ΕΝΟΤΗΤΑ 4: ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ Α: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Γενική Οικολογία ΕΝΟΤΗΤΑ 4: ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ Εισηγήτρια: Δρ. Γιάννη Αρετή

Η ροή της ενέργειας Όταν κοιτάζουμε τη ροή της Ενέργειας γίνονται πιο κατανοητά πολλά χαρακτηριστικά οικοσυστημάτων παραγωγή βιομάζας πληθυσμούς βιοποικιλότητα Η Ενέργεια περιορίζει Τροφή  ενέργεια http://www.icsu-scope.org/downloadpubs/scope13/contents.html Ενέργεια ηλιακή ενέργεια. Σχέση με παραγωγή του CO2

Η ροή της ενέργειας Κορυφαίοι καταναλωτές Δευτερογενείς καταναλωτές Η ενέργεια (ενσωματωμένη στη βιομάζα-τροφή) ρέει διαμέσου των τροφικών επιπέδων Ενέργεια Δευτερογενείς καταναλωτές Ηλιακή ενέργεια Πρωτογενείς καταναλωτές Παραγωγοί (φυτά, κλπ.) Μεγάλο ποσό ενέργειας χάνεται καθώς αυτή ρέει από επίπεδο σε επίπεδο

Η ροή της ενέργειας στα οικοσυστήματα εξαρτάται από … Έκταση οικοσυστήματος Αβιοτικές συνθήκες (γεωγραφικό πλάτος, εποχιακές) Τύπο μεγαδιάπλασης (π.χ. χερσαία ή θαλάσσια) Τύπο αλυσίδας (θηρευτική, παρασιτισμού, σαπροβιοτική)

Από την Ενέργεια στην Παραγωγή Οι ετερότροφοι οργανισμοί παίρνουν με τη βιομάζα-τροφή τους την ενσωματωμένη σ’ αυτήν ενέργεια Ενέργεια Σωματική αύξηση + αναπαραγωγή Παραγωγή Βιομάζας Τροφή (Ενέργεια) Αναπνοή, μεταβολικές και άλλες απώλειες

Από την τροφή στην αύξηση και την αναπαραγωγή Τροφή που καταναλώθηκε Πέψη Περιττώματα Αφομοίωση Παραπροϊόντα Αύξηση Αναπαραγωγή Αναπνοή

Παραγωγικότητα Ιστάμενη Βιομάζα Ζωντανή οργανική ύλη, σε επίπεδο οργανισμών ή συστήματος, που υπάρχει στη δεδομένη χρονική στιγμή που γίνεται μια εκτίμηση (σχετική με αυτήν) Παραγωγικότητα [Βιομάζα + χρόνος + επιφάνεια] Βιομάζα που παράγεται στη μονάδα της επιφάνειας και στη μονάδα του χρόνου

Παραγωγή = Παραγωγικότητα * Επιφάνεια Παραγωγή και Παραγωγικότητα Παραγωγή είναι η ποσότητα οργανικής ουσίας (π.χ. τόνοι) που προστίθεται στη συνολική επιφάνεια ενός συστήματος στη διάρκεια κάποιου χρονικού διαστήματος. Συχνά χρησιμοποιούμε την έκφραση ετήσια παραγωγή (τόνοι/έτος) Παραγωγή = Παραγωγικότητα * Επιφάνεια Ε = ε * Α Με τον όρο Παραγωγικότητα αναφερόμαστε στο ποσό οργανικής ουσίας που προστίθεται σ' ένα σύστημα στη μονάδα του χρόνου και στη μονάδα της επιφάνειας (π.χ. τόνοι/έτος/km2).

Τύποι Παραγωγής και Παραγωγικότητας Η Πρωτογενής αφορά τους αυτότροφους οργανισμούς (φυτά) Η Δευτερογενής αφορά τα ζώα Η μικτή αναφέρεται στο ποσό ενέργειας που δεσμεύεται Η καθαρή αναφέρεται στο ποσό που αποθηκεύεται Η καθαρή παραγωγή προκύπτει από τη μικτή όταν αφαιρέσουμε τις αναπνευστικές απώλειες Παραδείγματα: - Πρωτογενής παραγωγικότητα - Μικτή δευτερογενής παραγωγικότητα ... κλπ.

