Διαχείριση Φυσικών Πόρων και Οικοσυστημάτων ΙI Διάλεξη 1: Εισαγωγή Μαθήματος Διεργασίες Οικοσυστημάτων Αν. Καθηγητής ΔΠΘ Γεώργιος Συλαίος Σάββατο 18 Φεβρουαρίου 13:00-16:00 Τηλέφωνο 25410 79398, Mail: gsylaios@env.duth.gr ή skype: gsylaios
Διεργασίες Οικοσυστημάτων Οι κύριες οικολογικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στα φυσικά οικοσυστήματα είναι τέσσερις: Α) Ο υδρολογικός κύκλος Β) Η βιογεωχημική ανακύκλωση Γ) Η ροή ενέργειας Δ) Η δυναμική πληθυσμών
O Υδρολογικός Κύκλος
Παγκόσμια Κατανομή Νερού
Εισροή νερού ΑΡΔΕΥΣΗ ΕΞΑΤΜΙΣΗ + ΔΙΑΠΝΟΗ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΑΠΟΡΡΟΗ ΚΑΤΕΙΣΔΥΣΗ ΑΝΥΨΩΣΗ ΥΔΡΟΦΟΡΟΥ
Βροχόπτωση Οι υδρατμοί είτε παγώνουν είτε συμπυκνώνονται γύρω από πυρήνες (σωματίδια σκόνης, στάχτης ή άλατος, nuclei) οπότε λόγω βαρύτητας πέφτουν στην επιφάνεια της Γης βροχή, χαλάζι, χιόνι Βασική διεργασία αλλαγής φάσης των υδρατμών και επαναφοράς τους στην επιφάνεια της Γης.
Παγκόσμια Κατανομή Βροχόπτωσης
Μέτρηση Βροχόπτωσης Στατικό Βροχόμετρο Κυλινδρικό δοχείο που συλλέγει στο νερό της βροχής και μετρά το ύψος του
Μέτρηση Βροχόπτωσης Κινούμενο Βροχόμετρο Κυλινδρικό δοχείο που συλλέγει στο νερό της βροχής και μετρά το ύψος του, αλλά και τη διάρκεια βροχής και την έντασή της
Precipitation Measurement by Radar
Μετεωρολογικοί παράγοντες που ρυθμίζουν την επιφανειακή απορροή - Τύπος βροχόπτωσης - Ένταση βροχόπτωσης - Ύψος βροχόπτωσης - Διάρκεια βροχόπτωσης - Κατανομή βροχόπτωσης εντός της υδρολογικής λεκάνης - Κατεύθυνση κίνησης θύελλας - Υπάρχουσα υγρασία και κορεσμός εδάφους - Εξατμισοδιαπνοή
Φυσικοί παράγοντες που ρυθμίζουν την επιφανειακή απορροή - Χρήσεις γης - Βλάστηση - Τύπος εδάφους - Διαστάσεις Λεκάνης απορροής - Μορφολογία λεκάνης απορροής - Τοπογραφία, εδαφικές κλίσεις - Υδρογραφικό δίκτυο - Λίμνες, ταμιευτήρες, λεκάνες, δηλ. δομές που καθυστερούν την απορροή
Ανθρώπινοι παράγοντες που επηρεάζουν την επιφανειακή απορροή Αστικοποίηση χρήση αδιαπέρατων υλικών που επιταχύνουν την επιφανειακή απορροή Αποβλάστηση εδάφους αποψίλωση εδάφους από βλάστηση, δασικές πυρκαγιές, κατασκευή τεχνητού δικτύου απορροής αυξάνει τον όγκο της επιφανειακής απορροής και το χρόνο απομάκρυνσης του νερού πό βροχόπτωση και χιονόπτωση
Ο Υδρολογικός Κύκλος σε ένα απλό Οικοσύστημα Το έδαφος Το έδαφος είναι το πλέον ζωντανό τμήμα της επιφάνειας της Γης. Είναι εξαιρετικά σημαντικό για τον Άνθρωπο καθώς αποτελεί το βασικό υπόβαθρο της γεωργικής ανάπτυξης. Σε απλούς όρους, το έδαφος αποτελείται από το υλικό διάβρωσης και αποσάθρωσης των μητρικών πετρωμάτων μίας περιοχής καθώς και από μεταβλητές ποσότητες οργανικού υλικού. Η επίδραση του ριζικού συστήματος των φυτών μέσω των παραγόμενων οξέων (κυρίως ανθρακικού οξέος) και την δράση μικρο-οργανισμών που διαβιούν στο έδαφος συμβάλει στην χημική αποσάθρωση των μητρικών πετρωμάτων. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι ότι το έδαφος διαμορφώνεται σε ορίζοντες ή στρώματα.
