hmotou (detritem); tu postupně rozkládají až na jednoduché látky-C02, H20, aminokyseliny, minerální živiny, které mohou být opět využity producenty. Patří sem heterotrofní organismy makroskopických i mikroskopických rozměrů (hlavně houby a bakterie, dále žížaly, hmyz (např. chvostoskoci), prvoci, roztoči, mnohonožky, stonožky aj.) Žijí převážně v půdě (kde tvoří součást edafonu), zčásti též na povrchu rostlin i na různých odumřelých organických zbytcích chvostosko Produkce ekosystému Autotrofními organismy (tj. producenty) vyprodukované organické látky tvoří primární produkci ekosystému. Produkce = vytvořená biomasa [kg .nr2. rok1 ] Fotosyntézou vzniká určité množství biomasy, tzv. hrubá primární produkce (PG), která je závislá na výkonnosti fotosyntetického aparátu porostu či rostliny; nelze ji však v přírodě přímo měřit, protože rostlina část asimilované energie ztrácí v podobě tepla dýcháním - v průměru kolem 50 [- 75] %. PG = PN + R R - ztráty dýcháním rostlinných orgánů PN - čistá primární produkce Předpokladem toku energie a koloběhu látek (biologických cyklů) je schopnost živých soustav vytvářet organické látky z látek anorganických a v nich poutat sluneční energii ve formě chemických vazeb. V tom spočívá základní význam nejdůležitější funkční složky ekosystémů, primárních producentů. Rychlost produkce biomasy označujeme jako produktivitu. Primární produktivita (primární produkce) je rychlost, jíž se v důsledku fotosyntetické činnosti producentů (zelených rostlin) využívá energie ve formě organických látek, jež mohou vytvářet přírůst rostlin (biomasu) nebojsou využity konzumenty jako potrava. Jednoduše řečeno, je to množství biomasy vytvořené autotrofními organismy (primárními producenty) za jednotku času, při spotřebě energie 58 Primární produkce ekosystému Primární produkce obecně roste od pólů k rovníku v závislosti na růstu: ': Intenzity světla ^ Průměrné teploty Délky vegetačního období Roční čistá primární produkce Země (g sušiny, nr2. rok-1) Comments WĚ soo ■ looo | [ OcoaniCD aooäoo I I -c 230 B 'ooo KOO ( 1 « 100 H »«oo M mo 300 M >aooo | [ ] 'ooioo oOWmV V současných (anglických) pracích bývá často produktivita vyjádřena jako g DM (= dry matter, sušina).nr2.yr1. 59 Sekundární produkce ekosystému Organické látky vytvořené v tělech všech heterotrofních organismů (konzumentů a destruentů) odpovídají sekundární produkci ekosystému. Produktivita představuje množství energie vázané do nové biomasy (sušiny) vztažené na určitou plochu za jednotku času, např. za celý rok, nebo jen za vegetační periodu [kg .nr2. rok-1; g C . nr2. rok-1]. Nejvyšší produktivitu mají tropické deštné lesy, monzunové lesy, korálové útesy; intenzivně obdělávaná půda 60 Sekundární produkce ekosystému Vyšší produktivita většinou úzce koreluje s vyšším druhovým bohatstvím; výjimkou jsou druhově velmi bohatá společenstva na chudých půdách v jižní Africe a v Austrálii V mořích a oceánech jsou nej produktivnější vody při pobřeží (dokonalé promíchání díky bouřím a mořským proudům), výstupné proudy lokálně výrazně zvyšují produktivitu mořského ekosystému ! Chladné vody jsou produktivnější než teplé (zřejmě proto, že jsou bohatší na živiny (např. fosfáty jsou více rozpustné v chladnější vodě) Energie se v ekosystému zpravidla nemůže výrazněji hromadit (x fosilní paliva) -> jednostranný tok energie, který je realizován prostřednictvím trofických vztahů. 