Πρωτογενής παραγωγικότητα (Φυτά) Ηλιακή ενέργεια Παραγωγή βιομάζας από αυτότροφους οργανισμούς (που χρησιμοποιούν ανόργανες πηγές ενέργειας – ηλιακή, χημικών δεσμών ανόργανων ενώσεων) Αφομοίωση Παραγωγή βιομάζας

Ανακυκλωμένη ενέργεια Δεσμευμένη ενέργεια Διαθέσιμη ενέργεια Φωτοσύνθεση Παραγωγή Αύξηση Ανακυκλωμένη ενέργεια Αναπνοή κτλ.

Υπάρχουν οικοσυστήματα που δεν βασίζονται στην ηλιακή ενέργεια Vent Ecosystems Πηγή ενέργειας = Ηφαιστειογενής  Ενέργεια χημικών δεσμών ανόργανων ενώσεων

Πρωτογενής παραγωγικότητα εξαρτάται από … (περιορίζεται από …) 1. Φως (κυρίως υδάτινα συστήματα) 2. Νερό (χερσαία συστήματα) 3. Θρεπτικά συστατικά 4. Θερμοκρασία 5. CO2 Χερσαίο περιβάλλον   Μέγεθος πρωτογενούς παραγωγικότητας μειώνεται με την αύξηση του γεωγραφικού πλάτους

Πρωτογενής παραγωγικότητα Χέρσος: ~ 110-120 Χ 109 τόνοι ξ.β. Θάλασσα: ~ 50-60 Χ 109 τόνοι ξ.β.   Ωκεανοί – 2/3 επιφάνειας Γης – Στη μεγαλύτερη έκτασή τους, θαλάσσιες έρημοι «Έρημοι» - Παραγωγικότητα <400 g m-2 έτος-1 Τέτοια παραγωγικότητα αντιστοιχεί σε 90% θάλασσας και 30% χέρσου

Ετήσια παραγωγικότητα χερσαίων συστημάτων

Ετήσια παραγωγικότητα για υδάτινα συστήματα

Bιομάζα και παραγωγικότητα

Δευτερογενής Παραγωγικότητα παραγωγή βιομάζας από ετερότροφους οργανισμούς (που χρησιμοποιούν οργανικές πηγές - φυτοφάγα, αρπακτικά, παράσιτα κλπ.) Χωνεμένη Αφομοιωμένη Διαθέσιμη τροφή Κατανάλωση Αφομοίωση Παραγωγή Αύξηση Αναπαραγωγή Απόρριψη Απέκκριση Αναπνοή κτλ.

Τόσο για τα επίπεδα συνολικά όσο για τους οργανισμούς ατομικά Δευτερογενής παραγωγή Διαθέσιμη ενέργεια Πρωτογενής παραγωγή Αυτότροφοι οργανισμοί Φυτοφάγοι … Απώλειες Απώλειες Μέγαιρα (Macroscelides proboscideus) Λάχανο (Brassica oleracea) Σάλιγκαρι (Limacus flavus) Γεράκι (Falco tinnunculus) Συνήθως τα κουτιά εκπροσωπεύουν τους πληθυσμούς οργανισμών που αλληλεπιδρούν σε μια τροφική αλυσίδα σε έναν συγκεκριμένο τόπο (π.χ. σε ένα δάσος) Μπορεί να αναφέρεται πιο μεγάλες ομάδες οργανισμών (π.χ. Όλα τα φυτά  Όλους τους φυτοφάφους ... κλπ. )