Ο Υδρολογικός Κύκλος σε ένα απλό Οικοσύστημα Το έδαφος Με βάση την επίδραση μίας πληθώρας παραγόντων, όπως: Το κλίμα της περιοχής, Τους μικρο-οργανισμούς στο έδαφος, Το μητρικό πέτρωμα, Την τοπογραφία του εδάφους μπορεί να απαιτηθούν από εκατοντάδες έως και αρκετές χιλιάδες χρόνια για την ανάπτυξη ενός ώριμου εδαφικού προφίλ.
Ο Υδρολογικός Κύκλος σε ένα απλό Οικοσύστημα Το έδαφος Μία βασική παράμετρος που ρυθμίζει την λειτουργία του εδάφους ονομάζεται «υδατοχωρητικότητα» (water-holding capacity). Στην πραγματικότητα σχετίζεται με το πορώδες του εδάφους. Πορώδες είναι ένα μέτρο έκφρασης των ανοικτών χώρων μεταξύ των κόκκων του εδάφους. Το πορώδες εξαρτάται από το μέγεθος κόκκων του εδάφους. Το πορώδες ρυθμίζει την παρουσία νερού στο έδαφος και την κίνηση νερού στα στρώματα του εδάφους (υδροπερατότητα, permeability). Τα λεπτόκοκκα υλικά (πηλός και άργιλος) έχουν την τάση να προσροφούν το νερό στο εσωτερικό τους, μειώνοντας έτσι το πορώδες και την υδροπερατότητα του ορίζοντα.
Υπό κανονικές ακόρεστες συνθήκες το νερό σχηματίζει ένα φίλμ γύρω από τους κόκκους οπότε έχει μία σχεδόν ομοιόμορφη κατανομή στο έδαφος και δεν συσσωρεύεται όλο στους βαθύτερους ορίζοντες.
Ο Υδρολογικός Κύκλος σε ένα απλό Οικοσύστημα Το έδαφος Το νερό εισέρχεται στο σύστημα μέσω της βροχόπτωσης, πέφτει στο έδαφος και συσσωρεύεται σε ένα πολύ λεπτό στρώμα στην επιφάνειά του. Κατόπιν κινείται μέσω του πορώδους στο εσωτερικό του εδάφους, όπου συγκεντρώνεται γεμίζοντας το πορώδες. Ένα τμήμα του νερού κινείται βαθύτερα προς τον υπόγειο υδροφόρο, όπου τον εμπλουτίζει. Το μεγαλύτερο τμήμα όμως επιστρέφει στην επιφάνεια μέσω του ριζικού συστήματος των φυτών και επιστρέφει στην ατμόσφαιρα μέσω της εξατμισο-διαπνοής (evapo-transpiration).
Ο Υδρολογικός Κύκλος σε ένα απλό Οικοσύστημα Το έδαφος ~ Precipitation Rainf all Day Jul Surf ace Water Inf iltration Inf iltration Rate
Ο Υδρολογικός Κύκλος σε ένα απλό Οικοσύστημα Το έδαφος Οι κύριες μονάδες του ομοιώματος δίνονται σε εκατοστά νερού. Αυτό είναι περίεργο γιατί θα περιμέναμε μονάδες όγκου. Ωστόσο, έτσι τα αποτελέσματα είναι αντίστοιχα είτε μιλάμε για μια γλάστρα με εμβαδόν μερικά τετραγωνικά εκατοστά, είτε για ένα κήπο με εμβαδόν μερικά τετραγωνικά μέτρα είτε για ένα χωράφι με εμβαδόν μερικά στρέμματα.
