PAR → ATP, NADPH ~34%-os hatékonyság

Az előadások a következő témára: "PAR → ATP, NADPH ~34%-os hatékonyság"— Előadás másolata:

1 PAR → ATP, NADPH ~34%-os hatékonyság a további lépések (CO2 redukció, szubsztrát regeneráció, transzport, új vegyületek szintézise, légzési folyamatok (iongrádiensek fenntartása, biomassza fenntartási légzése)) során az eredő hatékonyság jelentősen csökken. A vegetációs periódus hosszát is tekintetbe véve → az energiaátalakítás hatékonysága 3% alatti még a trópusi esőerdők esetében is (cukornád-ültetvények →7%) A növekedés „költsége”: 0.557gC/g képzett száraztömeg→ a növekedési légzés „költsége” 20-25%-os A CO2-felvétel korlátai (PAR, CO2cc, víz,T) emelkedő légköri CO2-szint, vegetáció válaszai levél-élethossz ↔ fotoszintetikus aktivitás turnover, N-tartalom SLA (támasztószövetek) védekezés (lignin, tannin) Az állományok felső szintjei, → a felületi határréteg vastagsága miatt is (+PAR lim.) a legproduktívabbak. állomány vs levél Pn-PAR telítődése

2 Produkció= termelés-fogyasztás~fotoszintézis-légzés
Légzés, respiráció mitokondriális légzés →oxidatív foszforiláció ~ a glükóz elégetése révén nyer ATP-t a fenntartási, a növekedési légzéshez, továbbá az ionfelvételhez (aktív) →floem transzport, tápanyagok aktív transzporttal való felvétele fenntartási: - lipid- és fehérje-turnoverek (kicserélődés) energiaigénye növekedési: - az egyes vegyületek előállításához szükséges energia ionfelvétel: - grádienssel szemben működő ionpumpák energiaigénye A növekedés költségei (légzési veszteség C-ben): Cukrok, poliszacharidok, nukleinsavak: mg C Fehérjék: 650 mg C Lignin: 930 mg C Lipidek 1200 mg C (már megkötött C) kell 1 g létrehozásához Átlag: 557 mg C légzési veszteség mellett történik 1 g fitomassza produkciója.

3 Egyedi szintű produkció
Produktivitás – a produkciós folyamat intenzitása produktum „ eredménye Allokáció: a növekedés megoszlása a növény részei (hajtás, gyökérzet, virágzat) között Liebig törvénye: a növekedést az egyes elemek különböző mértékben határozzák meg a leginkább korlátozó elem mennyisége határozza meg a maximális növekedési sebességet Egyedi produkciós mutatók – a növény morfológiája, „levelessége” (allokáció) Nettó asszimilációs ráta (NAR) g.m-2nap „egységnyi teljesítmény” Levélfelület-arány (LAR) m2.g-1 „egységnyi munkaerő” Relatív növekedési ráta (RGR) nap-1 RGR= NAR * LAR SLA

4 A szigmoid növekedési görbe a tömeg (hossz) időbeli alakulását adja meg, a növekedés aktuális sebessége ennek a görbének a (t időpontban vett) meredeksége → abszolút növekedési ráta/sebesség (g.nap-1) RGR → (ln(W2)-ln(W1))/(t2-t1) /W, W’, W’’/

5 NPP=GPP-Rautotróf, (~0.5*GPP) (degree days, T=summa(Tnapi közép-Tbase)
Állományszintű produkciós folyamatok a fény elnyelődése a lombsátorban, levélfelület-index (LAI, leaf area index, m2/m2) I=Ioe-kL Io: beeső PAR. I: a lombsátor alatt mért PAR, k: extinckiós együttható, L: LAI Bruttó primer produkció (GPP, Gross Primary Prodcution) Nettó primer produkció (NPP, Net Primary Production) fitomassza, produkció (gm-2), produktivitás (gm-2év-1) NPP=GPP-Rautotróf, (~0.5*GPP) (degree days, T=summa(Tnapi közép-Tbase) és NPP=dB+L+A (dB: tömeggyarapodás, L: legelés, A: avar) (NEP: nettó ökoszisztéma produkció) NEP=NPP-Rheterotróf- egyéb C-veszteségek (kimosódás, metán emisszió, diszturbancia) (éves időskálák, vegetációs periódus hossza fontos)

6 Land sink… Nettó Primer Produkció : NPP=GPP- Rautotróf (R: légzés) Nettó Ökoszisztéma Produkció : NEP=NPP-Rheterotróf Nettó Biom Produkció (NBP, ~ az ökoszisztémában maradó szén) NBP=NEP-D D:zavarás (disturbance), → tüzek(↑), betakarítás(↑), trágyázás(↓) Net Ecosystem Exchange (nettó ökoszizstéma gázcsere) : NEE=-NEP Gross Primary Production (bruttó primer produkció) : GPP=-NEE+Recosystem Az NEE mérhető közvetlenül

