Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος Κατεύθυνση Τεχνολογιών Φυσικού Περιβάλλοντος ΜΑΘΗΜΑ: Γενική Οικολογία 6 η Ενότητα Βασικές διαδικασίες πρωτογενούς παραγωγικότητας Εισηγητής: Δρ. Γιώργος Καρρής (Καθηγητής Εφαρμογών) Το περιεχόμενο του μαθήματος διατίθεται με άδεια Creative Commons εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά 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.
Βασικές διαδικασίες της πρωτογενούς παραγωγικότητας Η καθαρή πρωτογενής παραγωγικότητα καθορίζεται από τους σχετικούς ρυθμούς της φωτοσύνθεσης (παραγωγή υδατανθράκων) και της αναπνοής (κατανάλωση υδατανθράκων για κάλυψη ενεργειακών αναγκών) 6CO2 + 6H2O φωτοσύνθεση (απορρόφηση ηλ. ενέργειας) κυτταρική αναπνοή C6H12O6 + 6O2 Σημειώσεις: 1. Εκτιμάται ότι το 1-5% της συνολικής προσπίπτουσας ακτινοβολίας στα φυτά απορροφάται και χρησιμοποιείται για την παραγωγή τροφής (C6H12O6) 2. Τα παραγόμενα σάκχαρα μπορεί είτε να αποθηκευτούν (π.χ. άμυλο), είτε να συνδυαστούν με άλλα μόρια σακχάρων και να σχηματίσουν δομικά μόρια (π.χ. κυτταρίνη), είτε να συνδυαστούν με άλλες ενώσεις και θρεπτικά συστατικά για το σχηματισμό πρωτεϊνών, χρωστικών και ορμονών 3. Συνήθως η φωτοσύνθεση ως διαδικασία είναι ταχύτερη από την αναπνοή έως και 30 φορές 4. Το ποσοστό των υδατανθράκων που καταναλώνονται για την κάλυψη των αναπνευστικών αναγκών των φυτών κυμαίνεται από 10%-75%, και εξαρτάται κυρίως από το είδος και την ηλικία των φυτών
Παράγοντες που ελέγχουν το ρυθμό της φωτοσύνθεσης Η φωτοσύνθεση τόσο ως προς την ταχύτητα της όσο και ως προς την απόδοση της εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: Ποιότητα-μήκος κύματος (αφού η χλωροφύλλη συνήθως απορροφάει στο κόκκινο και το μπλε) και ένταση του φωτός Σχετική συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα και στο εσωτερικό των φυτών, και άνοιγμα των στομάτων των φύλλων από όπου διέρχεται παθητικά Επάρκεια νερού που επηρεάζει τη λειτουργία των στομάτων Επάρκεια θρεπτικών που απαιτούνται για την παρασκευή της χλωροφύλλης και των ενζύμων (και κατ επέκταση ιχνοστοιχείων και μικροθρεπτικών) που παίρνουν μέρος στη φωτοσύνθεση Θερμοκρασία περιβάλλοντος που επηρεάζει άμεσα (μέσω της μη λειτουργίας των ενζύμων αλλά και έμμεσα μέσω της δυσλειτουργίας στα στόματα των φύλλων
Η επίδραση της δομής και της σύνθεσης της κοινότητας στην πρωτογενή παραγωγικότητα Ανάμεσα στα οικοσυστήματα παρουσιάζονται έντονες διαφοροποιήσεις ως προς τα επίπεδα της πρωτογενούς παραγωγικότητας, ως αποτέλεσμα της διαφοράς στη σύνθεση και στη δομή της φυτοκοινωνίας : Είδος και ηλικία φυτών: Στα φυτά η παραγωγικότητα μεταβάλλεται με την ηλικία, τα οποία συνήθως σε νεαρή ηλικία παρουσιάζουν μέγιστη παραγωγικότητα προσδίδοντας ανταγωνιστικό πλεονέκτημα (π.χ. το κριθάρι το οποίο μετατρέπει σε υδατάνθρακες περίπου το 14% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας). Με την αύξηση του μεγέθους του φυτού, τα ποσά ενέργειας που απαιτούνται για τη συντήρηση του μεγαλώνουν. Επίπεδα σκίασης: Το γεωμετρικό σχήμα των φυτών και των δέντρων καθώς και η φυτοκάλυψη επηρεάζουν σημαντικά την αποδοτικότητα του οικοσυστήματος. Τα πιο αποδοτικά καλλιεργούμενα φυτά είναι το καλαμπόκι και το ζαχαροκάλαμο που έχουν σχετικά πλατιά και όρθια φύλλα ώστε να συνδυάζουν τη μέγιστη έκθεση φωτοσυνθετικής επιφάνειας με την ελάχιστη αμοιβαία σκίαση. Επίσης στον υποόροφο των δασικών οικοσυστημάτων το σχήμα των δέντρων, το ύψος τους καθώς επίσης και η αντανακλαστικότητα του φυλλώματος τους παίζει σημαντικό ρόλο στο ποσό της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας για φωτοσύνθεση και άρα για πρωτογενή παραγωγικότητα
Η επίδραση της ηλικίας των φυτών στην πρωτογενή παραγωγικότητα 100 Μ.Π.Π. % Μέγιστη μικτή φωτοσύνθεση 50 Κ.Π.Π. Ηλικία του φυτού Σχήμα. Γενικές μεταβολές στο μόρφωμα της παραγωγικότητας ενός φυτού με την αύξηση της ηλικίας τους Μ.Π.Π.: Μικτή Πρωτογενής Παραγωγικότητα Κ.Π.Π.: Καθαρή Πρωτογενής Παραγωγικότητα