Οικολογική αποτελεσματικότητα Ο λόγος της μικτής παραγωγικότητας σε οποιοδήποτε τροφικό επίπεδο προς τη μικτή παραγωγικότητα στο τροφικό επίπεδο που προηγείται: Οικολογική αποτελεσματικότητα = Αn/An-1 – Κατά μέσο όρο, 10% – Κυμαίνεται από 2%-24%, για επίπεδο φυτοφάγων και πάνω – Φυτά, μόνον 1%

Τροφική αποτελεσματικότητα Η τροφική αποτελεσματικότητα (Γ), ορίζεται ως ο λόγος της καθαρής παραγωγικότητας σε οποιοδήποτε τροφικό επίπεδο προς την καθαρή παραγωγικότητα στο τροφικό επίπεδο που προηγείται Από τη συνολική ποσότητα διαθέσιμης ενέργειας Ε, η ποσότητα που είναι διαθέσιμη για το επόμενο τροφικό επίπεδο είναι ΓΕ Ε ΓΕ Ενέργεια Παραγωγή βιομάζας [1-Γ]Ε Για τα φυτά, Γ είναι ο λόγος της καθαρής παραγωγικότητας (Ε, σε μονάδες ενέργειας/επιφάνεια/χρόνος) προς την ηλιακή ενέργεια που φτάνει στο σύστημα

Ειδικές αποτελεσματικότητες Κ=αΕ Α=βΚ Π=γΑ Ενέργεια (Ε) Καταναλωση (Κ) Αφομοίωση (Α) Παραγωγή (Π) U W R Στη διαδικασία μετατροπής ‘βιομάζα βιομάζα’, υπάρχουν 3 βήματα Ε = διαθέσιμη ποσότητα βιομάζας Κ = μέγεθος πρόσληψης/κατανάλωσης Α = μέγεθος αφομοίωσης Π = μέγεθος ενσωμάτωσης/παραγωγής νέας βιομάζας α, β, γ = συντελεστές ειδικής αποτελεσματικότητας U, W, R = απώλειες διαδικασίας

Ειδικές αποτελεσματικότητες Κ=αΕ Α=βΚ Π=γΑ Ενέργεια (Ε) Καταναλωση (Κ) Αφομοίωση (Α) Παραγωγή (Π) U W R Για κάθε βήμα, μπορούμε να εκτιμήσουμε την αποτελεσματικότητα της αντίστοιχης διαδικασίας   Aποτελεσματικότητα πρόσληψης/κατανάλωσης Aποτελεσματικότητα αφομοίωσης Aποτελεσματικότητα παραγωγής βιομάζας

Ειδικές αποτελεσματικότητες Κ=αΕ Α=βΚ Π=γΑ Ενέργεια (Ε) Καταναλωση (Κ) Αφομοίωση (Α) Παραγωγή (Π) U W R Aποτελεσματικότητα κατανάλωσης (exploitation efficiency) (α) = ποσοστό της διαθέσιμης ενέργειας υπό μορφή βιομάζας (Ε) σε ένα τροφικό επίπεδο που προσλαμβάνεται (καταναλώνεται) από το ανώτερο   E= διαθέσιμη ποσότητα βιομάζας, Κ = μέγεθος πρόσληψης, Α = μέγεθος αφομοίωσης, Π = μέγεθος ενσωμάτωσης, U, W, R = απώλειες

Ειδικές αποτελεσματικότητες Κ=αΕ Α=βΚ Π=γΑ Ενέργεια (Ε) Καταναλωση (Κ) Αφομοίωση (Α) Παραγωγή (Π) U W R Aποτελεσματικότητα αφομοίωσης (β) = ποσοστό που αφομοιώνεται σε σχέση με το μέγεθος που προσλαμβάνεται   Aποτελεσματικότητα παραγωγής βιομάζας (γ) = ποσοστό που ενσωματώνεται σε καινούρια βιομάζα σε σχέση με το μέγεθος που αφομοιώνεται E= διαθέσιμη ποσότητα βιομάζας, Κ = μέγεθος πρόσληψης, Α = μέγεθος αφομοίωσης, Π = μέγεθος ενσωμάτωσης, U, W, R = απώλειες