61 Potravní řetězce Přenosy látek a energie v ekosystémech se uskutečňují v potravních (trofických) řetězcích, které propojují jednotlivé potravní úrovně. Potravní řetězec představuje posloupnost (sled) organismů, které jsou ve vzájemných potravních závislostech, tj. jeden požírá druhého, přičemž sám se stává potravou v následující trofické úrovni. Obecně: P -> K1 -> K2 -> K3 -> ... V každém ekosystému musí existovat minimálně 2 trofické úrovně. Potravní řetězec popisuje potravní vztahy mezi druhy v ekosystému, tj. které druhy požírají které. Jinými slovy ukazuje, jak se v rámci ekosystému přesunuje biologický materiál a energie z jednoho druhu na druhý. Obvykle se vztah mezi sežírajícím a sežíraným organismem v diagramu znázorňuje pomocí šipky, která reprezentuje přenos biomasy. Organismy jsou seskupeny do skupin (tzv. trofických úrovní) podle toho, jak jsou vzdáleny od primárních producentů. Primární producenti, autotrofní organismy, dokážou vyrábět složité organické látky (tedy vlastně „potravu") jen ze zdrojů energie a anorganického materiálu. Těmito organismy jsou obvykle fotosyntetizující rostliny a řasy, ale ve vzácných případech to mohou být i chemotrofní organismy, jako tomu je například na dně hlubokých moří. 62 Potravní řetězce Potravní řetězce mívají v průměru 4 články: Nejdelší trofické řetězce jsou ve vodních ekosystémech, např. fytoplankton -» zooplankton -> drobné ryby -> dravé ryby -> draví kytovci ->• lední medvěd (maximálně kolem 10 článků) Existují 3 typy potravních řetězců (podle toho, zda začíná živou biomasou či mrtvou organickou hmotou): ^> pastevně-kořistnický detritový (= dekompoziční) <*> parazitický- spojuje různé skupiny parazitů (cizopasníků) Potravní řetězec je sled trofických (potravních) úrovní, které na sebe navazují □ Pastevné kořistnický potravní řetězec - začíná živou biomasou primárních producentů □ konzumenti (býložravci = herbivoři □ masožravci = karnivoři) Detritový potravní řetězec □ Potravní řetězec je vázán na mrtvou biomasu □ ta je zdrojem energie pro rozkladače (dekompozitory, mikrokonzumenty) □ Produkt počátečního rozkladu (a zároveň materiál dalšího) rozkladu se nazývá detritus (detrit) □ mrtvá biomasa primárních producentů, exkrementy a mrtvá těla konzumentů z pastevně-kořistnického řetězce □ tímto detritový potravní řetězec navazuje na všechny trofické úrovně řetěze pastevně-kořistnického. 63 Pastevně-kořistnický řetězec cista pnmarni produkce Detritový řetězec B + F půdní organická hmota H — herbivoři, Cj- primární karnivoři, C2- sekundární karnivori; B — bakterie, F — houby, M — mikrobivoři (prvoci aj.), C — karnivoři, R — respirační ztráty IIUII1 RECETOX Primární producenti □ autotrofní organismy, přeměňující anorganické látky v organické. Dokáží chemicky vázat energii do své biomasy □ tato energie udržuje životní procesy všech organismů v potravním řetězci □ energie během průchodu potravním řetězcem degraduje a přeměňuje se v mechanickou energii a teplo □ Konzumenti □ heterotrofní organismy navazující na primární producenty; konzumenti I., II., popř. vyššího řádu 64 Pastevně-kořistnický řetězec m IV. trofická hladina konzument 3. řádu (sekundární karnivor) účinnost 5-20 0 o III. trofická hladina konzument 2. řádu (primární karnivor) dravý pták had účinnost 5-20 0 o II. trofická hladina konzument 1. řádu (herbivor) I. trofická hladina účinnost 5-20 0 o (zelená rostlina) účinnost 0,2 % producent cm Research Centre forTc žába vážka motýl K5 zelená rostlina the Environment http://recetox.muni.cz 65 Účinnost se týká transferu energie mezi jednotlivými články potravního řetězce. Mezi primární a sekundární produktivitou je obecně pozitivní vztah Většina primární produktivity neprojde pastevním systémem Býložravci nezkonzumují všechnu biomasu rostlin Ne všechna zkonzumovaná biomasa se asimiluje a včlení do biomasy konzumentů (výkaly) Ne všechny asimilovaná energie se přemění v biomasu (respirační teplo). 