Energie en andere beperkende factoren controlen primaire productie in ecosystemen

De hoeveelheid licht-energie omgezet in chemische energie (organische verbindingen) door autotrofen gedurende een bepaalde periode is een ecosysteem haar primaire productie. Dit fotosynthetische product is het uitgangspunt voor studies van het ecosysteem haar metabolisme en energie stromen.

Ecosysteem Energie budget

De meeste primaire producenten maken gebruik van licht-energie om de energie-rijke organische moleculen te maken, die vervolgens worden uitgesplitst om het ATP te synthetiseren. Consumenten krijgen hun biologische brandstoffen tweedehands (derde-of fourthhand) via voedselwebben. Daarom wordt het bedrag van alle fotosynthetische productie het bestedingslimiet voor de energie van het hele ecosysteem.

Het mondiale energie-budget

Elke dag wordt de aardatmosfeer gebombardeerd door ongeveer 10 tot de macht 22 joule van zonne-straling (1 J = 0,239 cal). Dit is genoeg energie om aan de eisen van de gehele menselijke bevolking te voldoen voor zo lang als 25 jaar. De intensiteit van zonne-energie die de aarde raakt varieert met de breedtegraad, de tropen ontvangen het grootste deel. De meeste inkomende zonnestraling wordt geabsorbeerd, verspreid, of gereflecteerd door wolken en stof in de atmosfeer. Het totaal van de zonnestraling die uiteindelijk het aardoppervlak bereikt zorgt voor de mogelijke fotosynthetische output van ecosystemen.

Bovendien wordt slechts een klein deel van de zonnestraling die het levert aan het aardoppervlak gebruikt in de fotosynthese. Een groot deel van de straling raakt materialen die niet fotosynthetiseren, zoals ijs en bodem. Van de straling die niet fotosynthetische organismen bereiken zijn alleen bepaalde golflengtes geabsorbeerd door fotosynthetische pigmenten, de rest is overgebracht, gereflecteerd, of gaat verloren als warmte. Als gevolg wordt ongeveer 1% van het zichtbare licht, dat door fotosynthetische organismen opgenomen wordt, omgezet in chemische energie door fotosynthese. Niettemin, de primaire producenten van de aarde maken collectief ongeveer 150 miljard ton (150 x 1012 kg) organisch materiaal per jaar.

bruto en netto primaire productie

De totale primaire productie in een ecosysteem staat bekend als bruto product (GPP) de hoeveelheid licht energie die naar chemische energie wordt omgezet door fotosynthese per tijdseenheid. Niet alle van deze productie wordt opgeslagen als organisch materiaal in de primaire producenten, omdat ze gebruik maken van sommige van de moleculen als brandstof in hun eigen celademhaling. Netto primaire productie (NPP) is gelijk aan bruto primaire productie minus de energie die wordt gebruikt door de primaire producenten voor de ademhaling (R): NPP = GPP - R

In veel ecosystemen, is NPP ongeveer de helft van GPP. Voor ecologen, is de netto primaire productie de sleutel voor het meten van de opslag van chemische energie die beschikbaar zal zijn voor de consument in het ecosysteem.

De primaire productie in aquatische ecosystemen

In aquatische (zee-en zoetwater) ecosystemen, zijn zowel licht en voedingsstoffen belangrijk bij het beheersen van de primaire productie.

Licht beperking

Omdat zonnestraling van belang is voor fotosynthese, zou je verwachten dat licht een belangrijke variabele is bij het beheersen van de primaire productie in de oceanen. De diepte van de lichtinval beïnvloedt de primaire productie in de gehele fotische zone van een meer of oceaan. Ongeveer de helft van de zonnestraling wordt geabsorbeerd in de eerste 15 m van het water. Zelfs in "helder"water, bereikt slechts 5%-10% van de straling een diepte van 75m.

Als het licht de belangrijkste variabie beperking was van de primaire productie in de oceaan, dan zouden we verwachten dat de productie verhoogt langs een gradiënt van de polen naar de evenaar, op de plek die het grootste intensiteit van het licht ontvangt. Dit is echter niet waar. Een andere factor moet dus ook van invloed zijn op de primaire productie in de oceaan.

Nutriënten limitatie

Meer dan het licht, beperken voedingsstoffen primaire productie in verschillende geografische regio's van de oceaan en meren. Een beperkend nutriënt is het element dat moet worden toegevoegd om de productie te verhogen. De nutriënten die mariene productie meestal beperken zijn ofwel stikstof of fosfor. Concentraties van deze nutriënten zijn zeer laag in de fotische zone, omdat ze snel worden overgenomen door fytoplankton en omdat detritus de neiging heeft om te zinken.

Experimenten waarbij de voedingsstoffen worden verrijkt bevestigden dat stikstof fytoplankton groei op de zuidelijke oever van Long Island beperkte. Praktische toepassingen van dit werk omvat het voorkomen van algen "bloei" veroorzaakt door verontreiniging van nitraten, dat het fytoplankton bevrucht. Het elimineren van fosfaten uit afvalwater, ooit beschouwd als de oorzaak van het probleem, zal niet helpen algenbloei te voorkomen, tenzij de verontreiniging door stikstof ook wordt gecontroleerd.

Een aantal grote gebieden van de oceaan, hebben maar lage dichtheden van fytoplankton ondanks de relatief hoge stikstofconcentraties. Bijvoorbeeld, de Sargassozee, een subtropisch gebied van de Atlantische Oceaan, heeft enkele van de helderste wateren in de wereld vanwege de zeer lage dichtheid van het fytoplankton. Uit een reeks van experimenten met voedingsstof verrijking is gebleken dat de beschikbaarheid van het micronutriënten ijzer de primaire productie daar kan beperken. stof door de Wind meegevoerd van het land is de belangrijkste input van ijzer in de oceaan, er is alleen maar relatief weinig stof dat meegevoerd word door de wind dat ook daadwerkelijk het centrum van de oceanen bereikt.