Αποτελεσματικότητες για ομάδες ειδών Aποτελεσματικότητα κατανάλωσης (α =Κ/ε) Μικρή για φυτοφάγα ζώα (τροφική ακαταλληλότητα) ~ 5% σε δάση, 25% σε ποολίβαδα Μεγάλη (~ 50%) σε βιοκοινότητες που στηρίζονται στο φυτοπλαγκτό Aποτελεσματικότητα αφομοίωσης (β=Α/Κ) Υψηλή (ακόμα και 80%) για σαρκοφάγα ζώα Χαμηλή (20-50%) για φυτοφάγα (εξαρτάται από συνεργασία με βακτήρια)   Αποτελεσματικότητα παραγωγής (γ=Π/Α) Ποικίλλει έντονα μεταξύ ταξινομικών μονάδων Στα ασπόνδυλα ζώα, μεγαλύτερη (25-40%) απ’ ό,τι στα σπονδυλωτά Στα σπονδυλωτά, μεγαλύτερη στα εξώθερμα (10% / ενδόθερμα, 1%-2%)

Αποτελεσματικότητα αφομοίωσης (%) Αποτελεσματικότητα αφομοίωσης (β) εξαρτάται κυρίως από τον τύπο τροφής Τροφή Αποτελεσματικότητα αφομοίωσης (%) Σπόροι 80 Μικρά φυτά 60-70 Γρασίδι (για μηρυκαστικά) 30-40 Ξύλο 15 Σάρκα 60-90

Αποτελεσματικότητα παραγωγής βιομάζας (%) Αποτελεσματικότητα παραγωγής βιομάζας (γ) διαφόρων κατηγοριών ζώων Ζωικές ομάδες Αποτελεσματικότητα παραγωγής βιομάζας (%) Εντομοφάγα ζώα 0.86 Πουλιά 1.29 Μικρά θηλαστικά 1.51 Άλλα θηλαστικά 3.14 Ψάρια και κοινωνικά έντομα 9.77 Ασπόνδυλα (εκτός από έντομα) 25.0 Μη κοινωνικά έντομα 40.7 εξώθερμα ενδόθερμα W. F. Humphreys, “Production and Respiration in Animal Populations”, J. Animal Ecology, Vol. 48, No. 2 (Jun., 1979), pp. 427-453 «κανόνας του 10%» γ~10%

Ροή ενέργειας και βιοσυσσώρευση Κατανοώντας τον τρόπο με τον οποίο ρέει η ενέργεια, μπορούμε να καταλάβουμε το φαινόμενο της βιοσυσσώρευσης Εάν η αποτελεσματικότητα = 10%, οι οργανισμοί θα καταναλώσουν 10 kg για να ενσωματώσουν 1 kg (κατά προσέγγιση)  Εάν στη βιομάζα υπάρχουν ουσίες, για τις οποίες οι οργανισμοί δεν διαθέτουν μηχανισμούς απέκκρισης, αυτές θα αποτεθούν στους ιστούς τους κατά 100%

Ροή ενέργειας και βιοσυσσώρευση κλασικό παράδειγμα Εντομοκτόνο DDT Από τα έντομα στα πουλιά: λέπτυνση του κελύφους των αυγών, αύξηση θνησιμότητας, μείωση πληθυσμών Στον άνθρωπο: βρέθηκε στο ανθρώπινο γάλα Μετά την απαγόρευσή του, άρχισαν να ανακάμπτουν οι πληθυσμοί των ειδών που είχαν επιβαρυνθεί

Σαπροβιοτική τροφική αλυσίδα Αφετηρία της σαπροβιοτικής τροφικής αλυσίδας το μη ζωντανό οργανικό υλικό (νεκρή βιομάζα απεκκρίσεις, οργανικά υπολείμματα)   Δεν μπορούν να διακριθούν οι καταναλωτές σε τροφικά επίπεδα Διακινούνται ποσά ενέργειας σημαντικά μεγαλύτερα απ’ ό,τι μέσω της αλυσίδας των καταναλωτών διαφορετικών επιπέδων

