Περιβαλλοντικά Συστήματα Ενότητα 8: Οικοσυστήματα (II)

Transcript

1 Περιβαλλοντικά Συστήματα Ενότητα 8: Οικοσυστήματα (II) Χαραλαμπίδης Γεώργιος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα του ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας και της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Μετά την ολοκλήρωση αυτής της ενότητας ο φοιτητής πρέπει να είναι σε θέση να: Γνωρίζει τι είναι ευτροφισμός, τα αίτια και τους μηχανισμούς σχηματισμού, καθώς και τις επιπτώσεις του στα φυσικά ύδατα. Κατανοεί και ερμηνεύει τους κύκλους του θείου και του νερού στη φύση και τις επιδράσεις τους στους έμβιους οργανισμούς. Γνωρίζει τη σημασία και τους μηχανισμούς σχηματισμού του εδάφους. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Ο κύκλος του αζώτου. Ευτροφισμός. Ο κύκλος του θείου. Ο κύκλος του νερού. Η ροή της ενέργειας. Το έδαφος και η σημασία του. 5

6 Ο κύκλος του αζώτου (1/6) Το άζωτο αποτελεί συστατικό πολλών βιομορίων όπως των νουκλεϊνικών οξέων και των πρωτεϊνών. Αν και το άζωτο αφθονεί στην ατμόσφαιρα, δεν μπορεί να αξιοποιηθεί από τους παραγωγούς στη μορφή με την οποία βρίσκεται σ' αυτή (μοριακό άζωτο). 6

7 Ο κύκλος του αζώτου (2/6) Για το λόγο αυτό η εισαγωγή του ατμοσφαιρικού αζώτου στις τροφικές αλυσίδες των οικοσυστημάτων γίνεται με τη διαδικασία της αζωτοδέσμευσης, η οποία μετατρέπει το ατμοσφαιρικό άζωτο σε μορφές αξιοποιήσιμες από τους παραγωγούς. 7

8 Ο κύκλος του αζώτου (3/6) Το άζωτο αποτελεί πολύτιμο συστατικό πολλών αμινοξέων. 8

9 Ο κύκλος του αζώτου (4/6) Η αζωτοδέσμευση διακρίνεται σε ατμοσφαιρική και βιολογική. Κατά την ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση το άζωτο της ατμόσφαιρας αντιδρά είτε με τους υδρατμούς, σχηματίζοντας αμμωνία, είτε με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα. Η απαραίτητη ενέργεια προσφέρεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις (αστραπές, κεραυνοί). 9

10 Ο κύκλος του αζώτου (5/6) Η αμμωνία και τα νιτρικά ιόντα μεταφέρονται με τη βροχή στο έδαφος. Η ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση αντιπροσωπεύει το 10% της συνολικής αζωτοδέσμευσης. 10

11 Ο κύκλος του αζώτου (6/6) Εικόνα ο κύκλος του αζώτου, Σελ. 12 (Ανακτήθηκε 10 Νοεμβρίου, 2014). 11

12 Ευτροφισμός (1/4) Η εντατική χρήση λιπασμάτων προκαλεί το πρόβλημα που είναι γνωστό ως ευτροφισμός. Υπολογίζεται ότι μόνο το ένα τρίτο της παγκόσμια χρησιμοποιούμενης ποσότητας λιπασμάτων δεσμεύεται από τα φυτά. 12

13 Ευτροφισμός (2/4) Το υπόλοιπο παρασύρεται από τη βροχή, ή αποστραγγίζεται σε υπόγειες δεξαμενές νερού, και τελικά καταλήγει σε λίμνες, ποτάμια, ή θάλασσες, προκαλώντας μεγάλη αύξηση της υδρόβιας βλάστησης, ιδιαίτερα του φυτοπλαγκτού. 13

14 Ευτροφισμός (3/4) Με το φυτοπλαγκτόν αυξάνεται και το ζωοπλαγκτόν, το οποίο εξαρτάται τροφικά από αυτό. Παράλληλα, με το θάνατο όλων αυτών των οργανισμών και την αποσύνθεση της νεκρής οργανικής ύλης αυξάνεται η δραστηριότητα των αποικοδομητών. 14

15 Ευτροφισμός (4/4) Όλα αυτά τα γεγονότα έχουν ως συνέπεια την αύξηση κατανάλωσης του οξυγόνου με ρυθμό μεγαλύτερο από την παραγωγή του. Έτσι η ποσότητα του οξυγόνου που βρίσκεται διαλυμένη στο νερό γίνεται ολοένα μικρότερη, με αποτέλεσμα ανώτεροι οργανισμοί του οικοσυστήματος, όπως τα ψάρια, να πεθαίνουν από ασφυξία. 15