Ο Υδρολογικός Κύκλος σε ένα απλό Οικοσύστημα Το έδαφος
DEEPER_LAYER(t) = DEEPER_LAYER(t - dt) + (INFILTRATION - EVAPOTRANSPIRATION - PERCOLATION) * dt INIT DEEPER_LAYER = 15 INFLOWS: INFILTRATION = F_INFILTRATION OUTFLOWS: EVAPOTRANSPIRATION = 0.9*DEEPER_LAYER PERCOLATION = K_PERCOLATION*DEEPER_LAYER SURFACE_LAYER(t) = SURFACE_LAYER(t - dt) + (RAINFALL - RUNOFF - INFILTRATION) * dt INIT SURFACE_LAYER = 2 INFLOWS: RAINFALL = PRECIPITATION OUTFLOWS: RUNOFF = LAND_TYPE_K*SURFACE_LAYER INFILTRATION = F_INFILTRATION LAND_TYPE_K = 0.9 F_INFILTRATION = GRAPH(DEEPER_LAYER) (0.00, 30.0), (1.67, 30.0), (3.33, 30.0), (5.00, 29.8), (6.67, 29.3), (8.33, 27.8), (10.0, 27.3), (11.7, 21.5), (13.3, 14.5), (15.0, 3.20), (16.7, 3.20), (18.3, 3.20), (20.0, 3.20) K_PERCOLATION = GRAPH(DEEPER_LAYER) (0.00, 0.00), (1.67, 0.001), (3.33, 0.004), (5.00, 0.011), (6.67, 0.027), (8.33, 0.05), (10.0, 0.09), (11.7, 0.161), (13.3, 0.188), (15.0, 0.2), (16.7, 0.2), (18.3, 0.2), (20.0, 0.2) PRECIPITATION = GRAPH(TIME) (0.00, 12.0), (1.00, 18.0), (2.00, 24.0), (3.00, 20.0), (4.00, 16.0), (5.00, 13.0), (6.00, 9.00), (7.00, 8.00), (8.00, 5.00), (9.00, 11.0), (10.0, 15.0), (11.0, 19.0), (12.0, 22.0)
Βιογεωχημικές Διεργασίες σε ένα απλό Οικοσύστημα ΠΥΣ φωσφορίτης mining ΛΙΠΑΣΜΑ excretion Έκλυση GUANO GUANO Γεωργία Πρόσληψη αυτότροφων Αποσάθρωση Πρόσληψη αυτότροφων ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΤΡΟΦΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ ΔΙΑΛΥΜΕΝΟΣ ΦΩΣΦΟΡΟΣ Αποσάθρωση ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΟΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΟΣ ΦΩΣΦΟΡΟΣ ΦΩΣΦΟΡΟΣ ΧΕΡΣΑΙΑ ΧΕΡΣΑΙΑ ΤΡΟΦΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ ΑΛΥΣΙΔΑ Ιζηματοποίηση Θάνατος αποσύνθεση Ιζηματοποίηση Αποσάθρωση Θάνατος αποσύνθεση ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΙΖΗΜΑΤΑ ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ
Θρεπτικά Άλατα Τα ανόργανα θρεπτικά άλατα παρέχουν τις στοιχειώδεις δομές ανάπτυξης της ζωής στα υδατικά συστήματα. Ορισμένα απαντώνται σε μεγάλες ποσότητες και καλούνται μακροθρεπτικά (macronutrients), όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο, το άζωτο, ο φώσφορος, το θείο, το πυρίτιο και ο σίδηρος. Άλλα υπάρχουν σε μικρότερες ποσότητες και καλούνται μικροθρεπτικά (micronutrients), όπως το μαγγάνιο, ο χαλκός, ο ψευδάργυρος, κλπ. Για λόγους απλοποίησης συνήθως αναφερόμαστε μόνο στα κύρια θρεπτικά άλατα που είναι ο φώσφορος, το άζωτο, ο άνθρακας και το πυρίτιο.
Φώσφορος (Phosphorus) Ο φώσφορος είναι απαραίτητος σε κάθε μορφή ζωής απαντάται στο DNA και RNA και στα φωσφολιπίδια των μεμβρανών των κυττάρων Γενικά ο φώσφορος απαντάται σε χαμηλές ποσότητες σε σχέση με τα υπόλοιπα θρεπτικά άλατα. Αυτό οφείλεται: α) ο φώσφορος δεν απαντάται σε αέρια μορφή, β) έχει την ιδιότητα να προσκολλάται στα λεπτόκοκκα ιζήματα, γ) η ιζηματοποίηση προκαλεί τη μεταφορά του φωσφόρου στο πυθμένα, και δ) μειώνει το διαλυμένο οξυγόνο του νερού πυθμένα, σχηματίζοντας σύμπλοκα φωσφορικά άλατα.