De bevinding dat ijzer de productie in een aantal oceanische ecosystemen beperkt heeft mariene ecologen aangemoedigd tot het uitvoeren van enkele recente grootschalige experimenten in de Stille Oceaan. In één studie, verspreiden de onderzoekers lage concentraties van opgelost ijzer in meer dan 72 km2 van de oceaan en vervolgens hebben ze de verandering gemeten in de dichtheid van het fytoplankton over een periode van zeven dagen. Het gevolg, een massale fytoplankton bloei deed zich voor, dit werdt aangegeven door de toegenomen chlorofyl concentratie in het water. Het toevoegen van ijzer stimuleert de groei van cyanobacteriën die stikstof uit de lucht halen, de extra stikstof stimuleert de proliferatie van fytoplankton.

Gebieden van opwelling, waar voedselrijke diepe wateren circuleren naar het oceaan oppervlak, hebben een uitzonderlijk hoge primaire productie. Deze hypothese ondersteunt dat de beschikbaarheid van nutriënten, de mariene primaire productie bepaalt. Omdat de constante toevoer van voedingsstoffen de groei stimuleert van fytoplankton populaties die de basis van mariene voedselwebben vormen, zijn de locatie waar de circulatie hoog is de voornaamste locaties om te vissen. De grootste gebieden van circulatie ontstaan in de Zuidelijke Oceaan (ook wel de Antarctische Oceaan), de kustwateren Peru, Californië, en delen van West-Afrika.

Nutriënten limitatie is ook gebruikelijk in zoetwatermeren. Tijdens de jaren 70, toonden wetenschappers aan dat afvalwater en meststoffen van boerderijen en erven grote hoeveelheden voedingsstoffen toegevoegden aan meren. Cyanobacteriën en algen groeien snel in reactie op deze toegevoegde voedingsstoffen, waardoor uiteindelijk de zuurstofconcentratie en de helderheid van het water minder werdt. Dit proces, bekend als eutrofiëring, heeft veel ecologische gevolgen, met inbegrip van het eventuele verlies van alle, behalve de meest tolerante vissoorten in meren. Voor beheersing van eutrofiëring is het nodig te weten welke vervuilende voedingsstoffen verantwoordelijk is; stikstof is zelden de beperkende factor voor de primaire productie in meren. Uit een reeks van experimenten door ecologen uitgevoerd in complete meren is gebleken dat fosfor de beschikbaarheid van cyanobacteriën groei beperkt. Dit en ander onderzoek heeft geleid tot het gebruik van fosfaatvrije wasmiddelen en andere belangrijke kwaliteits hervormingen van het water.

Netto primaire productie kan worden uitgedrukt als energie per oppervlakte-eenheid per tijdseenheid J/m2 * jr) of als de biomassa (massa van de vegetatie) toegevoegd aan het ecosysteem per oppervlakte-eenheid per tijdseenheid (g/m2 • jr). (Merk op dat biomassa meestal wordt uitgedrukt in termen als droge massa van organisch materiaal.) Een ecosysteem haar netto primaire productie mag niet verward worden met de totale biomassa van fotosynthetische autotrofen die aanwezig zijn op een gegeven moment, een maateenheid genoemd de bestaande crop. Netto primaire productie is het bedrag van nieuwe biomassa toegevoegd in een bepaalde periode van tijd. Hoewel een bos een zeer groot staand gewas heeft, kan de netto primaire productie toch veel lager zijn dan de netto primaire productie in een grasland, die niet veel begroeiing accumuleren, omdat dieren de planten snel eten en omdat grassen en kruiden sneller decomposeren dan bomen.

Satellieten bieden een krachtige tool voor het bestuderen van globale patronen van de primaire productie. Beelden uit satellietgegevens laten zien dat verschillende ecosystemen sterk variëren in hun netto primaire productie. Tropische regenwouden behoren tot de meest productieve terrestrische ecosystemen en dragen bij aan een groot deel van de aarde haar totale netto primaire productie. Estuaria en koraalriffen hebben ook een zeer hoge netto primaire productie, maar hun bijdrage aan het mondiale totaal is relatief klein, omdat deze ecosystemen ongeveer slechts een tiende van de oppervlakte van tropische regenwouden dekken. Een opvallend aspect is hoe onproductief de oceanen zijn per oppervlakte-eenheid ten opzichte van tropische bossen en andere ecosystemen. Door hun enorme omvang, dragen de oceanen net zoveel globale netto primaire productie als terrestrische systemen te doen.

Wat grenst de primaire productie in ecosystemen? Om deze vraag op een andere manier te herformuleren, welke factoren kunnen we veranderen?: om de primaire productie te verlagen of te verhogen voor een bepaald ecosysteem? We gaan eerst kijken naar aquatische ecosystemen.

De primaire productie in terrestrische ecosystemen

Op een grote geografische schaal, zijn temperatuur en vocht de belangrijkste factoren die de primaire productie in terrestrische ecosystemen beinvloeden. De tropische regenwouden, met hun warme, natte condities die de groei van planten bevorderen, zijn de meest productieve van alle terrestrische ecosystemen. In tegenstelling, lage productiviteit terrestrische ecosystemen zijn over het algemeen droog, bijvoorbeeld woestijnen, of koud en droog, bijvoorbeeld de arctische toendra. Tussen deze twee uitersten liggen de gematigde bossen en grasland ecosystemen, die een gematigd klimaat hebben en wisselende productiviteit over jagertijden.

Deze contrasten in klimaat worden vertegenwoordigd door een maatregel genoemd evapotranspiratie, dat is de jaarlijkse hoeveelheid water door planten vrijgegeven en wat verdampt uit een landschap, meestal gemeten in millimeters. Verdamping neemt toe met de hoeveelheid neerslag in een regio en de hoeveelheid zonne-energie beschikbaar om de verdamping en transpiratie te bevorderen. Het toont de positieve relatie tussen de netto primaire productie en de werkelijke evapotranspiratie in de geselecteerde ecosystemen.

op een meer lokale schaal, kunnen minerale voedingsstoffen in de bodem primaire productie in terrestrische ecosystemen beperken. Net als in aquatische ecosystemen, zijn stikstof en fosfor meestal de voedingsstoffen die terrestrische productie beperken. Het toevoegen van een niet-beperkende nutriënt, zelfs een die schaars is, zal niet de productie stimuleren. Het toevoegen van meer van het beperkende nutriënt zal de productie verhogen tot een aantal andere voedingsstoffen ook wordt beperkt.

Studies met betrekking van voedingsstoffen naar terrestrische primaire productie, leveren praktische toepassingen in de landbouw. Boeren maximaliseren hun crop opbrengsten met behulp van meststoffen met de juiste balans van voedingsstoffen voor de bodem, de plaats en het type gewas.

