Loading

4. Koloběh uhlíku

• Dostupnost živin = hlavním limitním faktorem produktivity terestrických ekosystémů
• Příjem živin rostlinami - řízen zásobou dostupných živin v půdě
- difúzí (hlavní faktor řídící transport)
- tokem (bohaté půdy, mikroprvky)
- aktivním příjmem
• Pouze živiny v přímém kontaktu s živými buňkami
• Schopnost rostlin zvyšovat kapacitu příjmu živin

• Rostliny odpovídají na zvýšení dostupnosti živin hlavně zvýšením růstu a pouze málo zvýšením koncentrace.
• Poměr biomasy k množství N v opadu charakterizuje účinnost příjmu živin (čím vyšší, tím účinnější příjem).
• Rostliny jsou schopny vyrovnat se s novými podmínkami prostředí a změnit příjem živin během několika dní
• Re-alokace do kořenů v podmínkách limitace živinami jim umožňuje zvýšit růst kořenů a zvětšit jejich plochu
• Rostliny také zvyšují svou kapacitu přijímat živiny pomocí symbiotických asociací s mykorrhizními houbami a N2 fixujícími bakteriemi
• Dále mohou regulovat příjem tím, že mění kinetiku příjmu a maximalizují příjem nejvíce limitující živiny
• Existuje „trade off“ mezi maximálním investováním živin do nového růstu (rostoucí orgány obsahují hodně živin na jednotku biomasy) a efektivností, s jakou jsou živiny použity k tvorbě biomasy
• Rostliny produkují biomasu nejefektivněji ( tzn. tvoří nejvíce biomasy na jednotku spotřebované živiny) v podmínkách limitace živinami
• Účinnost příjmu živin (NUE= nutrient use efficiency=poměr živin k biomase v opadu) je maximalizována prodloužením života tkáně – tedy snížením ztrát
• Stárnutí je hlavním mechanismem ztrát živin a rostlina ho redukuje re-alokací – tak rostlina znovu využívá okolo 50% N, P a K
• Okolo 15% ročního vstupu živin do rostlin se do koloběhu vrací vymýváním z nadzemních částí nebo prostřednictvím herbivorů
• K velkým ztrátám živin dochází i po jakékoliv disturbanci (=narušení) ekosystému – odlesnění a zpětné zalesnění
čistá primární produkce = hrubá primální produkce – rostlinná respirace
NNP = GPP - Rrostl
čistá produkce ekosystému
NEP se přibližně rovná GPP – (Rrostl + Rheterotr + Fdisturb + Floužení)

ekologická stechiometrie – organismy mají různé požadavky na živiny (podle složení jejich biomasy)
příklad pro N:
rostliny: C/N poměr – vysoká variabilita (listy 15-50, kořeny 20-120)
živočichové : homeostatičtí (C/N 6-10)
mikroby: variabilita ovlivněna složením společenstva (C/N bakterie 4-8, houby 12-15)

všechny biogeochemické cykly ovlivněny lidskou aktivitou: nejvíce fosfor (400%), síra (113%), dusík (108%), uhlík (13%) a nejvíce ovlivnění došlo v sedimentech (200%)
- tři formy: amorfní, grafit, diamant, fullereny (umělé)
- izotopy 10C-16C
Krátkodobý cyklus: v časovém rozmezí 1000 let (fotosyntéza, respirace, pohyb CO2 na rozhraní atmosféra – oceán)
Dlouhodobý cyklus: přeměna C na uhličitany, uhlí, stabilizovanou půdní organickou hmotu, uvolňování zvětráváním hornin, dekompozicí, lidskou činností, od tisíců do miliónů let.