7 A megkötött szervesanyag sorsa a C-tárolás (klímavédelem) szempontjából
GPP vs légzési komponensek (tápláléklánc) és zavarás NEP: nettó ökoszisztéma produkció NBP: nettó biom produkció (regionális skála) tér és időskála (levél, növényi állomány, ökoszisztéma

8 környezetük (abiotikus, levegő, víz, talaj, sugárzó energia)
Ökoszisztémák élőlények (biotikus) környezetük (abiotikus, levegő, víz, talaj, sugárzó energia) NPP, GPP, Ra, Rh biomassza, élő és holt fitomassza NPP=GPP-Ra ,NEP=NPP-Rh NBP=NEP-Fzavarás Autotróf légzés herbivorok szaprofiták légzése Fzavarás →zavarásból eredő (C-)veszteségek NPP NEP GPP NBP NEP, nettó ökoszisztéma produkció NBP, nettó biom produkció 100 J 1-10 J

9

10 A föld alatti, föld feletti biomassza és a talaj széntartalma

11 Biomassza piramis terresztris pelagikus reprodukciós ciklus hosszú rövid Energia piramis

12 Produkciós hatékonyság
Primer produkció: fotoszintetikus produkció energiatartalma/ abszorbeált PAR mennyisége Trópusi esőerdők: 2% Mérsékelt öv: 1% alatt Szekunder produkció: szekunder produkció energiatatartalma/ felvett táplálék energiatartalma A fogyasztási hatékonyságot az asszimilációs hatékonysággal (a véráramba jutó és a felvett energia hányadosa), majd az eredményt a produkciós hatékonysággal (az asszimilált és a produkcióra fordított energia hányadosa) szorozva kapjuk meg az adott szint trofikus (táplálkozási) szint hatékonyságát. Etroph=Efogyasztási * Easszimilációs*Eprodukciós Biomassza piramis Szárazföldi tengeri Produkciós hatékonyság (az asszimiláció %-a) Homeoterm állatok madarak 1.3 kisemlősök 1.5 nagytestű emlősök 3.1 Poikiloterm állatok halak és államalkotó rovarok 9.8 nem államalkotó rovarok 40.7 herbivorok 38.8 karnivorok 55.6 detritusz-fogyasztó rovarok 47.0 egyéb (nem rovar) gerinctelenek 25 20.9 27.6 detritusz-fogyasztó gerinctelenek 36.2 Gerincteleneknél a kisebb respirációs veszteség miatt nagyobb a hatékonyság

13 C-mérleg Amiért érdekes
Az emissziók hozzávetőlegesen 40%-át veszi fel a terresztris vegetáció - Az öreg erdők nagy jelenleg is mennyiségben veszik fel a szenet (vö, a klimax társulás produktivitása koncepció). - Megőrzésük ezért a klímavédelem szempontjából fontos feladat. Az új telepítésű erdők: a telepítést követően legalább 10 év szükséges ahhoz hogy forrásból nyelővé váljanak. A megkötött C 30%-a éves kicserélődési idejű szénformákhoz kötve a talajban marad Large sinks credits have been given to specific countries and will be traded.... Kyoto

14 Mit mérünk? Levél szint µmolCO2.m-2(levél)s-1 Állomány-szint
µmolCO2.m-2(földfelszín)s-nap, év - NEE=NPP-RH - NPP=BPP-RA Növényi légzés és heterotróf légzés (RA,RH) Nettó Primer Produkció (NPP) Bruttó Primer Produkció (BPP) Nettó Ökoszisztéma Gázcsere,→Net Ecosystem Exchange (NEE, „nyelő” és „forrás”)

15 kovarianciája (molm-2.s-1), 10Hz
Örvény kovariancia vagy eddy kovariancia A CO2-koncentráció (molm-3) és a szél (↑↓, ms-1) kovarianciája (molm-2.s-1), 10Hz ~ a mérés síkja nettó ökoszisztéma CO2 gázcserét (NEE) (félórás átlagok → napi → és éves összegek) mérjük. Ez a terület CO2 forrás↑(pozitív előjelű), vagy nyelő↓ (negatív előjelű) aktivitását adja: szén(dioxid)mennyiség/(földterület.időegység) gCO2m-2év-1 , gCm-2év-1

16 szén(dioxid)mennyiség/(földterület.időegység)
Eddy kovariancia Légörvények vertikális szélsebesség (↓↑) és CO2 koncentráció Az nettó ökoszisztéma CO2 gázcserét (NEE) (félórás átlagok → napi → és éves összegek) mérjük. Ez a terület CO2 forrás↑(pozitív előjelű), vagy nyelő↓ (negatív előjelű) aktivitását adja meg: szén(dioxid)mennyiség/(földterület.időegység) gCO2m-2év-1 , gCm-2év-1

