curs 4 ecologie master 2010

7/25/2019 CURS 4 Ecologie Master 2010

http://slidepdf.com/reader/full/curs-4-ecologie-master-2010 1/17

Dinamica ecosistemelor naturale

Curs 4

DINAMICA ENERGETICĂ A ECOSISTEMELOR Sursele de energie în ecosistemele naturale sunt: energia electromagnetică aradiaţiilor solare şi energia chimică. Din totalul energiei incidente, circa 42% esteabsorbită de atmosferă şi apoi radiată în spaţiu sub formă de căldură şi 4% a!unge pesuprafaţa păm"ntului. Din această cantitate numai 2#% este absorbită de apă, sol sau$egetaţie, iar restul de #% este reflectată în spaţiu. nergia acumulată de plante subformă de substanţă organică se numeşte producţie primară. a repre&intă întreaga energieasimilată de plante în procesul fotosinte&ei. Din această energie o parte este folosită de plante pentru desfăşurarea proceselor metabolice proprii, e'teriori&ate prin respiraţia plantei. ( altă parte a energiei asimilate este acumulată sub formă de substanţă organică acelulelor şi ţesuturilor plantei, care repre&intă producţia primară netă. )ceasta, într*o

anumită cantitate de timp şi e'istentă la un moment dat se numeşte biomasă. +n afara producţiei primare, e'istă şi o producţie secundară, care repre&intă energia acumulată în biomasa animalelor şi care este o parte a energiei acumulate. ompar"nd cu plantele, producţia secundară este echi$alentă cu producţia primară netă a plantelor.

-lu'ul de energie al unui ecosistem poate fi determinat plec"nd de la trei moduride abordare: a/ cercetarea bugetului energetic al fiecărei populaţii componente0 b/anali&a flu'ului de energie prin unele lanţuri trofice0 c/ determinarea flu'ului de energie prin fiecare ni$el trofic, luat în ansamblu. )ceastă abordare nu reali&ea&ă preci&ia primelor două modalităţi în ceea ce pri$eşte cunoaşterea rolului energetic al populaţiilor sau a unor lanţuri trofice i&olate, dar poate asigura o estimare de ansamblu a roluluini$elurilor trofice în desfăşurarea flu'ului de energie prin ecosistem şi a bugetului

energetic al acestuia. S*a constatat că interacţiunea dintre habitat şi bioceno&ă e$oluea&ăspre un ma'im al flu'ului energetic şi că bioceno&a e$oluea&ă spre forme stabile cuacumularea unui fond important de energie şi informaţie. 1rin urmare de&$oltareaecosistemului este asigurată numai c"nd energia acumulată în bioceno&ă tinde spre $alorima'ime. )stfel, se poate spune că ecosistemul funcţionea&ă ca un laborator3 deacumulare şi transformare a energiei.

Substanţa minerală, pentru a de$eni componentă a materiei $ii $a fi supusă unui proces de ordonare care $a implica şi stocarea unei anumite cantităţi de energie. Sursa deenergie a plantelor o repre&intă energia radiantă solară pe care acestea o stochea&ă încombinaţii organice sub formă de energie chimică. nergia chimică trece de la unorganism la altul o dată cu hrana constituită din substanţe organice. nergia stocată însubstanţa organică nu mai poate fi recon$ertită în energie radiantă. e&ultă că aceeaşicuantă de lumină nu poate străbate de două ori un organism0 astfel, transferul energiei în bioceno&ă este diferit de transferul substanţei, în sensul că, la fiecare ni$el trofic, are loco pierdere de energie. e&ultă faptul că energia are un traiect, însoţit de pierderi entropicefig. 5*6/.

7ransferul de energie de*a lungul diferitelor lanţuri trofice decurge astfel:



a/ 1roducătorii primari captea&ă energia de la radiaţiile solare, energie pe care oabsorb la ni$elul clorofilei. ( parte din producţia brută se pierde prin respiraţie, ladispo&iţia celui de*al doilea ni$el trofic răm"n"nd producţia netă0

b/ ( parte a producţiei primare nete ser$eşte ca aliment animalelor erbi$oreconsumatori primari/ care, inger"nd*o, absorb cantitatea de energie constituti$ă a hranei.

nergia înglobată corespunde la ceea ce este real utili&at din producţia netă $egetală.ealaltă parte a producti$ităţii primare, care nu este utili&ată, $a repre&enta pradă pentru bacterii. -racţiunea a similată corespunde producţiei secundare şi ea repre&intă flu'ul deenergie care tra$ersea&ă ni$elul trofic al erbi$orelor0

c/ 1entru cel de*al treilea ni$el 8 ni$elul trofic al carni$orelor de ordinul 9consumatori secundari/ 8 flu'ul de energie este repre&entat de biomasa totală a producţiei secundare a erbi$orelor, din care se scade materia consumată prin respiraţie.