- ovlivňuje celý suchozemský ekosystém kde je limitující živina → ovlivňuje čistou primární produkci i čistou primární produkci ekosystému

hrubá primární produkce (GPP)
- vstup uhlíku = procesy fotosyntézy
- čistá fotosyntéza – čistý zisk C měřený na úrovni listu (účinnost využití světla u C3 asi 6%, u C4 asi 8%)
- využití světla = kvantové množství světla využité k fixaci jednotkového množství C
- stomata (=průduchy): dovnitř CO2, ven H2O a O2, uvnitř listu Rubisco a karboxylační enzimy
- regulace transpirace a vstupu CO2 – otevírání a zavírání průduchů (trade-off mezi ztrátou vody a spotřebou CO2)

- vliv abiotických faktorů na fotosyntézu:
-intenzita světla:
- změna aktivity chloroplastů a stomatální konduktance (=vodivosti)
- vysoká osvětlenost – otevření průduchů, nízká uzavření ⇒ udržování konstantní úrovně CO2 uvnitř listu
- využitelnost světla podobná u všech rostlin –mezi 6 a 8 %, pokud není limitace vodou, živinami nebo polutanty
- Z hlediska dnů a let a na úrovni porostu – aklimace rostlin (vlastnosti listů), adaptace (vlastnosti listů, světlomilné x stínomilné rostliny)-úhel listů
- osvětlené listy jsou silnější a mají méně chlorofilu než zastíněné
= fixace C různými ekosystémy (GPP) je jen málo ovlivněna dostupností světla
-vliv vody na vstup uhlíku – dostatek vody = do listu vstupuje dostatek CO2, nedostatek vody = nedostatek CO2
-LAI (=leaf area index): v porostu může být jen určitá maximální plocha listu na jednotku plochy (LAI) a ta je dána intezitou ozáření
- klíčový parametr ovlivňující procesy v ekosystému, protože významně ovlivňuje schopnost porostu fixovat C
- ovlivňuje také přenos energie, hydrologický cyklus a cykly ostatních živin
vliv teploty
- přestože je fotosyntéza citlivá na krátkodobé změny teploty, vlastnosti listů minimalizují rozdíly v teplotě listů mezi ekosystémy
= teplotní odpověď fotosyntézy je mezi ekosystémy podobná
- hlavní faktory ovlivňující GPP ekosystému
• dlouhodobý vliv: biota, čas, matečná hornina, podnebí
• krátkodobý vliv: listová plocha, dusík, délka sezóny, teploty, světlo, CO2
• interakce mezi dlouhodobým a krátkodobým vlivem: funkční typy rostlin, kvalita půd
- GPP = Σ fotosyntézy všech listů v ekosystému integrovaná na plochu (m2) a čas (rok)

Čistá primární produkce (NPP): NPP = GPP – respirace rostlin (=autotrofní respirace)
Respirace rostlin – tvoří relativně konstantní podíl GPP (úroveň ekosystému)
• dělí se na nadzemní (nadzemní část rostlin, mechy, řasy, lišejníky) a podzemní produkci (kořeny rostlin a rhizodepodie = odumřelé kořenové vlásky, organické kyseliny, AMK, sacharidy, slizové látky)
• fyziologická kontrola NPP
- krátkodobá (hodiny, dny): světlo a dostupnost vody = změny rychlosti fotosyntézy
- dlouhodobá (týdny, měsíce): dostupnost vody, živin a O2 v půdě → produkce hormonů → redukce rychlosti růstu → snížení potřeby C a živin → redukce LAI a fotosyntetické kapacity → redukce rychlosti růstu (opět)
• kontrola prostředím
- podnebí teplota, dostupnost vody a živin: louky a pouště (limitace hlavně vodou), tundra a boreální les (hlavně limitace dostupnosti živin a dusíkem)