65 Osud energie v potravním řetězci □ Na sebe navazující úrovně konzumentů, kteří se živí předchozími články potravního řetězce a sami slouží za potravu článkům následujícím, se nazývají trofické úrovně □ Z každé trofické úrovně odchází část biomasy do detritového potravního řetězce (zbytky kořisti, exkrementy) □ Podíl strávené (asimilované) potravy z přijaté potravy se nazývá asimilační účinnost □ Jednotky podílu energie □ Primární producent - herbivor □ 0,45 - 0,90 (tj. 45 - 90% z energie v potravě) □ Mezi karnivorními trofickými úrovněmi □ 70 - 98% □ Poměr produkce biomasy v následující trofické úrovni k biomase předchozí trofické úrovně se nazývá produkční účinnost □ Podstatně menší, většinu tvoří metabolická spotřeba □ Roste od autotrofů (uloží do svých těl 0,1% přijaté sluneční energie) přes herbivory (několik málo % energie obsažené v potravě) až po karnivory (10 -20% účinnost) 66 Potravní sítě Potravní (= trofická') síť představuje svstém vzájemně propojených potravních řetězců (ukazuje, které druhy v rámci biocenózy jsou spolu potravně propojeny). Čím je potravní síť určitého biotopu hustší, tím stabilnější zde bývá biologická rovnováha; Potravní (trofická) síť □ Vzniká propojením potravních řetězců □ Čím jsou potravní sítě v ekosystému složitější, bohatší a rozmanitější, tím je daný ekosystém stabilnější (souvisí i s počtem druhů v ekosystému) □ Důležitou roli hrají zpětné vazby □ Délka potravních řetězců odráží celkovou bilanci živin v ekosystému □ čím méně živin, tím delší řetězec (a pomalejší obrat a minimální ztráty živin) □ Krátké řetězce pracují rychle, ale s velkými ztrátami hmoty □ málo druhů = jednoduché řetězce = velký využitelný přebytek (podstata zemědělských monokultur) 67 Potravní síť Konzument 3. řádu Konzumenti 2. řádu Konzumenti 1. řádu Producenti M U N I R E C E T 0 X Potravní (trofická) síť □ Vzniká propojením potravních řetězců □ Čím jsou potravní sítě v ekosystému složitější, bohatší a rozmanitější, tím je daný ekosystém stabilnější (souvisí i s počtem druhů v ekosystému) □ Důležitou roli hrají zpětné vazby □ Délka potravních řetězců odráží celkovou bilanci živin v ekosystému □ čím méně živin, tím delší řetězec (a pomalejší obrat a minimální ztráty živin) □ Krátké řetězce pracují rychle, ale s velkými ztrátami hmoty □ málo druhů = jednoduché řetězce = velký využitelný přebytek (podstata zemědělských monokultur) 68 Ekologické pyramidy Potravní závislosti, tj. postupný pokles celkové biomasy, energie či počtu jedinců v jednotlivých trofických úrovních lze graficky znázornit pomocí ekologických pyramid. Pyramida energie - představuje nejobjektivnější způsob vyjádření trofické struktury ekosystému (je náročná na údaje...); má vždy klasický tvar, protože všechny energetické přechody jsou spojeny se ztrátou energie_ Pyramida biomasy- každou trofickou úroveň zastupuje biomasa organismů pomalejší rychlejší Terestrický ekosystém K3 K, Biomasa producentů bývá nejméně 10OOkrát větší než biomasa K + D. D IUI U N I RECETOX S trofickou úrovní klesá biomasa i produkce = potravní (trofická) pyramida Ztráty energie v trofických řetězcích □ Čím delší potravní řetězec, tím větší ztráty energie S trofickou úrovní klesá biomasa i produkce □ potravní (trofická) pyramida 69 Pyramida (a) množství a trofických úrovní v ekosystém (b) energie a individuální velikosti potravního řetězce /Birdš\ ^TertiaryX ' consumers n Fish" Secondary consumers Zooplankton Primary consumers Phyloplankton Primary Producers Size Abundance ■ Tertiary consumers Secondary consumers Primary consumers Primary producers cal/m3 day Figure 2.4 Pyramid of (a) numbers and trophic levels for an ecosystem and (b) the concept of the energy pyramid and individual size of a food chain. Pyramida (a) množství a trofických úrovní v ekosystému (b) energie a individuální velikosti potravního řetězce 1 A Pyramida znečištění ^ W Size Tertiary consumers Secondary consumers Primary consumers Primary producers Abundance -(a) cal/m5 day (A) Figure 2.4 Pyramid of (a) numbers and trophic levels for an ecosystem and (b) the concept of the energy pyramid and individual size of a food chain. UNI RECETOX 71 Pyramida četnosti Pyramida četnosti - odráží jev, že počet jedinců od první k poslední trofické úrovni (vrcholoví predátoři) se obvykle strmě zmenšuje Obrácené poměry jsou u parazitických řetězců parazité jsou menší a početnější než hostitel) xistují i „obrácené" pyramidy četnosti - např. stroi Ikým počtem herbivorního hmyzu K- P ~ strom UNI RECETOX 72