-lu'ul energiei prin ecosistem, respecti$ prin categoriiletrofice menţionate, se caracteri&ea&ă prin următoarelor legităţi 1"r$u, 2##/:

• 1roducţia netă scade de la ni$elul producătorilor la cel al consumatorilor, raportul

dintre ni$eluri fiind de ;#0• antitatea de energie eliminată prin respiraţie raportată la producţia brută creşte

de la ni$elul producătorilor primari spre cel al consumatorilor de rang mai înalt,dat fiind ni$elul e$oluti$ al speciilor0

• ficienţa utili&ării energiei hranei/ disponibile creşte de la ni$elul producătorilor primari spre cel al consumatorilor de ranguri mai înalte.

Sursa principală de energie a unui ecosistem este, după cum s*a mai spus, energiasolară prin radiaţia solară şi radiaţia termică, iar o sursă secundară este energia chimică

inclusă în diferite substanţe de bacteriile chemosinteti&ante. nergia care intră înecosistemele antropi&ate indiferent de forma sa deri$ă practic din energia solară, aspectce $a fi anali&at în detaliu în următoarele capitole. -lu'ul energetic unidirecţionalconstituie energia ecosistemului şi poate creşte numai pe ba&a intrărilor pro$enite dinradiaţiile solare, fenomen care respectă şi re&ultă din conlucrarea celor două legi de ba&ăale termodinamicii. onform primei legi, a conser$ării, energia se transformă continuu înecosistem, fără a fi creată sau distrusă $reodată. a însă poate fi măsurată şi $alorileobţinute pot fi prelucrate şi anali&ate, ţin"nd cont şi de a doua lege a termodinamicii.



Organizarea troficăSfera relaţiilor temporale care se stabilesc între componentele biosferei cuprinde o

mare $arietate de interacţiuni. 1rin importanţa pentru fiecare specie, dar şi pentrumenţinerea integrităţii sistemelor de pe ni$eluri ierarhice superioare se remarcă relaţiilelegate de prelucrarea hranei, respecti$ relaţiile trofice gr. trophos 8 hrană/. <ultitudineade specii care populea&ă uscatul şi mările poate fi reparti&ată în patru entităţi careconstituie tot at"tea compartimente fundamentale ale sistemului biosferei: producătorii primari, consumatorii primari, consumatorii secundari şi de rang superior, organisme careau funcţia de descompunere.

Sunt producători primari plantele autotrofe, plantele $er&i terestre, algele şifitoplanctonul din ape, care utili&ea&ă energia solară pentru fotosinte&ă în care elaborea&ăsubstanţele organice comple'e, pornind de la substanţe anorganice simple.

Să ne aducem aminte că funcţia fundamentală a fotosinte&eiconstă în producerea moleculelor de gluco&ă şi de o'igen, plec"ndde la dio'id de carbon şi apă, astfel:

5(2 = 5>2( ? 5>2(5 = 5(2 =@dio'id de carbon = apă ? gluco&ă = o'igen = căldurănergia necesară reali&ării acestei sinte&e este furni&ată de energia solară captată

de clorofilă şi alţi pigmenţi $egetali. Sunt consideraţi consumatori primari animalele care

se hrănesc pe seama producătorilor primari. )ceste erbi$ore produc şi ele materieorganică prin creştere şi de&$oltare, dar pentru aceasta ele depind, în totalitate, de materiaorganică sinteti&ată de plantele cu care se hrănesc. Sunt consumatori secundariorganismele carni$ore, respecti$ toate organismele care se hrănesc pe seama altor animale $ii producători secundari/. Se diferenţia&ă în această categorie consumatoriisecundari cei care se hrănesc cu erbi$ore/, consumatorii terţiari care se hrănesc cu cei precedenţi/ etc. +n realitate, multe specii nu se încadrea&ă uşor în această clasificare peni$ele trofice şi pot aparţine mai multor compartimente 8 consumatori primari şi



secundari specii omni$ore/, consumatori secundari şi terţiari specii de pradă sau para&iţii erbi$orelor şi carni$orelor/ etc.

