EKOLOGIA OGÓLNA

472 B

Wykład 3

Metabolizm biosfery,

produkcja pierwotna

Cykle biogeochemiczne 7.2. Azot, siarka, fosfor i inne
pierwiastki odżywcze (K, Mg, Ca, Fe).

10.XI

Rozdział 6: Dekompozycja, czyli rozkład biomasy;

Rozdział 7: Cykle biogeochemiczne 7.2. Cykl obiegu węgla;
wpływ na klimat globalny.

3.XI

Rozdział 5: Produkcja pierwotna biosfery. Produktywność
lądów i oceanów czynniki dominujące, najważniejsze dane
liczbowe.

27.X

?

Rozdział 4: Metabolizm biosfery. Biologiczne reakcje redoks,
strategie metaboliczne.

20.X

Rozdział 3: Biogeneza i historia biosfery. Istota i pochodzenie
ż

ycia, wydarzenia geochemiczne w historii biosfery, epoki i

okresy geologiczne, wielkie wymierania.

13.X

.

Rozdział 1: Wstęp (wyjątkowo lektura po wykładzie). Sprawy
organizacyjne. Metodologia i pragmatyka nauk przyrodniczych.
Rozdział 2: śycie biosfery. Ziemia jako środowisko życia

6.X.

śycie jako właściwość planety

ś

ycie to endoenergetyczny proces,

polegaj

ą

cy na cyklicznym utlenianiu i

redukowaniu zwi

ą

zków w

ę

gla,

realizowany przez autokatalitycznie

powielaj

ą

ce si

ę

makrocz

ą

steczki

(organizmy).

ś

ycie biosfery = cykl redoks w

ę

gla

CO

2

(CH O)

2

n

REDUKCJA
tylko

ż

ywe

organizmy

UTLENIANIE
organizmy: szybko
procesy abiotyczne:
powoli

energia

energia

DEPOZYCJA

(ocean, osady)

DEPOZYCJA

(zło

ż

a paliw)

SUBSTRATY

ś

YCIA

Budowa

biomasy

Energia

(praca)

DONOR ELEKTRONóW

(REDUKTOR

LUB SUBSTRAT

ENERGETYCZNY)

(CH O) , H , NH , H S

2

2

2

3

AKCEPTOR

ELEKTRONóW

(UTLENIACZ)

O ,NO ,SO ,CO

2

2

3

4

--

-

Reakcja redoks

2H

2

= 4H

+

+

4e

-

O

2

+

4e

-

= 2O

2-

2H

2

+ O

2

= 2H

2

O +

en.

H = donor elektronów, reduktor

O = akceptor elektronów,

utleniacz

Reakcja redoks

odwrotnie

2H

2

O +

hv

= 4H

+

+ 2O

2-

= 4H

+

+ O

2

+

4e

-

= 2H

2

+ O

2

H = donor elektronów, reduktor

O = akceptor elektronów, utleniacz

Potencjał REDOX

O

2

/H

2

O

NO

3

-

/N

2

NO

3

-

/NH

4

+

(CH

2

O)/CH

4

-

SO

4

2-

/SH

-

S/SH

CO

2

/(CH

2

O)

ODDYCHANIE

Metabolizm chemoautotrofów

2 mld LAT TEMU: FOTOSYNTEZA

CHLOROFIL, TLEN

Banded
Iron
Formation

ż

elazo utlenione

ż

elazo zredukowane

FOTOSYNTEZA
2 mld lat

Fotosynteza

Widmo promieniowania słonecznego

Widma chlorofilu i bakteriorodopsyny

Cykle biogeochemiczne 7.2. Azot, siarka, fosfor i inne
pierwiastki odżywcze (K, Mg, Ca, Fe).

10.XI

Rozdział 6: Dekompozycja, czyli rozkład biomasy;

Rozdział 7: Cykle biogeochemiczne 7.2. Cykl obiegu węgla;
wpływ na klimat globalny.

3.XI

Rozdział 5: Produkcja pierwotna biosfery. Produktywność
lądów i oceanów czynniki dominujące, najważniejsze dane
liczbowe.