Van energie-overdracht tussen trofische niveas is meestal slechts 10% efficiënt

De chemische energie van het voedsel van de consumerende organismen wat wordt omgezet tot hun eigen biomassa over een bepaalde tijd, wordt de secundaire productie van een ecosysteem genoemd. Denk aan de overdracht van de organische stof van primaire producenten tot planteneters, de primaire consumenten. In de meeste ecosystemen eten herbivoren slechts een kleine fractie van het geproduceerde plantaardig materiaal. Bovendien kunnen ze niet al het plantaardig materiaal verteren dat ze eten. Veel van de primaire productie wordt niet gebruikt door consumenten.

Productie-efficiëntie

Laten we kijken naar de secundaire productie in, een individueel organisme, een rups. Als een rups voedt zich met een plant blad wordt ongeveer 33 J van de 200 J (48 cal), of een zesde van de energie in het blad, gebruikt voor secundaire productie, of groei.

De rups gebruikt een deel van de resterende energie voor cellulaire ademhaling en de rest gaat in haar ontlasting. De energie die in de ontlasting zit blijft tijdelijk in het ecosysteem, maar het meeste van de energie gaat verloren als warmte wanneer de ontlasting wordt afgebroken door detritivoren. De energie die wordt gebruikt voor de ademhaling van de rups gaat ook verloren in het ecosysteem als warmte. Dit is de reden waarom wordt gezegd dat energie door het ecosysteem vloeit, en niet door het ecosysteem cycleert. Alleen de chemische energie die is opgeslagen door herbivoren, zoals biomassa (door groei of de productie van nakomelingen) is beschikbaar als voedsel aan secundaire consumenten.

We kunnen de efficiëntie van de dieren als energie transformatoren meten met behulp van de volgende vergelijking:

Netto secundaire productie is energie opgeslagen in biomassa vertegenwoordigd door groei en voortplanting. Assimilatie bestaat uit de totale energie die ingenomen wordt en gebruikt voor groei, voortplanting, en de ademhaling. Productie-efficiëntie, is daarom het percentage van energie dat is opgeslagen in het gelijkgestelde voedsel dat niet wordt gebruikt voor de ademhaling. Voor de rups, de efficiëntie van de productie is 33%; 67 J van de 100 J van de energie wordt gebruikt voor de ademhaling. Vogels en zoogdieren hebben meestal een lage productie-efficiëntie, in het bereik van 1-3%, omdat zij gebruik maken van veel energie voor het handhaven van een constante, hoge lichaamstemperatuur. Vissen, die ectotherms zijn, hebben een productie-efficiëntie van ongeveer 10%. Insecten en micro-organismen zijn zelfs nog efficiënter, met een productie-efficiëntie van gemiddeld 40% of meer.

Trofische efficiëntie en ecologische piramides

Laten we nu kijken naar de productie-efficiëntie van de individuele consument tot de stroming van energie door middel van trofische niveaus.

Trofische efficiëntie is het percentage van de productie overgeheveld van het ene trofische niveau naar het volgende. Trofische efficiëntie moet altijd lager zijn dan productie-efficiëntie, omdat zij rekening houden met niet alleen de energie die verloren gaay door de ademhaling en uitwerpselen, maar ook de energie in organisch materiaal in een lager trofisch niveau dat niet wordt verbruikt door het volgende trofische niveau. Trofische efficiëntie ligt in het algemeen ongeveer op 10% en ligt in het bereik van ongeveer 5% tot 20%, afhankelijk van het type ecosysteem. Met andere woorden, 90% van de energie die beschikbaar is op een trofisch niveau wordt meestal niet overgedragen naar de volgende. Dit verlies wordt vermenigvuldigd over de lengte van een voedselketen. Als 10% van de beschikbare energie wordt overgedragen van primaire producenten tot de primaire consumenten, en 10% van die energie wordt overgedragen aan secundaire consumenten, dan is slechts 1% van de netto primaire productie is beschikbaar voor secundaire consumenten (10% van 10%).

Het geleidelijke verlies van energie langs een voedselketen beperkt sterk de hoeveelheid van top-level vleeseters die een ecosysteem kan ondersteunen. Slechts 0,1% van de chemische energie vastgesteld door fotosynthese kan helemaal door een voedselweb stromen om een tertiaire consument te voeden, zoals een slang of een haai. Dit verklaart waarom de meeste voedselwebben slechts vier of vijf trofische niveaus omvatten.

Het verlies van energie, met elke overdracht in een voedselketen kan worden weergegeven door een piramide van de netto productie. waarin de trofische niveaus zijn gerangschikt in niveaus. De breedte van elke tier is evenredig aan de netto-productie, uitgedrukt in joules, van elk trofisch niveau. Het hoogste niveau, die top-level roofdieren vertegenwoordigt, bevat relatief weinig individuen. Omdat de populaties van toppredatoren meestal klein zijn en de dieren kunnen op grote schaal worden verspreid binnen hun habitats, vele soorten roofdieren zijn zeer gevoelig voor uitsterven.

Een belangrijk ecologisch gevolg van lage trofische efficiëntie is vertegenwoordigd in een biomassa piramide, waarbij elke laag het bestaande gewas vertegenwoordigt in het trofisch niveau. De meeste biomassa piramides verminderen fors vanaf primaire producenten aan de basis tot de top-level carnivoren aan de top omdat energie transfers tussen trofische niveaus zo inefficiënt zijn. Bepaalde aquatische ecosystemen, hebben echter omgekeerd biomassa piramides: Primaire consumenten hebben een grotere biomassa dan de producenten. Dergelijke omgekeerde biomassa piramides treden op omdat de producenten-fytoplankton-groeien, reproduceren, en zo snel worden gegeten door het zoöplankton, dat zij nooit tot een grote populatie ontwikkelen, of een bestaand gewas. Met andere woorden, het fytoplankton heeft een korte omloopsnelheid, wat betekent dat ze een klein staand gewas hebben in vergelijking met hun productie:

Omdat het fytoplankton voortdurend hun biomassa vervangt op zo'n hoog tempo, kunnen ze een biomassa van zoöplankton ondersteunen groter dan hun eigen biomassa. Omdat fytoplankton veel hogere productie heeft dan zoöplankton, de piramide van de productie voor dit ecosysteem is nog steeds het grootst aan het begin(de bodem).