Sunt organisme cu rol de descompunere ne$ertebratele, ciupercile, bacteriile carese hrănesc cu materia organică moartă 8 cada$re, e'creţii, e'cremente, resturi $egetaleetc.

lementele lipsite de $iaţă din biosferă pot fi grupate în două compartimentediferite: materie organică moartă şi elemente minerale fig. 4*/. ('igenul şi dio'idul decarbon, care inter$in în respiraţia tuturor fiinţelor cu e'cepţia microorganismelor anaerobe/ şi în fotosinte&a plantelor autototrofe, sunt pre&entate separat.

Di$ersele compartimente ale sistemului biosferei sunt legate prin transferuri desubstanţă şi energie. 1entru substanţă, trei procese fundamentale re&umă funcţionarea:

• procesul de producere, sinte&a materiei organice0• procesul de consum, ingestia materiei organice şi• procesul de descompunere sau de minerali&are, reciclarea materiei.

Producţia biocenozei comunităţii $ii, sau chiar a unui organism/ dintr*un

ecosistem repre&intă ansamblul proceselor de biosinte&ă a substanţei organice, iar înecosisteme producţia de substanţă organică poate fi di$i&ată în două categorii distincte: producţia primară şi secundară.

• Producţia primară este constituită în principal din contribuţia plantelor $er&iproducători primari/ prin intermediul fotosinte&ei, respecti$, producţie însubstanţă organică.

• Producţia secundară repre&intă, conform studiilor ecologice, prelucrareasubstanţei organice consumate de di$erse organisme heterotrofe erbi$ore,carni$ore, destructori/ în alţi produşi organici specifici organismelor în cau&ăca de e'emplu transformarea în &ooproduse ori fito*produse/ re&ultate ca biomasă din dinamica eco*fermelor. +n funcţie de luarea sau neluarea în calcul

a pierderilor datorate respiraţiei, producţia ecosistemelor at"t primară c"t şisecundară/ poate fi producţie brută sau netă.

• Producţia brută repre&intă cantitatea totală de substanţă organică produsă înunitatea de timp, care include şi cantitatea de substanţă organică pierdută în procesul de respiraţie.

• Producţia netă repre&intă cantitatea de substanţă organică acumulată în unitatede timp de o unitate $ie scă&"nd pierderile datorate respiraţiei. 1roducţia brutăşi netă este e'primată în unităţi gra$imetrice de biomasă, ori de substanţăuscată mg;g0 g;Ag etc./ sau în unităţi de măsurare a energiei calorii, ergi, !ouli/ corespun&ătoare energiei chimice potenţiale incluse în substanţeleorganice acumulate. onsiderăm că sunt aspecte care trebuie aprofundate înca&ul agrosistemelor.

• +n mod diferit faţă de producţie, productivitatea unui ecosistem trebuie să oînţelegem ca o capacitate de producţie, sau o posibilitate de producere asubstanţei organice într*o unitate de timp. Se constată că eficienţa diferitelor ni$eluri trofice ale unui ecosistem este felurită. (rganismele cu eficienţa ceamai mare sunt carni$orele B/, apoi erbi$orele şi numai în ultimul r"nd sunt plantele $er&i. 'plicaţia sumară, care ne*a şi determinat să alegem studiul de



ca&, ar fi că: spre deosebire de producătorii primari plantele $er&i/ carecheltuiesc o mare parte din energia absorbită în termoreglare, consumatorii dediferite categorii din ecosisteme erbi$ore, carni$ore/ au a$anta!ul specificorganismului e$oluat: menţinerea structurilor şi funcţiilor cu o cheltuială c"tmai redusă de energie posed"nd grade mai a$ansate de integrare homeostatică

at"t pe cale umorală, c"t şi ner$oasă (Pop, E., C56/, precum şi în pri$inţametabolismului specific şi al tran&itului digesti$ rapid şi de mare randament alcarni$orelor comparati$ cu celelalte specii din ni$eluri de ierarhi&areinferioare. i în acest ca& considerăm că aceste aspecte trebuie aprofundate.