Rozdział 4: Metabolizm biosfery. Biologiczne reakcje redoks,
strategie metaboliczne.

20.X

Rozdział 3: Biogeneza i historia biosfery. Istota i pochodzenie
ż

ycia, wydarzenia geochemiczne w historii biosfery, epoki i

okresy geologiczne, wielkie wymierania.

13.X

.

Rozdział 1: Wstęp (wyjątkowo lektura po wykładzie). Sprawy
organizacyjne. Metodologia i pragmatyka nauk przyrodniczych.
Rozdział 2: śycie biosfery. Ziemia jako środowisko życia

6.X.

PRODUKCJA PIERWOTNA

BIOSFERY

ś

ycie biosfery = cykl redoks w

ę

gla

CO

2

(CH O)

2

n

REDUKCJA
tylko

ż

ywe

organizmy

UTLENIANIE
organizmy: szybko
procesy abiotyczne:
powoli

energia

energia

DEPOZYCJA

(ocean, osady)

DEPOZYCJA

(zło

ż

a paliw)

MIARY STANU

I TEMPA PRODUKCJI BIOMASY

1. Stan:

g (kg) biomasy / m

2

[ha, km

2

]

2. Produkcja:

g [kg] biomasy / (m

2

[ha km

2

] × rok [doba, godz]

PRZELICZENIA JEDNOSTEK

1 g s.m. ~ 5 g biomasy = 4.1 kcal = 17.2 kJ
1 g węgla = 2.4 g s.m. (bo: C

6

H

12

O

6

...)

1 kcal = 0.249 J
1 g C = ok.. 10 kcal

1 J/sec = 1W = 86.4 kJ/dobę

Zale

ż

no

ś

ci morfometryczne drzew

Leaf Area Index = LAI

PO

Ś

REDNIE METODY POMIARU

PRODUKCJI PIERWOTNEJ

ZASADA ZDALNEGO POMIARU NDVI

Zasada
pomiaru
NDVI

Landsat 7

BADANIA SATELITARNE

Platforma LANDSAT (od 1972)

Spektrometr MSS, Thematic Mapper (TM)
Rozdzielczość czasowa: 16 dni
Rozdzielczość spektralna: 7 kanałów

µm

Rozdzielczość przestrzenna

1

0.45-0.52

30 m

niebieski

2

0.52-0.60

30 m

zielony

3

0.63-0.69

30 m

czerwony

4

0.76-0.90

30 m

podczerwień

5

1.55-1.75

30 m

podczerwień

6

10.4-12.5

120 m

„termiczne”

7

2.08-2.35

30 m

podczerwień

Scena 175 x 182 km
Obecnie funkcjonują:
Landsat 5 (1984)
Landsat 7 (1999) – Enhanced Thematic Mapper

Landsat 1, 1972

NIEBIESKIE

ZIELONOśÓŁTE

CZERWONE

BLISKA PODCZERWIEŃ

PODCZERWIEŃ

PODCZERWIEŃ

PUSZCZA NIEPOŁOMICKA (Landsat, Aug.1992; bands 5+4+2)

landsat 08.1992
kanaly 4+3 (NDVI)

Landsat
08.1992
bands 4&3

PUSZCZA
NIEPOLOMICKA
NDVI

NDVI = (IR-R)/IR+R)

SATELITA TERRA

aparatura pomiarowa:
ASTER (

google-earth

)

CERES
MISR

MODIS

MOPITT

AQUA
AURA

SYMULACJA DYNAMIKI PRODUKCJI PIERWOTNEJ

BIOSFERY W CI

Ą

GU 10 LAT (DANE: MODIS)

nasa

PORÓWNANIE DYNAMIKI PRODUKCJI PIERWOTNEJ

L

Ą

DÓW I OCEANÓW (dane: MODIS, NASA)

KORELACJA PRODUKCJI PIERWOTNEJ L

Ą

DÓW

Z BILANSEM PROMIENIOWANIA I TEMPERATUR

Ą

(dane: MODIS, NASA)

Zawartość chlorofilu w morzach

Produktywność

Oceanów

Z danych satel.