De dynamieken van de energiestromen door ecosystemen hebben belangrijke gevolgen voor de menselijke populatie. Het eten van vlees is een relatief inefficiënte manier van het gebruik van de fotosynthetische productie. Een individu krijgt veel meer calorieën binnen door het eten van graan als een primaire consument, dan door het eten van een dier waaraan dezelfde hoeveelheid graan is gevoerd. Wereldwijd zou de landbouw in feite, met veel succes meer mensen kunnen voeden en minder gecultiveerd land vereisen als de mens zich efficiënter zou voeden als een primaire consument, dus alleen plantaardig materiaal eet. Een bijgevolg de schattingen van de menselijke draagkracht van de aarde is sterk afhankelijk van onze voeding en over de hoogte van de middelen die ieder van ons eet.

Groene wereld hypothese.

Planten reflecteren meer groen licht dan rood of blauw licht. Landplanten slaan ongeveer 70 x 10 tot de macht 10 ton koolstof op, en wereldwijde terrestrische primaire productie is ongeveer 6 x 10 tot

de macht 10 ton per jaar. Echter, herbivoren verbruiken jaarlijks minder dan een zesde van de wereldwijde NPP door planten geproduceerd.

Het merendeel van de rest is uiteindelijk geconsumeerd door detritivoren. Dus, ondanks incidentele uitbraken van plagen, zijn planteneters over het algemeen slechts een geringe overlast voor planten. Daarom verbruiken planteneters zo'n klein deel van de planten hun netto primaire productie? Volgens de groene wereld hypothese, worden aardse herbivoren in toom gehouden door een aantal factoren. Verdedigingsmechanismen van planten, zoals stekels of schadelijke chemische stoffen, beperken het succes van de herbivoren. Lage nutriëntenconcentraties in plantenweefsels betekenen dat grote hoeveelheden biomassa nodig zijn om elke herbivoor te ondersteunen. Ook andere factoren beperken het aantal planteneters, met inbegrip van abiotische druk, zoals temperatuur en vocht; intraspecifieke competitie, met inbegrip van territoriaal gedrag en interspecifieke concurrentie, met name tegen roofdieren, parasieten en pathogenen.

Biologische en geochemische processen cyclus nutriënten tussen organische en anorganische delen van een ecosysteem

Hoewel de meeste ecosystemen een overvloedig aanbod van zonne-energie ontvangen, zijn chemische elementen alleen beschikbaar in beperkte hoeveelheden. (De meteorieten die af en toe op de aarde slaan zijn de enige buitenaardse bron van nieuwe materie.) leven op aarde hangt dus af van de recycling van essentiële chemische elementen. Terwijl een organisme leeft, is een groot deel van de chemische voorraad continu vervangen als voedingsstoffen worden geassimileerd en afvalproducten worden vrijgegeven. Wanneer het organisme sterft, gaan de atomen in zijn complexe moleculen terug naar eenvoudigere verbindingen in de atmosfeer, water of de bodem door de werking van reducenten. Decompositie vult de bronnen van anorganische voedingsstoffen die planten en andere autotrofen gebruiken om nieuwe organische stof op te bouwen. Omdat nutriënten cyclussen zowel biotische en abiotische componenten betreffen, heten ze biogeochemische cycli.

Biogeochemische cycli.

Een element zijn specifieke route door middel van de biogeochemische cyclus hangt af van het element en de trofische structuur van het ecosysteem. We kunnen echter twee algemene categorieën herkennen van biogeochemische cycli: globaal en lokaal. Gasvormige vormen van koolstof, zuurstof, zwavel en stikstof bevinden zich in de atmosfeer, en cycles van deze elementen zijn in wezen wereldwijd. Bijvoorbeeld, kan een deel van de koolstof en zuurstof atomen die een plant verwerft uit de lucht als CO2 vrij in de atmosfeer zijn door de ademhaling van een organisme in een afgelegen locatie. Andere elementen, waaronder fosfor, kalium en calcium, zijn te zwaar om zich voor te doen als gassen op een aardoppervlak. In terrestrische ecosystemen, zijn deze elementen cyclussen meer lokaal, geabsorbeerd uit de bodem door plantenwortels en keren uiteindelijk terug naar de bodem door reducenten. In aquatische systemen, cycleren ze meer in het algemeen als ontbonden vormen, vervoerd in stromen.

Alvorens we in detail treden van de individuele cycli, kijken we eens naar een algemeen model van nutriënten cycli, dat met inbegrip van de belangrijkste reservoirs van elementen en het proces dat de overdracht verzorgt van elementen tussen reservoirs. Elk reservoir wordt gedefinieerd door twee kenmerken: of het organisch of anorganisch materiaal bevat en of de materialen direct of niet direct beschikbaar zijn voor gebruik door organismen.

De voedingsstoffen in levende organismen en in detritus zijn beschikbaar voor andere organismen wanneer consumenten voeden en wanneer detritivoren niet-levende organische stof consumeren. Sommige stoffen werden verplaatst uit het levende organische reservoir naar het gefossiliseerde organische reservoir lang geleden, toen dode organismen werden omgezet naar kolen, olie, of turf. Voedingsstoffen in deze deposito's zijn in het algemeen niet rechtstreeks verkrijgbaar.

Anorganische materialen (elementen en verbindingen), die worden opgelost in water in de bodem of lucht zijn beschikbaar voor gebruik. Organismen assimileren materialen rechtstreeks uit de lucht en geven chemicalien terug door de relatief snelle processen van cellulaire ademhaling, excretie, en ontbinding. Hoewel de meeste organismen niet direct kunnen profiteren van de anorganische elementen van in rotsen, kunnen deze voedingsstoffen langzaam beschikbaar komen door verwering en erosie. Ook onbeschikbare organische materialen verplaatsen zich naar het beschikbare reservoir van anorganische voedingsstoffen bij de verbranding van fossiele brandstoffen.