Ciclurile bioeoc!i"ice)cti$itatea biochimică a sistemelor $ii se manifestă, în linii mari, prin reali&area,

în raport cu mediul, a două funcţii esenţiale: concentrarea (acumularea) şi dispersarea

selectivă a elementelor. )cumularea atomilor în organisme este, în general, independentăde proporţia acestora în mediul e'tern, ca un re&ultat al perfecţionării selecti$e a

metabolismului de*a lungul e$oluţiei. arbonul, a&otul, fosforul reali&ea&ă concentraţiimult mai mari în substanţa $ie dec"t în mediul încon!urător.)cumularea de către organisme a unor elemente este uneori proporţională cu

conţinutul lor în mediu, fenomenul a$"nd caracter de adaptabilitate, bine fi'at genetic,care conferă speciilor respecti$e a$anta!e competiti$e. )stfel, în unele medii organismeleconcentrea&ă elemente rare: algele brune 8 iod, brom, potasiu, p"nă la *2#% dincenuşă0 lichenii 8 cupru0 lintiţa Lemna trisluca/ 8 mangan0 plantele halofile Salicorniaerbacea/ acumulea&ă p"nă la #.% ioni de Ea=, l*, S(42*0 cele calcifile Sa!igrafa

aizoon/ acumulea&ă şi secretă ioni de a2=, iar animalele marine inferioare reali&ea&ă ocompo&iţie chimică generală similară cu cea a mediului e'tern.

)cumularea biogeochimică reali&ată de organisme în diferite perioade geologice a

a$ut ca efect formareadepozitelor sedimentare

, terestre sau marine, a unor &ăcăminteminerale. Făcămintele de petrol şi gaze naturale s*au format din materia organicătransformată, prin acti$itatea organismelor, în hidrocarburi. "osforitele s*au constituit dindepunerile marine ale fito* şi &ooplanctonului în protero&oic şi cambrian. #uanoul

pro$ine din de!ecţiile unor populaţii de păsări, iar salpetrul prin acumularea unor resturiorganice at"t pe continent, c"t şi în ba&ine oceanice.

fectul acumulării biogeochimice actuale de$ine e$ident în ca&ul unor metalegrele sau substanţe to'ice, a căror concentrare de*a lungul lanţurilor trofice poate de$eni periculoasă pentru consumatorii de ordin superior, inclusi$ pentru om. Dispersarea înmediu a elementelor este, în general, o funcţie dependentă de organismele mobile0acestea $ehiculea&ă la distanţe $ariabile de la locul absorbţiei atomii pe care îi pun înlibertate în urma proceselor de e'creţie sau după moarte prin descompunerea substanţelor care le alcătuiesc. 1ăsările migratoare transportă la mii de Ailometri elementele chimice.

1rin acti$itatea metabolică sau descompunerea cada$relor, biosfera împrăştie înatmosferă şi hidrosferă cantităţi importante de ga&e, estim"ndu*se că CG*CH% dinsubstanţa $ie se transformă, după moarte, în ga&e IernadsAi, C64/. ('igenul atmosfericeste, aproape în e'clusi$itate, re&ultat din fotosinte&ă. oncentraţiile de a&ot, dio'id decarbon se menţin constante ca urmare a acti$ităţii biosferei0 această acti$itate asigură nunumai absorbţia elementelor respecti$e, ci şi re$enirea lor în atmosferă.



Sub aspect cantitati$, materia $ie constituie biomasa estimată la 2 42C ' #C toneglobal, ceea ce repre&intă numai #.##% din masa crustei terestre.

$iomasa este formată din fitomasă şi &oomasă. ea mai mare pondere o arefitomasa pe uscat circa CC% din biomasa totală/, iar în ocean, ponderea acesteia este subG#%. +n sistemele $ii, elementele chimice participă la reali&area structurilor, a reacţiilor

chimice şi la ciclurile biogeochimice, în mod diferit în funcţie de proprietăţile lor. )stfel,carbonul are o $ite&ă mai mare de circulaţie dec"t a&otul, fosforul şi sulful, elemente care participă la formarea aci&ilor nucleici, proteinelor. iclul biogeochimic al unui elementrepre&intă etapele de transformare, fi&ică şi chimică, şi de transfer dintr*un în$elişgeografic în altul prin intermediul organismelor $ii.