SeaWiFS

Science, czerw. 2002

ODMIANY FOTOSYNTEZY

Fotosynteza typu „CAM”

(Crassulacean acid metabolism)

•

Szparki otwarte w nocy; akumulowanie CO

2

do zużycia

przy świetle
•Szparki zamknięte w dzień (oszczędność wody);

Kaktusy, opuncje itd..

Fotosynteza typu C

3

lub C

4

• oszczędna gospodarka wodna, wymaga silnego
ś

wiatła

•Może działać w cieniu, mniej oszczędna
gospodarka wodna

Typowe ro

ś

liny C

3

pszenica, żyto, rajgras, wyka, fasola,
koniczyna, lucerna, dąb, buk, brzoza

Typowe ro

ś

liny C

4

Kukurydza, trzcina cukrowa,
proso, sorgo, Amaranthus
(szarłat), Portulaca,
Chaenopodium (komosa)

Szarłat (Amaranthus) –
Odmiana ozdobna

Główne ograniczenie Pp na l

ą

dach:

WODA

SZTUCZNIE NAWADNIANE POLA
W STANIE Kansas, USA

Tabela wybranych warto

ś

ci Pp na

l

ą

dach (sucha masa)

18.7

10-6000

Inne

117.5

Razem lądy

24.9

600-900

Sawanna, Stepy itp.

9.6

800

Tajga

14.9

600-2500

Lasy strefy umiarkowanej

49.4

1600-2200

Lasy równikowe

10

9

t/rok

g /(m

2

.rok)

Tabela wybranych warto

ś

ci Pp w morzach

2.1

200-400

Estuaria

55.0

Razem morza

1.6

500-4000

Rafy koralowe

9.6

200-600

Szelfy kontynentalne

0.2

400-1000

Upwellingi

41.5

2-400

Otwarty ocean

10

9

t/rok

g /(m

2

.rok)

Mapa produktywności lądów

Mapa produktywności oceanów

Mapa produktywności

BILANS ENERGETYCZNY BIOSFERY

CAŁKOWITA PRODUKCJA OCEANÓW:

20 - 23 × 10

9

ton C/ rok =

50 - 55 × 10

9

ton s.m. / rok =

1 × 10

21

J / rok = 32 × 10

6

MW

CAŁKOWITA PRODUKCJA LĄDÓW:

100 × 10

9

ton s.m. / rok =

1.8 × 10

21

J / rok = 57 × 10

6

MW

RAZEM BIOSFERA:

2.8 × 10

21

J / rok = 89 × 10

6

MW (inne źródła: 128 × 10

6

MW)

ENERGIA ZE SŁOŃCA (PhAR): 80.0 × 10

9

MW

Pp = 0.1... % PhAR

Zużycie energii przez człowieka (

) na tle fizjologicznego

zapotrzebowania na energię (

) u ssaków (wg Weiner 1989)

T

em

p

o

z

u

ż

y

ci

a

e

n

er

g

ii

,

W

Metabolizm minimalny

Metabolizm maksymalny

Maks. asymilacja
energii z pokarmu

Ś

wiat (średnio) < 2 kW/osobę

Polska ok. 5 kW/osobę
U.S.A. > 10 kW/osobę

Organizm ludzki

w spoczynku: 70 – 80 W
przy pracy: 350 – 600 W

ZU

ś

YCIE ENERGII

PRZEZ CZŁOWIEKA

ŚREDNIE ZUśYCIE

≈≈≈≈ 2 kW /1 człowieka

KRAJE ROZWINIĘTE

≈≈≈≈10 kW / 1 człowieka

Pp BIOSFERY

≈≈≈≈ 100 × 10

6

MW = 100 × 10

9

kW

(100 × 10

9

) / 10 = 10 × 10

9

= 10 miliardów ludzi

(cywilizowanych

nadmiernie)

(100 × 109)/2 = 50 × 109 = 50 miliardów ludzi

(cywilizowanych

ś

rednio...)

PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERY

A CYWILIZACJA

Zu

ż

ycie energii na głow

ę

(

ś

rednie dla regionów)

0

1

2

3

4

5

6

7

Ś

w

ia

t

O

E

C

D

Ś

r.