Hoe verwerken ecologen de details van chemische cycli in verschillende ecosystemen? Twee veel voorkomende methoden die ze gebruiken zijn isotopen hetzij door toevoeging van kleine hoeveelheden radioactieve isotopen van specifieke elementen en het bijhouden van hun vooruitgang of door het volgen van de beweging van natuurlijk voorkomende, nonradioactive isotopen door middel van het biotische en abiotische componenten van een ecosysteem. Bijvoorbeeld, zijn wetenschappers in staat geweest om de stroom van radioactief koolstof(14C) in de atmosfeer te traceren in ecosystemen die tijdens atoombom testen in de jaren 50 en vroege jaren 60 vrijkomt. Deze "Spike" van 14C kan worden gebruikt om de leeftijd van botten en tanden te dateren, om de omloopsnelheid van de bodem haar organische stof te meten, en om de veranderingen in vele andere koolstofreservoirs in de omgeving te volgen.

Afbraak en Nutrient Cycli cijfers

Afbraak wordt bestuurd door dezelfde factoren die de primaire productie in aquatische en terrestrische ecosystemen beperken. Deze factoren zijn: temperatuur, vocht en beschikbaarheid van voedingsstoffen. Afbrekers groeien meestal sneller en ontleden materiaal sneller in warmere ecosystemen.

In het tropisch regenwoud, breken de meeste organische materiaal af in een paar maanden tot een paar jaar, terwijl in gematigde bossen, afbraak vier tot zes jaar duurt. Het verschil is grotendeels het gevolg van de hogere temperaturen en meer overvloedige neerslag in de tropische regenwouden.

Omdat afbraak in een tropisch regenwoud snel is, accumuleert relatief weinig organisch materiaal als strooisellaag op de bodem van het bos, ongeveer 75% van de nutriënten aanwezig in het ecosysteem zit in de houtachtige stammen van bomen, en ongeveer 10% wordt opgenomen in de bodem. De relatief lage concentraties van bepaalde nutriënten in de bodem van de tropische regenwouden zijn het resultaat van een korte cycli, niet een gebrek aan deze elementen in het ecosysteem. In gematigde bossen, waar afbraak veel langzamer is, kan de bodem 50% van al het organisch materiaal in het ecosysteem bevatten. De voedingsstoffen die aanwezig zijn in de gematigde bossen detritus en bodem blijven vrij lang aanwezig voordat planten ze assimileren.

Decompositie op het land is ook trager wanneer de omstandigheden te droog zijn voor reducenten om te gedijen of te nat om hen te voorzien van genoeg zuurstof. Ecosystemen die zowel koud en nat zijn, zoals veengebieden, slaan grote hoeveelheden organisch materiaal op; reducenten groeien slecht het grootste deel van het jaar, en de netto primaire productie is veel groter dan ontbinding.

In aquatische ecosystemen kan afbraak in anaërobe modder zolang als 50 jaar of meer duren. Sediment op de bodem is vergelijkbaar met de detritus laag in terrestrische ecosystemen, maar algen en waterplanten assimileren meestal rechtstreeks voedingsstoffen uit het water. De sedimenten vormen vaak een voedingsbron, en aquatische ecosystemen zijn alleen zeer productief als er uitwisseling tussen de onderste lagen van het water en het oppervlak plaatsvindt.

Menselijke activiteiten domineren nu de meeste chemische cycli op Aarde.

Omdat de menselijke bevolking zo snel is gegroeid in omvang, hebben onze activiteiten en technologische mogelijkheden de trofische structuur verstoord, energie stromen, en chemische cycli van ecosystemen. In feite zijn de meeste chemische cycli nu meer beïnvloed door menselijke activiteiten dan door natuurlijke processen.

voedingsstof Verrijking

Menselijke activiteit verwijdert vaak voedingsstoffen van het ene deel van de biosfeer en voegt ze toe aan een ander. Op het eenvoudigste niveau, wanneer iemand een stukje broccoli eet in Washington, gaat het om voedingsstoffen die slechts enkele dagen eerder in de bodem in Californië werden verwijdert, een korte tijd later, zullen sommige van deze voedingsstoffen in de Potomac rivier, na door de spijsvertering van een aantal mensen te zijn gegaan en een lokale zuiveringsinstallaties. Op een grotere schaal, kunnen nutriënten in de bodem bij een boerderij in in beken en meren terecht komen, zo worden voedingsstoffen in een bepaald gebied afbroken ze worden minder in het ene gebied, en worden toegevoegd aan andere gebieden, hierdoor wordt in beide gevallen de chemische cycli veranderd. Bovendien hebben mensen volledig nieuwe materialen toegevoegd een aantal van deze materialen is zelfs giftig voor de ecosystemen.

Mensen hebben de nutriëntencycli zo veel veranderd dat we elke cyclus niet meer kunnen begrijpen zonder te kijken naar de effecten van menselijke activiteiten. We gaan kijken naar een paar specifieke voorbeelden van hoe de mens impact heeft op de biosfeer zijn chemische dynamiek.

Landbouw-en stikstofcycli

Nadat natuurlijke vegetatie wordt verwijderd uit een gebied, is de bestaande reserve van voedingsstoffen in de bodem voldoende om gewassen te telen voor bepaalde tijd. In agro-ecosystemen, wordt een aanzienlijk deel van deze voedingsstoffen uit het gebied vervoerd in de vorm van de biomassa die geteelt is. De "vrije" periode voor de plantaardige productie-als er geen noodzaak om voedingsstoffen toe te voegen aan de bodem-varieert sterk. Wanneer sommige van de vroege Noord-Amerikaanse prairie gronden voor het eerst werden bebouwd, konden goed gewassen worden geproduceerd voor tientallen jaren, omdat de grote voorraden van organische materialen in de bodem begonnen te decomposeren en dus genoeg nutriënten kon bieden. Daarentegen, kan op sommige akkers in de tropen worden gekweekt voor slechts een of twee jaar omdat er zo weinig van de ecosystemen hun 'nutriëntenbelasting is opgenomen in de bodem. Ondanks dergelijke variaties, in elk gebied onder intensieve landbouw, wordt de natuurlijke opslag van voedingsstoffen uiteindelijk uitgeput.

Stikstof is de belangrijkste voedingsstof verloren door de landbouw; dus heeft de landbouw een grote invloed op de stikstofcyclus. Ploegen van de bodem versnelt de afbraak van organische stof, en geeft stikstof vrij, die vervolgens wordt verwijderd wanneer gewassen worden geoogst. Toegepaste meststoffen verbeteren de grond na het verlies van bruikbare stikstof uit agrarische ecosystemen.