+n organisme, au fost identificate circa G# de elemente chimice, diferenţiate prin participarea lor relati$ă la formarea substanţelor organice. ategoria cea mai importantă orepre&intă macroelementele, care contribuie cu peste CC%, fapt pentru care suntcunoscute şi sub denumirea de elemente biogene, fiind repre&entate de: carbon, hidrogen,o'igen, a&ot, fosfor, sulf. )cestora li se adaugă microelementele Ea, a, -e, )l, <g etc./şi ultramicroelementele )s, <o, Se etc./ importante mai ales sub raport calitati$,

funcţional. -iecare dintre elementele chimice se înglobea&ă într*un ciclu biogeochimicspecific, dar în continuare ne $om referi la circulaţia celor din prima categorie.

%iclul carbonului

irculaţia carbonului este str"ns legată de acti$itatea energetică a biosferei, reducerealui chimică la compuşii organici constituind modul principal de înmaga&inare şi transfer ale energiei de către sistemele $ii. iclul biogeochimic al carbonului rele$ă faptul că ceamai mare parte CG%/ din acest element se află depo&itat în litosferă, sub formă decarbonat de calciu şi alţi carbonaţi fig.nr. 4*2/, deci într*o formă mai puţin accesibilă.

1roducătorii primari consumă anual apro'imati$ #G miliarde tone de dio'id decarbon, din care 62 miliarde tone apro'imati$ 6#%/ se reîntorc relati$ repede în

atmosferă datoritărespiraţiei

aceloraşi organisme. ea mai mare contribuţie lareîntoarcerea dio'idului de carbon în atmosferă o au celelalte categorii de organisme, careelimină anual în atmosferă circa H6 miliarde tone Soran, Jorcea, CG/.



Dio'idul de carbon circulat prin organismele $egetale şi animale repre&intă circa#.2*#.6% din totalul uşor accesibil. Kn calcul simplu demonstrea&ă faptul că în actualulechilibru al ecosferei, punerea în circulaţie a întregului fond de re&er$ă a carbonuluiaccesibil $ieţii necesită între 6## şi G## de ani. )cest echilibru multimilenar este astă&i în pericol de a fi tulburat prin arderea în cantităţi tot mai mari a cărbunelui, a petrolului,

lemnului etc. icAlefs CH4/ aprecia&ă că, în momentul de faţă, princonsumareacombustibililor fosili, se elimină în atmosferă o cantitate de (2 echi$alentă cu 2% dinactualul fond de schimb al carbonului pe 7erra, ceea ce depăşeşte cu .H#*.HG%cantitatea de (2 consumată anual în fotosinte&ă de $egetaţie. 1rin acţiunile sale, omul aamorsat un proces de acumulare a dio'idului de carbon în atmosferă, ale cărui urmări în$iitor $or produce dereglări ma!ore. Din ecuaţia generală a fotosinte&ei şi a respiraţieire&ultă faptul că împlinirea ciclului biogeochimic al carbonului este intercondiţionată dedesfăşurarea sincronică a ciclului biogeochimic al o'igenului şi al apei fig. 4*6/.

%iclul o!igenului

e&er$a de o'igen molecular s*a constituit prin procese de suprafaţă, const"nd în

fotodisocierea chimică a apei sub acţiunea ra&elor ultra$iolete şi prin fotosinteza reali&atăde către plantele $er&i0 astfel, ciclul o'igenului se întrepătrunde str"ns cu cel alcarbonului şi hidrogenului.

ontribuţia fotosinte&ei actuale la îmbogăţirea atmosferei terestre, ţin"nd seamade cantitatea de dio'id de carbon fi'ată în biomasa $egetală re&ultată, trebuie să fie în !ur de 2.H ' # tone de o'igen, eliminate anual0 deci apro'imati$ de 24 de ori mai multdec"t întreaga masă de o'igen e'istentă în atmosfera terestră în perioada biogene&ei.



eciclarea biogeochimică a o'igenului durea&ă, apro'imati$, 2 G## de ani. educereacantităţii de o'igen în atmosferă în urma defrişării, ca re&ultat al unor acţiuni umanede&echilibrante, ar permite supra$ieţuirea omului cel mult un mileniu şi !umătate.Defrişarea pădurilor tropicale constituie un serios moti$ de nelinişte, a$"nd în $ederefaptul că acestea repre&intă principalul producător de o'igen, care dega!ă anual, prin

fotosinte&ă, o cantitate de GG.G ' #5 tone de o'igen. 1e de altă parte, în S.K.)., co$orul$egetal generea&ă doar 4#% din o'igenul consumat aici, restul pro$enind din ţările şioceanele în$ecinate. La ni$elul ecosistemelor ac$atice stagnante şi a celor oceanice saumarine, procesele de eutrofi&are determinate de afluenţa sporită de compuşi organici saunutriti$i a&ot şi fosfor/ pro$oacă de&echilibre care pot conduce la consumul integral alo'igenului di&ol$at şi, ulterior, la eliminarea organismelor aerobe.