Čistá produkce ekosystému (NEP) NEP = GPP – respirace rostlin – restirace půdy
- tok C v suchozemském ekosystému
- příjem C: fotosyntéza 50 % (GPP), biomasa asi 45% (NPP), opad a půdní organická hmota < 4% (NEP), humus a „černý“ C <1% - ztráty C: respirace rostlin 50%, respirace půdy asi 48%, epizodické disturbance (=oheň, vykácení, zemědělské obhospodařování) - obojí je čím víc procent tím rychlejší je to proces - zásoba C v suchozemských ekosystémech: atmosféra ↔ (tam -> fotosyntéza, zpět <- autotrofní respirace) biomasa -> opad -> půda -> půdní respirace (CO2) -> opět atmosféra
- z půdy vedou výstupy: nerozložené zbytky, mikrobní biomasa, mikrobní metabolity
- nejvíce půda téměř stejný jako součet atmosféra a biomasa
- C zdroje -> konzumace potravy -> buňka -> vylučování -> minerální látky
-> vylučování -> organické meziprodukty, exkrementy
-> respirace -> CO2
- heterotrofní respirace se zvyšuje úměrně se zvyšující se dekompozicí (vše až na respiraci je dekompozice) a dále se zvyšuje s NPP
- celková půdní respirace = autotrofní (kořeny) + heterotrofní (organismy)
- heterotrofní respirace půdy 40-60%
- organická hmota v půdě -> minerální podíl 94%, organická hmota 6%
-> organická hmota 6% = mrtvá organická hmota 84% (humus a nerozložené zbytky), kořeny 9%, organismy a dekompozitoři 7%
-> organismy a dekompozitoři 7% = bakterie včetně aktinomycet 45%, houby 25%, mikro-, mezo-, makro- a megafauna 26%
- bakterie včetně aktinomycet a houby zodpovídají za transformaci více než 95% veškeré org. hmoty v půdě
- průměrná doba zdržení celkového zásobníku C v půdě je 250 - 940 let
- Všichni heterotrofové nezávisle na velikosti či objemu se podílejí na spotřebě organické hmoty a živin v ní vázaných. Část spotřebovaného materiálu využívají ke stavbě svého těla a část je spotřebována (spálena) v katabolických procesech a přeměněna na oxid uhličitý

- hlavní faktory ovlivňující dekompozici na úrovni ekosystémů
- dlouhodobá kontrola: biota, čas, mateční hornina, klima
- střednědobá kontrola (interaktivní a nepřímá): zdroje půdy, funkční typy rostlin, NPP
- krátkodobá kontrola (přímá): kvalita uhlíku a drobných zbytků, drobné zbytky C/N, teplota vody, kyslík

- popis rychlosti dekompozice:
k = roční opad / celkové množství opadu k=rychlostní konstanta

Prostorové rozložení dekompozice:
Většina C, N a P v povrchových vrstvách, s největším:
•prokořeněním
•vstupem organické hmoty
•osídlením organismy

- nejrychlejší v povrchových vrstvách
- nejrychlejší v tropických deštných lesích, temperátní jehličnaté lesy mají limitaci teplotou a temperátní listnaté lesy mají limitaci teplotou a kvalitou opadu
- čím vyšší poměr obsahu ligninu k obsahu N, tím pomalejší rozklad
- srážky mají zvyšující vliv na dekompozici, ale pouze pokud nezačne převyšovat evapotranspirace nad srážkami

- chemické a fyzikální změny organické hmoty během dekompozice:
1. biologický rozklad organických molekul
velikost: velká……………………….……………….malá
chemické vlastnosti: chemicky labilní………………chemicky stabilní
dekompozitoři: mikrofauna, mikro- a mezofauna, bakterie, houby

2. Stabilizace
- sorpce/fyzikální ochrana
- agregace (=shlukování)
- chemické změny
- spalování


Zásobníky
• největším zásobníkem oceány, pak atm.
• půda, resp. horniny jako vápence a dolomity
• OH tvoří mobilní rozpustné látky a nemobilní pevně vázaná OH, dělení na nehumátové x huminové složky
• atm. nejmenší a nejdynamičtější zásobník, vliv na podnebí
• pohyb mezi 3 hlavními zásobníky – oceánem, pevninou a atmosférou

Vstup
• v povodí opad - fragmentace (větší bezobratlí) a dekompozice
• autochtonní primární produkce
• allochtonní využití rozpuštěné org. hmoty (jiné potr. dráhy, než autochtonní p. p.)
• antropogenní zdroje: spalovací procesy (fosilní), emise z těžby a úpravy paliv (methan), zemědělství a chov dobytka (methan) + vypalování + nakládání s odpady, průmyslové procesy (pálení vápna, odsiřování, výroba kys. dusičné), skládkování a čištění odpadních vod, spalování odpadu

Přeměny
• dekompozice POH – nové užití, vyplavení
• mineralizace
• fermentace – anaerobní, jiný akceptor el. než kyslík, produkty nižší mastné kyseliny, alkohol, enterická fermentace (skot, velbloudi …)
• fotosyntéza – propad CO2
• geologické procesy – ukládání uhlí, ropy, vápence...