17 concentration * speed→ flux
mol.m-3 * m.s-1 →mol.m-2.s-1 concentration * speed→ flux By definition: downward fluxes are negative, upward fluxes are positive

18 Az NEE szezonális és napi dinamikája

19

20 NDVI=(NIR-VIS)/(NIR+VIS)
NDVI: normalised difference vegetation index NIR: közeli infravörös energiája (a zöld levelek reflexiója itt nagy) VIS: látható fény energiája (ebben a tartományban →klorofill, a fény abszorpciója)

21 Minél nagyobb az NDVI értéke, annál nagyobb az adott terület produktivitása

22 Nettó primer produkció
(g/m2/év) vegetációs periódus hossza évi középhőmérséklet (hőösszeg), csapadékösszeg A vegetációs periódusra integrált NDVI..

23 Biom típus/NPP, biomassza
(Whittaker 1973) Terület 106km2 NPP gm-2év-1 Összes NPP 1015 t.év-1 Átlagos BM.tömeg kg.m-2 Trópusi esőerdő 17 2000 34 44 Trópusi lombhullató erdő 7.5 1500 11.3 36 Mérsékelt övi esőerdő 5 1300 6.4 Mérsékelt övi lombhullató erdő 7 (10.4) 1200 8.4 30 Boreális erdők 12 (13.4) 800 9.5 20 Szavannák 15 700 10.4 4 Mezőgazdasági területek 14 644 9.1 1.1 Cserjés területek (macchia) 8 600 4.9 6.8 Mérsékeltövi gyepek 9 500 4.4 1.6 Tundra 144 0.67 Száraz bozótosok 18 71 1.3 Szikla, jég és homok (sivatagok) 24 3.3 0.09 0.02 Láp és mocsár 2 2500 Tavak és folyók 2.5 Szárazföldi +Édesvízi 149 720 107.09 12.3

24 A trópusi esőerdők NPP-jéhez fogható a lápok, mocsarak, korallzátonyok és „alga-ágyak” (kontinentális selfek) NPP-je. A trópusi esőerdők a Föld felszínének 4%-át foglalják el, biomasszájuk (és produktivitásuk) viszont ¼-e az összes biomasszának. kicserélődési idők (avarbomlás) néhány (~10) hét (trópusi erdő) – néhány év (mérsékelt övi tűlevelű növényállományok)

25 A nyílt óceánok területi aránya (71%) az alacsony produktivitás ellenére az esőerdőkéhez hasonló összes NPP-t ad.

26 Skálák (nap, év) Közvetlen fluxus-mérés (eddy-módszer) Aerodinamikus v. grádiens m. kiegészített Bowen-arány m. GPP Reco NEE

27 Dekompozíció Jelentősége: az elhalt biomassza lebontása, a tápanyagok újra felvehetővé tétele a növények számára Reszorpció: avarhullás előtt a növény a tápanyagok jelentős részét a levélből máshová transzportálja Mitől függ? – klíma (hőmérséklet, víztartalom), input mennyisége, minősége, talajtulajdonságok – esőerdők, humuszképződés - talajtermékenység SOM (soil organic matter): A bomlási folyamatok során a már nem felismerhető darabokat tartalmazó frakciót nevezzük a talaj szervesanyagának Elfolyás révén sok tápanyag távozhat az ökoszisztémából Fragmentáció: darabolás – talajfauna nagy szerepe Fő lebontó szervezetek: gombák és baktériumok (80-90%-ban felelősek a lebontásért, gyökérkapcsolt és nem gyökérkapcsolt organizmusok) – nem egyenletes eloszlás a talajban

28 Dekompozíció, a szerves anyag lebomlása
(lebontók -- a felvett energia (GPP) legnagyobb része áthalad) NPP Avarképződés és dB L A bomlás (exponenciális) At=A0e-kt At,0: az avar tömege a t-ik és a 0-ik időpillanatban e: a természetes logaritmus alapszáma k: a bomlási ráta (1/év) 1/k: átlagos tartózkodási idő k= éves avarmennyiség/a talajon lévő avarmennyiség k=0.1 → mérsékeltövi fenyvesek..... k=4→trópusi erdő) „Priming” : a bomlás sebessége a rizoszférában gyorsabb, mint az egyéb talajrétegekben oka: a lebontó mikroorganizmusok a gyökerektől „kapott” cukrot közvetlenül használják az egyéb (időseb) szervesanyagok bontásához. bomlási ráta (k) kezdeti lignin:nitrogén (C:N) arány

29