16 Ο κύκλος του θείου (1/6) Η κυκλοφορία του θείου διαμέσου της τροφικής αλυσίδας είναι σχετικά απλή. Οι απεκκρίσεις των οργανισμών, καθώς και οι νεκροί οργανικοί ιστοί περιέχουν θείο, το οποίο απελευθερώνεται από τους αποικοδομητές με τη μορφή υδρόθειου (H 2 S). 16

17 Ο κύκλος του θείου (2/6) Στη συνέχεια, εξειδικευμένα βακτήρια μετατρέπουν το υδρόθειο σε θειικά ιόντα τα οποία μπορούν να προσλάβουν εκ νέου τα φυτά και να τα ενσωματώσουν στα αμινοξέα και τις πρωτεΐνες. 17

18 Ο κύκλος του θείου (3/6) Εξίσωση μετατροπής του υδρόθειου 18

19 Ο κύκλος του θείου (4/6) Οι εκρήξεις ηφαιστείων, αλλά και η καύση ορυκτών καυσίμων, απελευθερώνουν θείο στην ατμόσφαιρα, συνήθως με τη μορφή υδρόθειου, το οποίο αρχικά μετατρέπεται σε διοξείδιο του θείου και στη συνέχεια σε θειικό οξύ. 19

20 Ο κύκλος του θείου (5/6) Το θειικό οξύ καταλήγει στην επιφάνεια της γης με τις βροχοπτώσεις, όπου ασκεί ιδιαίτερα τοξική επίδραση στα φυτά. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως όξινη βροχή και έχει προκαλέσει μεγάλες καταστροφές δασών σε πολλές περιοχές του πλανήτη. 20

21 Ο κύκλος του θείου (6/6) Εικόνα ο κύκλος του θείου, Σελ. 15 (Ανακτήθηκε 10 Νοεμβρίου, 2014). 21

22 Ο κύκλος του νερού (1/8) Το νερό καλύπτει το μεγαλύτερο τμήμα της Γης, οριοθετεί τα υδάτινα οικοσυστήματα και καθορίζει τις ιδιότητές τους. Είναι το μέσο με το οποίο τα θρεπτικά συστατικά εισέρχονται και κυκλοφορούν στο εσωτερικό των αυτότροφων οργανισμών. 22

23 Ο κύκλος του νερού (2/8) Το νερό αποτελεί σημαντικό τμήμα των ζωντανών ιστών (το 75% του νωπού βάρους τους) και συμβάλλει στη θερμορύθμιση τόσο των φυτικών όσο και των ζωικών οργανισμών. Χρησιμοποιείται επίσης στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. 23

24 Ο κύκλος του νερού (3/8) Αν και η ποσότητα του νερού που υπάρχει στην ατμόσφαιρα δεν είναι μεγάλη, εντούτοις, χάρη στην κινητικότητά του, είναι διαθέσιμο στα οικοσυστήματα και στους οργανισμούς. Εκτιμάται ότι η συχνότητα ανακύκλωσης του νερού είναι 30 φορές ανά έτος. 24

25 Ο κύκλος του νερού (4/8) Η κυκλοφορία του νερού στηρίζεται κυρίως στην εξάτμιση, στη διαπνοή των φυτών και στις κατακρημνίσεις. Με την εξάτμιση το νερό απομακρύνεται με τη μορφή υδρατμών από οποιαδήποτε επιφάνεια. 25

26 Ο κύκλος του νερού (5/8) Η εξάτμιση του νερού από την επιφάνεια των φύλλων ονομάζεται επιδερμική εξάτμιση και διακρίνεται από τη διαπνοή, που είναι η απομάκρυνση του νερού μέσω των στομάτων, των πόρων δηλαδή της επιδερμίδας των φύλλων. 26

27 Ο κύκλος του νερού (6/8) Το νερό του εδάφους, που είναι πλούσιο σε θρεπτικά στοιχεία, απορροφάται από τις ρίζες των φυτών και κυκλοφορεί στο εσωτερικό τους. 27

28 Ο κύκλος του νερού (7/8) Φθάνοντας στα φύλλα απομακρύνεται με τη διαπνοή από τα στόματά τους, μέσω των οποίων γίνεται επίσης η ανταλλαγή των αερίων μεταξύ των φυτών και της ατμόσφαιρας (είσοδος διοξειδίου του άνθρακα και αποβολή οξυγόνου κατά τη φωτοσύνθεση, αντίστροφα κατά την αναπνοή). 28