%iclul azotuluiircuitul a&otului fig. 4*4/ este mult mai comple' dec"t al celorlalte elemente

biogene anali&ate p"nă acum0 acest ciclu este influenţat de re&er$a uriaşă de a&ot liber dinatmosferă.

-itofi&iologii împart ciclul biogeochimic al a&otului în două secţiuni:a/ ciclul mare, în care se utili&ea&ă şi se înscrie în circuit fondul uriaş de re&er$ă

circa HC% din atmosferă/ şi b/ ciclul mic, în care circulaţia a&otului se desfăşoară între organisme şi sol, fără

participarea fondului de re&er$ă. Sub acţiunea descărcărilor electrice sau a radiaţiilor ultra$iolete are loc, pornind de la E2 şi (2, formarea de o'i&i de a&ot care, odată cu

ploaia, sunt antrenaţi la sol. antitatea de a&ot astfel a!unsă la sol poate $aria între #.G şi5.# Ag;ha;an, fiind estimată la ni$el global la milioane t;an.1rin acţiunea organismelor fi'atoare de a&ot din sol &zotobacter , %lostridium

etc./ şi a celor simbionte pre&ente în nodo&ităţile de pe rădăcini 'isobium pentru Leguminosae, &ctinomces pentru &lnus/ sau de pe frun&e cobacterium rubiaceum la 'ubiaceae/, sunt transferate în biosferă sub formă de substanţă organică cantităţiconsiderabile de a&ot, apreciate la 44 milioane tone;an Jarbault, CCH/. -enomenul defi'are biologică are loc cu amploare mai redusă # milioane tone;an/ şi în mediul ac$atic



sau pe soluri umede, prin acti$itatea metabolică a unor alge albastre %anopta/.ompuşii organici ai microorganismelor sunt fie înglobaţi în lanţurile trofice aleecosistemului, fie minerali&aţi rapid după moartea acestora. +n contact cu rădăcinile plantelor, a&otul minerali&at, de obicei sub formă de a&otaţi, este absorbit şi transformatîn aminoaci&i, iar apoi în proteine ale plantelor superioare. )ceste proteine constituie

baza alimentaţiei a&otate a numeroşi consumatori, cum sunt animalele, planteleheterotrofe, microorganismele şi chiar omul. )&otul poate părăsi ciclul ecosistemelor terestre fiind transportat de r"uri în ocean 6# milioane tone ;an/0 aici, o parte este preluatde planctonul marin, intr"nd în lanţul prădătorilor, re$enind în circuit prin intermediul păsărilor guano/ şi mamiferelor sau prin denitrificare pe uscat. ea mai mare parte esteînsă acumulată în sedimentele profunde. Societatea agricolă inter$ine în circuitul a&otuluidin ecosistemele de cultură, e'portul de a&ot fiind compensat de către om prinîngrăşămintele naturale gunoi de gra!d, guano/ sau minerale sulfat de amoniu, a&otat deamoniu, îngrăşăminte comple'e etc./, acestea din urmă repre&ent"nd peste 4# milioanetone;an şi re&ult"nd din fi'area a&otului atmosferic, ceea ce contribuie la o creştere cu peste G#% a ratei globale de fi'are. fectele creşterii necontrolate a cantităţii de a&ot,

infiltrarea acestuia în straturile ac$ifere şi eutrofi&area apelor continentale rele$ă perturbările pro$ocate de de&echilibrul în circuitul a&otului şi în ciclul biogeochimic alcelorlalte elemente.