Recente studies tonen aan dat menselijke activiteiten de vaste stikstof, beschikbaar voor de primaire producenten, meer dan hebben verdubbeld op aarde. Industriële meststoffen bieden de grootste extra stikstof bron. Verbranding van fossiele brandstoffen geeft ook stikstofoxiden vrij, die de atmossfeer inkomen en oplossen in regenwater; de stikstof komt uiteindelijk in ecosystemen als nitraat. Waardoor de teelt van leguminosen toeneemt, met hun stikstofbindende symbionten, dit is een derde manier waarop mensen het bedrag van de vaste stikstof in de bodem verhogen.

Verontreiniging van aquatische ecosystemen

Het belangrijkste probleem met de overtollige voedingsstoffen is de kritische belasting, het totaal van de toegevoegde voedingsstoffen, meestal stikstof of fosfor, dat door de planten geabsorbeerd kan worden zonder beschadiging van integriteit van de ecosystemen. Bijvoorbeeld, stikstofhoudende mineralen in de bodem, die wanneer kritische belasting hoger is dan planten uiteindelijk aankunnen zullen uitspoelen naar het grondwater of afspoelen naar zoetwater en zee ecosystemen, ze vervuilen het water en het doden de vis, nitraatconcentraties in het grondwater neemt in de meeste agrarische gebieden veel toe, soms meer dan een veilig niveau om te drinken.

Vele rivieren vervuild met nitraten en ammonium uit agrarische afvalmateriaal en riolering komen uiteindelijk in de Atlantische Oceaan, met de hoogste vervuilings cijfers uit Noord-Europa en de centrale Verenigde Staten. De Mississippi-rivier voert de verontreiniging door nitraten naar de Golf van Mexico, en leidt tot een fytoplankton bloei elke zomer. Als het fytoplankton sterft, creëert hun afbraak een uitgebreide "dead zone " van de lage beschikbaarheid van zuurstof langs de kust. Vis, garnalen en andere zeedieren verdwijnen van enkele van de meest economisch belangrijke wateren in het land. Om de grootte van de dode zone, zijn boeren begonnen met het gebruik van efficiëntere meststoffen, en managers zijn bezig met het herstel van wetlands in de Mississippi waterafscheiding, twee wijzigingen gestimuleerd door de resultaten van ecosysteem experimenten.

Gifstoffen in het milieu.

Mensen laten een enorme variëteit aan toxische chemicalien vrij. Waaronder duizenden synthetische stoffen, voorheen onbekend in de natuur, met weinig aandacht voor de ecologische gevolgen. Organismen krijgen de giftige stoffen uit de omgeving, samen met voedingsstoffen en water. Sommige van de vergiften worden gemetaboliseerd en uitgescheiden, maar anderen hopen zich op in specifieke weefsels, vooral vet. Een van de redenen dat opgehoopte giftige stoffen vooral schadelijk zijn is dat ze meer geconcentreerd zijn in opeenvolgende trofische niveaus van een voedselketen, een proces genaamd "biological magnification".

Versterking treedt op omdat de biomassa op een gegeven trofisch niveau is geproduceerd uit een veel grotere biomassa ingenomen van het niveau daaronder. Zo zijn de top-level carnivoren doorgaans de organismen die het zwaarst getroffen worden door Toxische verbindingen in het milieu.

Een klasse van industrieel gesynthetiseerde verbindingen die hebben bewezen dat biologische versterking gebeurt zijn de gechloreerde koolwaterstoffen, de industriële chemische stoffen genaamd PCB's bevatten (polychloorbifenylen) en veel pesticiden, zoals DDT. Lopend onderzoek brengt een groot aantal van deze verbindingen aan het licht die verstoring veroorzaken het in endocriene systeem van een groot aantal diersoorten, waaronder de mens. Biologische versterking van PCB's is gevonden in het voedselweb van de Grote Meren, waar de concentratie van PCB's in zilvermeeuw eieren, die aan de top van de voedselketen zitten, bijna 5.000 keer groter is dan dat in fytoplankton, aan de basis van het voedselweb.

 

Een berucht geval van biologische versterking dat "top-level carnivoren had betrekking op DDT, een chemische stof gebruikt om insecten zoals muggen en agricultural plagen moest doden. In het decennium na de tweede wereldoorlog, groeide het gebruik van DDT snel; haar ecologische gevolgen waren nog niet volledig begrepen. Tegen 1950, leerden wetenschappers dat DDT in het milieu blijft en is vervoerd door water naar gebieden ver van waar het wordt toegepast.

Een van de eerste tekenen dat DDT een ernstig milieuprobleem was is een daling van de populaties van pelikanen, visarenden, en adelaars, vogels die zich voeden aan de top van voedselwebben. De accumulatie van DDT (en DDE, een product van de opbreking ervan) in de weefsels van deze vogels bemoeide zich met de afzetting van calcium in hun eierschalen. Wanneer de vogels probeerden om hun eieren uit te broeden, brak het gewicht van de ouders de schelpen van de getroffen eieren, wat resulteert in katastrofisch dalingen in de vogels 'voorplanting. Rachel Carson's boek Silent Spring heeft geholpen om het probleem onder de publieke aandacht te krijgen in de jaren 60 en DDT werd verboden in de Verenigde Staten in 1971. Een dramatisch herstel van de populaties van de betrokken vogelsoorten volgde.

In een groot deel van de tropen, wordt DDT nog steeds gebruikt om de muggen te doden en controleren die malaria en andere ziekten verspreiden. Samenlevingen worden geconfronteerd met een belangensverstrengeling tussen het redden van mensenlevens en het beschermen van andere soorten. De beste aanpak lijkt om spaarzaam DDT toe te passen en het gebruik ervan te koppelen met klamboe en andere low-tech oplossingen. De ingewikkelde geschiedenis van DDT illustreert het belang van het begrijpen van de ecologische verbindingen tussen ziekten en gemeenschappen.