29 Ο κύκλος του νερού (8/8) Εικόνα ο κύκλος του νερού, Σελ. 17 (Ανακτήθηκε 10 Νοεμβρίου, 2014). 29

30 Η ροή της ενέργειας (1/6) Οι ζωντανοί οργανισμοί λαμβάνουν με τη τροφή τους όχι μόνο θρεπτικά συστατικά, αλλά και την ενέργεια που τους είναι απαραίτητη για να επιβιώσουν. Η ενέργεια, με τη μορφή της χημικής ενέργειας, περνάει, όπως και τα θρεπτικά στοιχεία, από τους παραγωγούς στους καταναλωτές και στους αποικοδομητές. 30

31 Η ροή της ενέργειας (2/6) Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα ενός τροφικού πλέγματος, το σύνολο των οργανισμών που βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο κατανάλωσης τροφής ανήκουν στο ίδιο τροφικό επίπεδο. 31

32 Η ροή της ενέργειας (3/6) όλα τα φυτά ανήκουν στο τροφικό επίπεδο των παραγωγών, τα φυτοφάγα ζώα είναι καταναλωτές πρώτης τάξης, τα σαρκοφάγα που τρέφονται από τα φυτοφάγα ανήκουν στο τροφικό επίπεδο των καταναλωτών δεύτερης τάξης κ.ο.κ. 32

33 Η ροή της ενέργειας (4/6) Σε αντίθεση όμως με τα θρεπτικά στοιχεία, η ενέργεια δεν ανακυκλώνεται. Αντίθετα, έχει υπολογιστεί ότι μόνο το 10% κατά μέσο όρο της ενέργειας ενός τροφικού επιπέδου περνάει στο επόμενο. Αυτό οφείλεται. 33

34 Η ροή της ενέργειας (5/6) Στο ότι ένα μέρος της χημικής ενέργειας μετατρέπεται με την κυτταρική αναπνοή σε μη αξιοποιήσιμες (από τους ζωντανούς οργανισμούς) μορφές ενέργειας (πχ. θερμότητα). 34

35 Η ροή της ενέργειας (6/6) Δεν είναι όλα τα τμήματα του σώματος ενός οργανισμού αφομοιώσιμα από τους καταναλωτές του (για παράδειγμα ο άνθρωπος δεν αφομοιώνει την κυτταρίνη των φυτών). Ένα μέρος της οργανικής ύλης αποβάλλεται με τις διάφορες εκκρίσεις των οργανισμών. 35

36 Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα 1/6 Εικόνα Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα, Σελ. 18 (Ανακτήθηκε 10 Νοεμβρίου, 2014). 36

37 Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα 2/6 Καθημερινά ο πλανήτης μας «βομβαρδίζεται» με 1022 Joules ηλιακής ενέργειας, τα οποία ισοδυναμούν με την ενέργεια που περικλείεται σε ατομικές βόμβες όμοιες με αυτήν που έπεσε στη Χιροσίμα. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας απορροφάται, ανακλάται ή σκεδάζεται από την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια του πλανήτη. 37

38 Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα 3/6 Ένα μικρό μόνο μέρος, που δεν ξεπερνά το 1% κατά μέσο όρο, δεσμεύεται από τους παραγωγούς προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στη φωτοσύνθεση. Αυτό όμως το μικρό ποσοστό επαρκεί για την παραγωγή 170 περίπου δισεκατομμυρίων τόνων οργανικής ύλης παγκοσμίως. 38

39 Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα 4/6 Καθώς η ενέργεια που είναι διαθέσιμη σε κάθε τροφικό επίπεδο μειώνεται καθώς ανεβαίνουμε τις βαθμίδες των καταναλωτών, μειώνονται (σε συνολική βιομάζα) και οι οργανισμοί που βρίσκονται στα ανώτερα τροφικά επίπεδα. 39

40 Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα 5/6 Έτσι εάν θέλουμε να απεικονίσουμε την ενέργεια ή την βιομάζα που περικλείεται στα διάφορα τροφικά επίπεδα ενός οικοσυστήματος, τότε προκύπτουν τροφικές πυραμίδες όπως η ακόλουθη. 40

41 Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα 6/6 Εικόνα Ροή και απώλειες ενέργειας σε μία τροφική αλυσίδα, Σελ 19 (Ανακτήθηκε 10 Νοεμβρίου, 2014). 41