Σαπροβιοτική τροφική αλυσίδα οι οργανισμοί Πολυάριθμοι και ποικίλοι Σπονδυλωτά ζώα (π.χ. γύπες), πρωτόζωα, έντομα, μαλάκια, τσιμπούρια, καρκινοειδή, εκατοντάποδα, μυριάποδα, τροχόζωα, δακτυλιοσκώληκες, ακτινομύκητες, μύκητες, βακτήρια …

Σαπροβιοτική τροφική αλυσίδα οι διαδικασίες Ορισμένες ομάδες καταναλώνουν αδιακρίτως οτιδήποτε βρεθεί μπροστά τους  π.χ. κολέμβολα τρέφονται με φυτικά υλικά, υφές μυκήτων, σπόρια, λάρβες εντόμων, άλλα κολέμβολα, αλλά και με τα ίδια τους τα απορρίμματα   Αφομοιώνουν τμήμα οργανικού υλικού και αποβάλλουν το υπόλοιπο με μορφή απλούστερων οργανικών μορίων Οι απεκκρίσεις του ενός μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τροφή από έναν άλλο Τα σύνθετα οργανικά μόρια σπάνε σε απλούστερα μέχρι να ανοργανοποιηθούν Χούμος = οργανικό υλικό προερχόμενο κυρίως από φυτά που δεν έχει πλήρως αποικοδομηθεί

Αποτελεσματικότητα σαπροβιοτικής τροφικής αλυσίδας Ελέγχεται από τη διαθεσιμότητα Ο2   Σημαντική για τον αερισμό η δράση των γεωσκωλήκων Στα αναερόβια περιβάλλοντα η αποσύνθεση του οργανικού υλικού είναι εξαιρετικά βραδεία και δεν ολοκληρώνεται Σε υδατοσυλλογές, όπου υπάρχει μεγάλο οργανικό φορτίο, η αποδόμηση του οργανικού υλικού γίνεται με αναερόβιες διαδικασίες και ο πυθμένας καλύπτεται με οργανική λάσπη Τότε, απελευθερώνονται διαλυτές αλκοόλες, αμίνες και άλλες πτητικές ενώσεις, όπως μεθάνιο και υδρόθειο, με χαρακτηριστική μυρωδιά Ορυκτά καύσιμα = ανολοκλήρωτη αποδόμηση οργανικού υλικού στο μακρινό παρελθόν Μαύρη Θάλασσα = ανάλογες διαδικασίες έντονες τώρα

Συμμετοχή σαπροβιοτικής τροφικής αλυσίδας στη ροή ενέργειας Χερσαίο περιβάλλον ~10-20% της πρωτογενούς παραγωγής (μέγιστη εκτίμηση) καταναλώνεται από τους πρωτογενείς καταναλωτές Υπόλοιπο διοχετεύεται στη σαπροβιοτική αλυσίδα Θαλάσσιο περιβάλλον ~35% προς αλυσίδα των καταναλωτών διαφορετικών τροφικών επιπέδων Υπόλοιπο προς σαπροβιοτική αλυσίδα

Α Αυτές οι φωτογραφίες Α-Δ αντιπροσωπεύουν τέσσερις διαφορετικές περιοχές. Βάλτε τις στη σωστή σειρά (1-4) με τους μεγαλύτερους αριθμούς να δείχνουν μεγαλύτερη ανθρώπινη παρέμβαση. Γ 2 (Μικρή παρέμβαση) 1 (Χωρίς παρέμβαση) Β Δ 3 (Αρκετή παρέμβαση) 4 (Μεγάλη παρέμβαση) Σε κοραλλιογενή οικοσυστήματα χωρίς παρέμβαση, η βιομάζα συγκεντρώνεται στους ανώτατους καταναλωτές (στους καρχαρίες). Η πυραμίδα τις βιομάζας είναι ανάστροφη. Η αφθονία καρχαριών αποτελεί δείκτη υγείας του οικοσυστήματος. 37