Καλαμπόκι Ζαχαροκάλαμο
Μέθοδοι μέτρησης της πρωτογενούς παραγωγικότητας Η πρωτογενής παραγωγικότητα είναι μια διαδικασία με μεγάλη οικολογική αλλά και οικονομική σημασία. Η μέτρηση της στα διάφορα οικοσυστήματα βασίζεται σε μεγέθη όπως είναι το ποσό της παραγόμενης ύλης, το ποσό της πρώτης ύλης που καταναλώνεται ή το ποσό των παραπροϊόντων που απελευθερώνονται. Οι κυριότερες μέθοδοι μέτρηση είναι οι εξής: Η μέθοδος του θερισμού (εφαρμόζεται κυρίως στα χερσαία οικοσυστήματα και εκφράζεται ως ξηρό βάρος ή θερμιδική αξία ανά μονάδα επιφάνειας και ανά μονάδα χρόνου) Η μέθοδος του οξυγόνου (μέθοδος της διαφανούς και σκουρόχρωμης φιάλης, η οποία εφαρμόζεται κυρίως στα υδάτινα οικοσυστήματα και εφαρμόζεται κυρίως για τους μικρούς σε μέγεθος παραγωγούς) Οι μέθοδοι του διοξειδίου του άνθρακα (εφαρμόζονται οι μέθοδοι του εγκλεισμού, και η μέθοδος μέτρησης με αισθητήρες ανίχνευσης CO2) Η μέθοδος της οξύτητας (αξιοποίηση της σχέσης ανάμεσα στην οξύτητα του νερού και στο διαλυμένο οξυγόνο) Ρυθμός εξάντλησης των πρώτων υλών (με βάση το ρυθμό κατανάλωσης των πρώτων υλών όπως τα νιτρικά και τα φωσφορικά) Μέθοδος των ραδιενεργών ανιχνευτών (π.χ. xρήση 14 C) Η μέθοδος της χλωροφύλλης (αξιοποίηση του λόγου αφομοίωσης, συγκέντρωσης χλωροφύλλης και ποσού ηλιακής ενέργειας για υπολογισμό Μ.Π.Π.)
Η πρωτογενής παραγωγικότητα στα φυσικά οικοσυστήματα Η έρευνα έχει δείξει ότι υπάρχουν μεγάλες αποκλίσεις της παραγωγικότητας και στο χώρο και στο χρόνο, οι οποίες οφείλονται στους εξής παράγοντες: Ένταση και διάρκεια της ηλιακής ακτινοβολίας (οι μέγιστες ετήσιες εισροές ηλιακής ενέργειας παρουσιάζονται στους τροπικούς και οι ελάχιστες στους πόλους) Περιβαλλοντικοί περιορισμοί (ρυθμιστικοί παράγοντες των επιπέδων παραγωγικότητας είναι η έλλειψη νερού, οι χαμηλές θερμοκρασίες και η ανεπάρκεια θρεπτικών) Σύνθεση και δομή της βιοκοινότητας (παράγοντες όπως η παρουσία ορισμένων ειδών, το σχήμα των φυτών ή απόσταση μεταξύ τους επηρεάζουν ιδιαίτερα την πρωτογενής παραγωγικότητα)
Εκτιμήσεις παραγωγικότητας στα φυσικά οικοσυστήματα Οι εκτιμήσεις της παραγωγικότητας, σε τιμές μικτής πρωτογενούς παραγωγικότητας σε g/m 2 /ημέρα ξηρής οργανικής ύλης σε ετήσιο κύκλο, στα φυσικά οικοσυστήματα, έδειξε ότι αυτά μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες (Οdum 1971): Σχετικά μη παραγωγικά (άγονα) οικοσυστήματα (όπως τμήματα ανοιχτής θάλασσας και έρημοι με παραγωγικότητα <0,1 g/m 2 /ημέρα) Μετρίως παραγωγικά οικοσυστήματα (όπως ημιερημικές λιβαδικές εκτάσεις, θαλάσσιες ακτές, ρηχές λίμνες, και ξηρά δάση με παραγωγικότητα 1-10 g/m 2 /ημέρα) Πολύ παραγωγικά οικοσυστήματα (όπως εκβολές των ποταμών, τα κοραλλιογενή συστήματα, τα υγρά δάση, τις προσχωσιγενείς πεδιάδες, και τις εντατικά καλλιεργούμενες αγροτικές περιοχές με παραγωγικότητα >20 g/m 2 /ημέρα)
Παραγωγικότητα Οικοσυστημάτων
Παγκόσμια κατανομή των κοραλλιογενών υφάλων
Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων διαθέσιμο με άδεια CC-BY διαθέσιμο με άδεια CC-BY-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-ND διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-ND διαθέσιμο με άδεια CC0 Public Domain διαθέσιμο ως κοινό κτήμα Δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, παρά μόνο εάν ζητηθεί εκ νέου άδεια από το δημιουργό. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου και η δημιουργία παραγώγων αυτού με απλή αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού, και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η δημιουργία παραγώγων του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου και η δημιουργία παραγώγων του. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. χωρίς σήμανση Συνήθως δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου.
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την 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.