42 Το έδαφος και η σημασία του (1/12) Το έδαφος είναι η περιοχή εισόδου των περισσότερων θρεπτικών στοιχείων (εκτός από τον άνθρακα) στη τροφική αλυσίδα. Οι ρίζες των φυτών απορροφούν από το έδαφος νερό και θρεπτικά στοιχεία όπως άζωτο και φώσφορο. 42

43 Το έδαφος και η σημασία του (2/12) Χαρακτηριστικό γνώρισμα του εδάφους είναι η μηχανική του σύσταση. Με τον όρο αυτό ορίζεται η εκατοστιαία αναλογία του εδάφους σε άμμο, πηλό και άργιλο, τα σωματίδια δηλαδή που το αποτελούν, εάν αφαιρέσουμε το οργανικό υλικό και το νερό. 43

44 Το έδαφος και η σημασία του (3/12) Η διάκριση των εδαφικών σωματιδίων στις τρεις αυτές κατηγορίες γίνεται με βάση τη διάμετρό τους. Σωματίδια με διάμετρο μικρότερη των mm χαρακτηρίζονται ως άργιλος, μεταξύ mm και 0.05 mm ως πηλός και πάνω από 0.05 mm ως άμμος. 44

45 Το έδαφος και η σημασία του (4/12) Η αναλογία άμμου, πηλού και αργίλου στο έδαφος προσδιορίζει τις φυσικές του ιδιότητες, οι οποίες έχουν μεγάλη σημασία για τη βλάστηση. 45

46 Το έδαφος και η σημασία του (5/12) Από αυτές, περισσότερο σημαντικές είναι το πορώδες (ο χώρος που δεν καταλαμβάνεται από εδαφικά σωματίδια), και η διαπερατότητα (η ευκολία που το νερό, ο αέρας και οι ρίζες των φυτών μπορούν να διεισδύσουν μέσα στο έδαφος). 46

47 Το έδαφος και η σημασία του (6/12) Το νερό για παράδειγμα, κινείται με μεγάλη ευκολία στα αμμώδη εδάφη, όχι όμως και στα αργιλώδη. 47

48 Το έδαφος και η σημασία του (7/12) Έτσι, εδάφη πλούσια σε άμμο έχουν ικανοποιητική διαπερατότητα, καλό αερισμό και στηρικτική ικανότητα, ενώ εδάφη με μεγάλη αναλογία αργίλου είναι πλούσια σε θρεπτικά στοιχεία και με ικανοποιητική συγκράτηση νερού. Ο πηλός έχει ιδιότητες παρόμοιες με αυτές της αργίλου. 48

49 Το έδαφος και η σημασία του (8/12) Εικόνα Το έδαφος και η σημασία του, Σελ. 26 (Ανακτήθηκε 10 Νεμβρίου, 2014). 49

50 Το έδαφος και η σημασία του (9/12) Το νερό για παράδειγμα, κινείται με μεγάλη ευκολία στα αμμώδη εδάφη, όχι όμως και στα αργιλώδη. Έτσι, εδάφη πλούσια σε άμμο έχουν ικανοποιητική διαπερατότητα, καλό αερισμό και στηρικτική ικανότητα, ενώ εδάφη με μεγάλη αναλογία αργίλου είναι πλούσια σε θρεπτικά στοιχεία και με ικανοποιητική συγκράτηση νερού. 50

51 Το έδαφος και η σημασία του (10/12) Ο πηλός έχει ιδιότητες παρόμοιες με αυτές της αργίλου. 51

52 Το έδαφος και η σημασία του (11/12) Μία ακόμη χαρακτηριστική ιδιότητα των εδαφών είναι το ph. Οι τιμές του ph θεωρητικά κυμαίνονται μεταξύ 0 και 14, αλλά στη πλειονότητα των εδαφικών τύπων βρίσκεται μεταξύ 4 και 8. 52

53 Το έδαφος και η σημασία του (12/12) Τιμές μεταξύ 6.5 και 7.5 εξασφαλίζουν την μεγαλύτερη διαθεσιμότητα στοιχείων για τα φυτά. Ανάλογα με τις διαβαθμίσεις του ph στα εδάφη, αναπτύσσονται αντίστοιχες κατηγορίες φυτών. Τα κωνοφόρα είδη για παράδειγμα αναπτύσσονται σε όξινα εδάφη. 53

54 Βιβλιογραφία 1. Οικοσυστήματα. 54

55 Τέλος Ενότητας