Φώσφορος (Phosphorus) Πολλές ανθρώπινες δραστηριότητες συμβάλλουν στην αύξηση των ποσοτήτων φωσφόρου στα φυσικά συστήματα. Τα ανθρώπινα και ζωικά απόβλητα περιέχουν σημαντικές ποσότητες φωσφόρου, όπως και τα απορρυπαντικά. Επιπλέον, μη-σημειακές πηγές από τη γεωργία και τη βιομηχανία, όπως η χρήση λιπασμάτων και διάβρωση εδαφών, αυξάνουν τις φορτίσεις φωσφόρου στα παράκτια υδατικά συστήματα.
Άζωτο (Nitrogen) Το άζωτο εισέρχεται στα παράκτια υδατικά συστήματα προερχόμενο από ανθρώπινα και ζωικά λύματα (σημειακές πηγές) καθώς και από λιπάσματα (μη-σημειακές πηγές). Διαφέρει από το φώσφορο σε τρία σημεία: Το άζωτο βρίσκεται και σε αέρια φάση (N 2 ). Επιπλέον, τα κυανοβακτήρια έχουν τη δυνατότητα σχηματισμού ελεύθερου μοριακού αζώτου (nitrogen fixation). Οι ανόργανες μορφές του αζώτου δεν προσκολλώνται στο αιωρούμενο υλικό όπως ο φώσφορος. Έτσι, αν και κάποιες μορφές αζώτου μεταφέρονται στο ίζημα με τη καταβύθιση του αιωρούμενου υλικού, ωστόσο αυτές επιστρέφουν γρήγορα στη στήλη νερού.
Η απονιτροποίηση (denitrification) αποτελεί μηχανισμό απομάκρυνσης του αζώτου από το σύστημα. Καθώς συμβαίνει μόνο σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου, η απονιτροποίηση δεν αφορά τα επιφανειακά νερά. Ωστόσο, σε πολύ παραγωγικά συστήματα όπου η απονιτροποίηση μπορεί να συμβεί και σε ανοξικά ιζήματα, είναι δυνατόν να προκύψει έλλειμμα αζώτου.
Σχεδόν όλο το βυθιζόμενο σωματιδιακό οργανικό υλικό μετατρέπεται και πάλι σε CO 2 μέσω της αναπνοής σε μεγαλύτερα βάθη του ωκεανού. Η φωτοσύνθεση που ακολουθεί α) τη μεταφορά άνθρακα σε μεγαλύτερα βάθη, και β) τη πρόσληψη από οργανισμούς για τη κατασκευή κέλυφους, καλείται «βιολογική αφαίρεση άνθρακα από την ατμόσφαιρα». Sequestration of Atmospheric Carbon
Απλή Προσομοίωση Μετασχηματισμού Ξεκινάμε με ένα απλό παράδειγμα όπου οι διεργασίες μετασχηματισμού χαρακτηρίζονται από μία πρώτης τάξης χημική αντίδραση, όπου μία παράμετρος S μετασχηματίζεται σε μία άλλη παράμετρο P με σταθερό ρυθμό k. Αρχικά, τη χρονική στιγμή t = 0 υπάρχει μόνο η παράμετρος S = So στο σύστημα ενώ Po = 0. Θεωρώντας ότι η παράμετρος S μειώνεται με το χρόνο με τον ίδιο ρυθμό που η παράμετρος Ρ αυξάνει, έχουμε τις εξισώσεις d S = ks, dt d P = ks dt Προσθέτοντας τες έχουμε d ( S + P) = 0 dt
S Outf low kappa P Inf low Η εφαρμογή του ομοιώματος με αρχική συγκέντρωση της παραμέτρου So = 5 mmol/m 3, Po = 0, k = 1 d -1, δίνει τα αποτελέσματα του παραπάνω διαγράμματος
1: S 2: P 1: 2: 5 1 2 2 2 1: 2: 3 2 1 1: 2: Page 1 1 0 1 0,00 1,50 3,00 4,50 6,00 Day s 1:22 λλ ο, 18 2011 Untitled
Το Ομοίωμα NPD Έως τώρα εξετάσαμε τη περίπτωση της πρόσληψης θρεπτικών αλάτων από το φυτοπλαγκτόν, κατά την οποία τα μοντέλο φθάνει σε κατάσταση ισορροπίας μόλις τα θρεπτικά καταναλωθούν πλήρως. Στο σημείο αυτό θα θεωρήσουμε την ανάστροφη διεργασία, δηλ. της μετατροπής πλαγκτού σε θρεπτικά μέσα από α) τη ταχεία έκλυση θρεπτικών κατά την αναπνοή και το μεταβολισμό του πλαγκτού, και β) την αργή αποσύνθεση νεκρών κυττάρων που ονομάζονται detritus (νεκρή οργανική ύλη). Το μοντέλο αυτό καλείται NPD γιατί περιλαμβάνει Nutrients Plankton Detritus.