Výstup
• v narušených povodích stoupá odnos C a také stoupá s vyšším průtokem, roste s vyšší produktivitou ekosystému
• vyplavování rozpuštěné OH z půdních profilů
• sorpce na hydratované oxidy Fe a Al
• sedimentace - ukládání
• budování vápenatých schránek
• respirace – emise CO2
• metanogeneze – zatopená území
CO2+8H -> CH4+2H2O
CH3COOH -> CH4+CO2, CH3COOH + 4 H2  CH4 + 2 H2O, dráha závisí na substrátu, vliv teploty, inhibice v přítomnosti oxidované sloučeniny nebo amoniaku. Oxidace methanu bio (90 % methanu) a chemicky (OH- radikály). Termiti – produkce methanu významná
Celulóza  cukry  mastné kyseliny, alkoholy  CO2, H2  metan
• sopečná činnost – uvolňování CO a CO2
• fyzikální procesy jako je spalování, oxidace methanu v atmosféře
• mineralizace C po zrušení vegetačního krytu při přeměně půdy na zemědělskou


- rozdíl oligotrofního (nízká biomasa, rychlý obrat) a eutrofního systému (vysoká sedimentace, ukládání) a dystrofního (hl. huminy, anaerobní prostředí, hl. jezera apod.)


Skleníkový plyn
• pohlcuje dlouhovlnné záření
• pomocí jeho ohřevného potenciálu měřen potenciál ostatních sklen. plynů (oxid uhličitý 1, methan 21, oxid dusný 310)

• vliv člověka na toky uhlíku: zvýšený tok z uložených zemních zásob, spalování fosilních paliv, zemědělské změny toků, vyšší příjem oceány, změna krátkodobých cyklů, odlesnění
• v bilanci chybí 2 Gt C ručně


Propojení s dalšími cykly (hl. mikrobiální, v sedimentech)
• respirace kyslíku (s O)
• denitrifikace (s N)
• redukce sulfátů (s S)
• methanogeneze, fotosyntéza (s H)

Anorganický uhlík ve vodách
• vstup CO2, pokles pH -> odstranění fotosyntézou, vzestup pH
• H2CO3 rozklad
• s Ca -> CaCO3
• zvětrávání, rozpouštění vápenců a biogenní dekalcifikace (povlaky na listech...)

koloběh v pobřežních vodách oceánu
• přítok řekou (rozpuštěný a partikulovaný)
• export dále do oceánu ->
• sedimentace organické hmoty ↓
• vertikální míchání ↑
• vzestupné proudy ↑

2 komentáře:

  1. Myslím si, že dost užitečné informace. Snižování uhlíkové stopy je už nějakou dobu dost ožehavé téma. Já sama se o to snažím jak jen to je možné. To stejné se dá říct například i o minimalizování vyprodukovaného odpadu. Toho například u nás doma produkujeme čím dál méně. Dost mě ovšem mrzí, že všechna ta snaha se jeví jako zbytečná v případě, že to člověk srovná s množstvím odpadu produkovaným velkými firmami. V jedné takové firmě totiž pracuji a ta letos vyprodukovala tolik odpadu, že bude potřeba podávat roční hlášení o produkci odpadu za rok 2021

    OdpovědětVymazat
  2. Osobně si myslím, že tyhle věci je fakt dobré znát. Na druhou stranu jsem ale toho názoru, že třeba pro to, aby člověk efektivně dělal věci jako třídění odpadů není potřeba mít MBA titul z nějakého ekologického oboru zaměřeného na životní prostředí. Prostě to buď dělám nebo nedělám. Ale vědět trochu toho pozadí nikdy neuškodí. :)

    OdpovědětVymazat