Veel toxinen kunnen niet worden afgebroken door micro-organismen en blijven in de omgeving voor jaren of zelfs decennia. In andere gevallen kunnen chemicalien vrijkomen in het milieu die relatief onschuldig zijn, maar worden geconverteerd naar meer toxische producten door een reactie met andere stoffen, blootstelling aan het licht , of door het metabolisme van micro-organismen. Bijvoorbeeld, kwik, een bijproduct van kunststof productie-en kolengestookte elektriciteitscentrales, zijn stelselmatig gedumpt in rivieren en de zee in een onoplosbare vorm. Bacteriën zetten in de modder bodem het afval om in methylkwik (CH3Hg +), een uiterst giftige oplosbare stof die zich ophoopt in de weefsels van organismen, waaronder mensen die vis consumeren uit het vervuilde water.

Broeikasgassen en de opwarming van de aarde.

Menselijke activiteiten laten een verscheidenheid van gasvormige afvalstoffen vrij. Mensen dachten vroeger dat de overgrote atmosfeer deze materialen voor onbepaalde tijd kon opvangen, maar we weten nu dat dergelijke toevoegingen fundamentele veranderingen kunnen toebrengen aan de biosfeer. We zullen onderzoeken hoe de toenemende atmosferische koolstofdioxide en opwarming van de aarde haar ecosystemen beinvloed. Hoewel opwarming van de aarde waarschijnlijk een aantal voordelen biedt aan mensen, zal het ook doen enorme veel kosten voor mens en vele andere soorten op aarde.

 

 

 

Stijgende atmosferische Co2 niveaus.

Sinds de Industriële Revolutie is de concentratie van CO2 in de atmosfeer toegenomen als gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen en ontbossing. Wetenschappers schatten dat de gemiddelde CO2-concentratie in de atmosfeer voor 1850 ongeveer 274 ppm was. In 1958, begon een meldkamer zeer nauwkeurige metingen te doen op Mauna Loa Hawaiis piek, een locatie ver van de steden en hoog genoeg voor de sfeer te goed te zijn gemengd. Op dat moment, was de CO2-concentratie 316 ppm. Vandaag is het meer dan 380 ppm, een toename van ongeveer 40% sinds het midden van de 19de eeuw. Als de CO2-emissies blijven stijgen in het huidige tempo, zal in het jaar 2075 de atmosferische concentratie van dit gas meer dan het dubbele zijn van wat het was aan het begin van de Industriële Revolutie.

Verhoogde productiviteit door planten is een voordspelbaar gevolg van de toenemende CO2-niveaus. In feite, als de CO2-concentraties stijgen in een experimentele kamers, zoals kassen, zullen de meeste planten sneller groeien. Omdat C3-planten beperkter zijn dan C4-planten door de CO2-beschikbaarheid, kan een effect van de toenemende wereldwijde CO2-concentratie de verspreiding van de C3 soorten vergroten in terrestrische habitats die op dat moment voor C4-planten beschikbaar zijn. Dergelijke veranderingen zouden maïs (maïs)kunnen beïnvloeden of een andere C4 plant. De belangrijkste graanoogst in de Verenigde Staten, zal worden vervangen door tarwe en sojabonen, C3 gewassen die maïs er kunnen uitproduceren in een CO2-verrijkte omgeving. Om de geleidelijke en ingewikkelde gevolgen te voorspellen van de stijgende C02 leveis op de productiviteit en soortensamenstelling, wenden wetenschappers zich tot de lange termijn veldproeven.

Het broeikaseffect en het klimaat

Toenemende concentraties van langlevende broeikasgassen zoals CO2 zijn ook verantwoordelijk voor het veranderingen van de aarde haar warmte. Een groot deel van de zonnestraling die de aarde raakt wordt terug gereflecteerd naar de ruimte. Maar CO2, waterdamp en andere broeikasgassen in de atmosfeer zijn transparant voor zichtbaar licht, ze onderscheppen en absorberen een groot deel van de infrarode straling wat de aarde uitzendt, en reflecteren een deel ervan terug naar Aarde. Dit proces houdt een deel van de zonnewarmte vast. Dankzij dit broeikaseffect zou de gemiddelde temperatuur van de lucht aan het aardoppervlak een frigide-18C (- 2,4 ° F), en het meeste leven zoals wij het kennen zou niet kunnen bestaan.

De sterke toename van de concentratie van CO2 in de atmosfeer over de laatste 150 jaren is heeft de wetenschappers zorgen doen maken vanwege het verband ermee met de toegenomen mondiale temperatuur. Voor meer dan een eeuw, hebben wetenschappers onderzocht hoe broeikasgassen de aarde verwarmen en hoe het verbranden van fossiele brandstoffen zou kunnen bijdragen tot de opwarming. De meeste wetenschappers zijn ervan overtuigd dat een dergelijke opwarming al is begonnen en snel zal toenemen van deze eeuw.

Globale onderzoeks modellen voorspellen dat tegen het einde van de 21e eeuw, de atmosferische CO2-concentratie meer dan verdubbeld zal zijn de gemiddelde temperatuur op aarde groeit met ongeveer 3 ° C (5 ° F). Ondersteuning van deze modellen is een correlatie tussen CO2-gehalte en de temperatuur in de prehistorie. Een manier hoe klimatologen dit kunnen schaten is om CO2-concentraties te meten in luchtbellen gevangen in glacial ijs, waarvan sommige een half miljoen jaar oud. Prehistorische temperaturen zijn afgeleid van verschillende methodes, inclusief de analyse van vegetatie op basis van fossielen en de chemische isotopen in sedimenten en koralen. Een stijging van slechts 1,3 ° C zou de wereld warmer maken dan op enig moment in de afgelopen 100.000 jaar.

De ecosystemen waar de grootste opwarming heeft plaatsgevonden zijn die in het verre noorden, met name de noordelijke naaldbossen en toendra. Als sneeuw en ijs smelt en donkerder gebied laat zien, meer absorberende oppervlakken, deze systemen reflecteren minder straling terug naar de atmosfeer en warmen nog verder op. Arctische zee-ijs in de zomer van 2007 bedekte het kleinste gebied dat ooit was waargenomen. Klimaatmodellen suggereren dat er wellicht geen zomerijs mer is tegen het einde van deze eeuw, en dus zorgt voor het verminderen van habitat voor ijsberen, zeehonden en zeevogels. Hogere temperaturen verhogen ook de kans op bosbranden. In boreale bossen van westelijk Noord-Amerika en Rusland, hebben bosbranden tweemaal de gebruikelijke gebieden verbrand dan normaal in de afgelopen decennia.