Θεωρούμε μόνο ένα θρεπτικό άλας ως το περιοριστικό παράγοντα ανάπτυξης πλαγκτού, π.χ., το άζωτο. Η πρωτογενής παραγωγή οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία σε συνδυασμό με τη πρόσληψη των διαθέσιμων θρεπτικών αλάτων (N) από το πλαγκτόν (Ρ). Ο μεταβολισμός και η αναπνοή του πλαγκτού προκαλούν την άμεση έκλυση θρεπτικών αλάτων. Η περιορισμένη διάρκεια ζωής του πλαγκτού το μετατρέπει σε νεκρή οργανική ύλη (D), η αποσύνθεση της οποίας προκαλεί αύξηση στη συγκέντρωση θρεπτικών.
Ν πρόσληψη αναπνοή Ρ αποσύνθεση D Οι εξισώσεις του μοντέλου είναι d NP N = rmax + lpn P+ ldn D dt k + N N N d NP P = rmax lpn P lpdp dt k + N d D = l PD P l DN D dt
Τιμές παραμέτρων είναι: No = 5 mmol/m 3 Po = 0.5 mmol/m 3 Do = 0 k N = 0.3 mmol/m 3 r max = 1 d -1 l DN = 0.06 l PN = 0.5 l PD = 0.05
Το Ομοίωμα NPZD N πρόσληψη αναπνοή P αποσύνθεση κατανάλωση D θανάτωση Z d N = RNtP (,) + l ( P P ) + l ( Z Z ) + L D + A ( D N ) + S dt d P = + RNtP (,) GPtZ (,) ( l P PN + l PD )( P P 0) dt d Z = GPtZ (, ) ( l ZD + l ZN )( Z Z 0) dt d D l ext = ZD ( Z Z 0) + l PD ( P P 0) L D A DN mix ( D N ) + S D dt ext PN 0 ZN 0 DN mix N
Πίνακας 1. Ενδεικτικές τιμές των παραμέτρων του ομοιώματος NPZD. Αριθμητική Σύμβολο Αριθμητική Σύμβολο τιμή τιμή r max 1 d -1 g max 0.5 d -1 k N 0.1 I u 1.2 l PN 0.01 d -1 l ZN 0.01 d -1 l PD 0.02 d -1 l ZD 0.02 d -1 α mix 0.5 d -1 l D 0 N(0) 0.99 P(0) 0.01 Z(0) 0.01 D(0) 0.99 Z o 0.01 P o 0.01 S ext N 0 S ext D 0
Zooplankton Rmax Rmax1 theta1 LZN x0 Daylength d0 kn Uptake Zooplankton Recy cling Inf low Rate theta1 theti1 Nutrients External Plankton Phy toplankton Uptake Phy toplankton Respiration Amix Detritus Amix1 Stratif ication Mixing Plankton LPN theti1
Uptake LPN x0 LPD Plankton Plankton Uptake Plankton Mortality Iv lev Const Zooplankton Zooplankton Grazing Grazing Gmax
Zoop Grazing Grazing Zooplankton LZD Mortality LZN x0
Zooplankton Plankton LPD Zoop Mortality LZD Detritus x0 Phy to Mortality Resuspension Nutrients Amix1
1: 2: 3: 1: Nutrients 2: Plankton 3: Zooplankton 4 2 1: 2: 3: 2 1 1 3 1 3 1: 2: 3: Page 1 0 2 2 3 0 2 3 1 1 2 1,00 92,00 183,00 274,00 365,00 Day s 10:21 πλ ο, 28 ν ΰ 2010 Untitled
1: 1: Detritus 5 1 1: 3 1 1 1 1: Page 1 1 1,00 92,00 183,00 274,00 365,00 Day s 10:21 πλ ο, 28 ν ΰ 2010 Untitled