W

sc

hó

d

B

ył

y

ZS

R

R

E

ur

. N

ie

-O

EC

D

C

hi

ny

A

zj

a

A

m

. Ł

ac

.

A

fry

ka

P

ol

sk

a

Regiony

k

W

51%

15%

21%

11%

2%

0%

W

ę

giel kamienny

W

ę

giel brunatny

Ropa itd.

Gaz wysokometan

Gaz zaaztotowany

elektr. Wodne

Udział ró

ż

nych

ź

ródeł energii w Polsce

Ł

ą

czna poda

ż

: 3516 PJ/rok (2003);

111,5 GW

= ok. 3 kW/głow

ę

tzw. „ENERGETYCZNE ZASOBY

ODNAWIALNE”

• Biomasa

– Opał, biogaz, etanol, biodiesel itd.

• Energia wiatru

• Energia rzek i pływów

• Energia słoneczna

– Panele cieplne, ogniwa fotowoltaiczne

• Energia geotermalna

14,9

14,9

Maksymalny % udziału biopaliw

Suma podaży en. 2003

Suma

buraki cukr.

ziemniak

kukurydza

ż

yto

pszenica

Etanol

Rzepak (MER)

Inne rośl.

Wierzba

Słoma (6-7 mln t)

uprawa

3700

2000

2500

800

1400

l/ha

1,02

30

19

max. plon

t/ha

21,17

21,17

21,17

21,17

21,17

41,87

13

13

15

Wart.

energ.

MJ/l

MJ/l

MJ/l

MJ/l

MJ/l

MJ/kg

MJ/kg

MJ/kg

MJ/kg

jedn.

78,329

42,34

52,925

16,936

29,638

13,26

390

247

plon GJ/ha

150000

400000

200000

750000

1000000

Po

ł

owa obecnego area

ł

u tych upraw

1000000

200000

1000000

ile max ha?

3515984

524870

11749

16936

10585

12702

29638

13260

78000

247000

105000

max prod.

TJ/rok

111,49

16,64

0,37

0,54

0,34

0,40

0,94

0,42

2,47

7,83

3,33

moc

GW

OCENA MAKSYMALNEJ PODA

ś

Y ENERGII Z BIOPALIW

(dane z: J. Ku

ś

, 2002 i GUS)

• Hydroelektrownie

1:24

• Biomasa

1:7

• Energia z wiatru

1:5

• Energia fotowoltaiczna

1:3

• Biogaz

1:2

• Energia geotermalna

1:48

• Węgiel

1:8

• Energia jądrowa

1:5

• Gaz ziemny

1:8

• Etanol

2:1

• Biodiesel

2:1

BIE

śĄ

CE KOSZTY ENERGETYCZNE

PRODUKCJI ENERGII

(ZWYKLE POMIJANE;Pimentel et al..)

MITOLOGIA „ZIELONYCH PŁUC”

Cykle biogeochemiczne 7.2. Azot, siarka, fosfor i inne
pierwiastki odżywcze (K, Mg, Ca, Fe).

10.XI

Rozdział 6: Dekompozycja, czyli rozkład biomasy;

Rozdział 7: Cykle biogeochemiczne 7.2. Cykl obiegu węgla;
wpływ na klimat globalny.

3.XI

Rozdział 5: Produkcja pierwotna biosfery. Produktywność
lądów i oceanów czynniki dominujące, najważniejsze dane
liczbowe.

27.X

?

Rozdział 4: Metabolizm biosfery. Biologiczne reakcje redoks,
strategie metaboliczne.

20.X

Rozdział 3: Biogeneza i historia biosfery. Istota i pochodzenie
ż

ycia, wydarzenia geochemiczne w historii biosfery, epoki i

okresy geologiczne, wielkie wymierania.

13.X

.

Rozdział 1: Wstęp (wyjątkowo lektura po wykładzie). Sprawy
organizacyjne. Metodologia i pragmatyka nauk przyrodniczych.
Rozdział 2: śycie biosfery. Ziemia jako środowisko życia

6.X.