De trend van deze opwarming zou ook verandering brengen in de geografische verdeling van de neerslag, zo maken ze grote agrarische gebieden van de centraal Verenigde Staten veel droger. De verschillende wiskundige modellen zijn het niet eens over de details van hoe eliminaties in elke regio worden beïnvloed. Door te bestuderen hoe in het verleden periodes van opwarming van de aarde en koeling plant gemeenschappen troffen, zijn ecologen aan het proberen om de gevolgen van toekomstige temperatuur veranderingen te voorspellen. Analyse van fossiele pollen geeft aan dat plant gemeenschappen drastisch veranderen met de veranderingen in de temperatuur. Klimaat wijzigingen hebben zich al geleidelijk voorgedaan, alleen hier hadden plantaardige en dierlijke populaties de tijd om te migreren naar gebieden waar de abiotische randvoorwaarden hun toestonden om te overleven. Vele organismen, met name planten die niet snel kunnen verspreiden over lange afstanden, zijn niet in staat zijn om de hoge temperatuurs verandering op aarde te overleven. Veel habitats vandaag de dag zijn veel meer gefragmenteerd dan ze waren in het verleden, een verdere beperking op het vermogen van veel organismen om zich te migreren.

We zijn veel dingen nodig om opwarming van de aarde te vertragen. Snelle vooruitgang kan worden geboekt in het gebruik van energie-efficiëntie en door fossiele brandstoffen te vervangen door hernieuwbare zonne-en windenergie en, meer controversieel, met kernenergie. Vandaag de dag, steenkool, benzine, hout en andere organische brandstoffen blijven centraal staan in de geïndustrialiseerde samenlevingen en kan niet worden verbrand, zonder dat CO2 vrijkomt. Stabiliseren van de CO2-uitstoot vergt gezamenlijke internationale inspanning en de acceptatie van veranderingen in zowel de persoonlijke levensstijl en industriële processen. Veel ecologen denken dat het werk een grote tegenslag leed in 2001, toen de Verenigde Staten zich terugtrokken uit het Protocol van Kyoto. Het Protocol van Kyoto was in 1997 een toezegging van de geïndustrialiseerde landen om hun CO2-uitstoot te verminderen met ongeveer 5%. Een dergelijke verlaging zou een eerste stap zijn in de reis om de atmosferische CO2-concentraties te stabiliseren.

Uitputting van de atmosferische ozon

Het leven op aarde is beschermd tegen de schadelijke effecten van ultraviolette (UV) straling door een laag van ozon moleculen (03) die zich bevinden in de stratosfeer 17-25 km boven aardoppervlak. Echter, uit satelliet-studies van de atmosfeer blijkt dat de ozonlaag geleidelijk dunner is geworden sinds het midden van de jaren 70.

 

De vernietiging van atmosferische ozon is voornamelijk het gevolg van de accumulatie van chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's), chemicaliën die worden gebruikt in koeling en in de industrie. Wanneer de afbraakproducten van deze stoffen in de stratosfeer komen, reageert het chloor dat ze bevatten met ozon, en brengt het ozon terug tot moleculaire O2, latere chemische reacties laten het chloor weer vrij, zodat het reageert met andere ozon moleculen in een katalytische kettingreactie.

De verdunning van de ozonlaag is het duidelijkst te zien boven Antarctica in het voorjaar, waar koude, stabiele lucht de kettingreactie door laat gaan. De omvang van de aantasting van de ozonlaag en de grootte van het ozongat is over het algemeen toegenomen in de afgelopen jaren, en het gat strekt soms uit zover als de meest zuidelijke delen van Australië, Nieuw Zeeland, en Zuid-Amerika. Op de meer dichtbevolkte gebieden in midden breedtegraden, is ozon gedaalde met 2-10% gedurende de afgelopen 20 jaar.

Dalende ozonconcentraties in de stratosfeer verhogen de intensiteit van de UV-stralen en bereiken het aardoppervlak. De gevolgen van aantasting van de ozonlaag voor het leven op aarde zou ernstig kunnen zijn voor planten, dieren en micro-organismen. Sommige wetenschappers verwachten een toename in zowel dodelijke en niet-dodelijke vormen van huidkanker en staar bij de mens, evenals onvoorspelbare effecten op gewassen en natuurlijke gemeenschappen, met name de fytoplankton die verantwoordelijk is voor een groot deel van de primaire productie van de aarde.

Bij het bestuderen van de gevolgen van de aantasting van de ozonlaag, hebben ecologen veldexperimenten uitgevoerd waarbij ze filters gebruiken om UV-straling in het zonlicht te verlagen of te blokkeren. Één zo'n experiment, uitgevoerd op een scrubecosystem in de buurt van de punt van Zuid-Amerika, toonde aan dat wanneer het ozongat over het gebied uitstrekte, de hoeveelheid UV-straling dat de grond bereikte sterk toenam, waardoor meer DNA-schade in planten die niet waren beschermd door filters toenam. Wetenschappers hebben vergelijkbare DNA-schade aangetoond en een vermindering van fytoplankton groei wanneer het ozongat opent in de Zuidelijke Oceaan.

Het slechte nieuws over het ozongat heeft ervoor gezorgt dat veel landen er op hebben gereageerd. Sinds 1987 hebben ongeveer 190 landen, waaronder de Verenigde Staten, het Montreal Protocol getekend, een verdrag dat het gebruik van ozonafbrekende stoffen regelt. Veel landen, waaronder opnieuw de Verenigde Staten, hebben een einde aan de productie van CFK's gemaakt. Als gevolg van deze maatregelen hebben chloor concentraties in de stratosfeer zich gestabiliseerd en is de aantasting van de ozonlaag vertraagd. Zelfs als vandaag alle CFK's wereldwijd worden verboden, zouden chloor moleculen die zich al in de atmosfeer bevinden, ozon in de stratosfeer beïnvloeden gedurende ten minste 50 jaar.

De gedeeltelijke vernietiging van het ozonlaag schild van de aarde is nog een voorbeeld van hoe mensen in staat zijn geweest om de dynamiek van ecosystemen en de biosfeer te verstoren. Het wijst ook op ons vermogen om milieuproblemen op te lossen als we onze geest er op instellen.