%iclul fosforului

1rincipalele re&er$e de fosfor sunt repre&entate prin roci de tipul apatitelor şidepo&itelor de guano, de animale fosili&ate. +n concentraţii diferite sunt dispersate petoată suprafaţa uscatului fig. 4*G/. Spre deosebire de o'igen, hidrogen şi a&ot, al căror fond de re&er$ă se află în atmosferă sau în hidrosferă, în ca&ul fosforului, fondul dere&er$ă se află în litosferă. 1rin descompunere şi spălare de către ape, rocile cedea&ăfosfor bioceno&elor din ecosistemele terestre. )bsorbit de către plante, fosforul intră în

alcătuirea compuşilor macroenergetici )71 * adeno&intrifosfat/ şi a aci&ilor nucleici,condiţion"nd desfăşurarea transferurilor de energie şi informaţie în sistemele $ii. 1rinintermediul lanţurilor trofice, compuşii fosforului sunt transferaţi animalelor consumatoare şi descompunătorilor.

omparaţia dintre masa biosferei #.%/ şi masa fosforului #.G%/ din scoarţaterestră sugerea&ă dependenţa directă a biosferei de cantitatea disponibilă de fosfor pe1ăm"nt. +n $irtutea legii minimului, fosforul apare ca factor limitati$ al biosferei, biomasa acesteia nu poate depăşi proporţia de fosfor disponibilă la ni$el global.



-osforul a!uns în oceane alimentea&ă fitoplanctonul de pe platformelecontinentale şi lanţurile trofice pe care le susţine acesta. 1rin intermediul păsărilor marineguano/ fosforul re$ine parţial. )cţiunea omului, prin fa$ori&area proceselor de ero&iune,restr"ngerea $egetaţiei naturale, utili&area unor cantităţi mari de îngrăşăminte fosfatice,

folosirea detergenţilor conduce la scurgerea fosforului spre oceane. Se estimea&ă că 6.Gmilioane tone de fosfor după >utchinson, CH/, chiar 2# milioane tone/ iau anualdrumul oceanelor, în timp ce numai # ### tone se reîntorc pe continente sub formă deguano şi 5# ### tone ca urmare a pescuitului, ceea ce nu compensea&ă pierderile.e&er$ele e'ploatate de fosfor, estimate la ## tone de rocă fosforică cu 4% >2(G/,locali&ate cu precădere în )frica de Eord şi centrală, )ustralia, Jra&ilia, 9ndia, usia,hina, Iietnam şi <ongolia dau siguranţa că epui&area nu $a a$ea loc imediat.

%iclul sulfului

ircuitul sulfului se aseamănă, în multe pri$inţe, cu cel al fosforului fig. 4*5/.Sulful parcurge un circuit acti$ sub formă redusă >2S/ sau o'idată S(2, S(42*/,

străbăt"nd cu intensitate $ariată toate în$elişurile e'terioare ale 1ăm"ntului. antitateaantrenată în acest circuit este e$aluată la G ' #5 tone Mellog, CH2/.

1unctul de plecare al ciclului îl constituie hidrogenul sulfurat care pro$ine din

substanţele organice ale fostelor $ieţuitoare fondul de schimb/ şi numai în mică măsurădin uriaşul fond de re&er$ă al planetei. 7o'icitatea dio'idului de sulf pentru organismeeste foarte mare. reşterea concentraţiei lui peste anumite limite admise, pune în pericol



$ieţile omeneşti, contribuind la uscarea, şi deteriorarea $egetaţiei pe suprafeţe mari în !urul surselor de poluare.reşterea consumului de combustibili fosili, a căror ardereeliberea&ă S(2, conduce la perturbări pe scară regională a acti$ităţii biosferei prin ploiacide. Satisfacerea necesităţilor economice de sulf se $a reali&a probabil şi după anul2G##, posibilităţile fiind legate de &ăcămintele nati$e de pirită şi de desulfurarea altor

resurse ga&e naturale, cărbuni etc./.%iclul metalelor biogene

icluri biogeochimice similare fosforului şi sulfului sunt proprii şi altor elementechimice M, Ea, <g, -e, <n, o, Fn, u/ care se află în compo&iţia oricărui organism.Datele oferite de geochimie şi biologia contemporană nu sunt însă în aceeaşi măsură de bogate pentru această categorie de elemente.

ro&iunea rocilor şi a solurilor este sursa principală din care pro$in elementelenutriti$e cum ar fi potasiul, calciul, fierul, magne&iul şi fosforul care pot fi preluate derădăcinile plantelor. Eroziunea mecanică este cau&ată de procese cum ar fi îngheţareaapelor şi creşterea rădăcinilor în cre$ase crăpături/. 7otuşi mult mai importante pentru

eliberarea elementelor nutriti$e sunt procesele de eroziune

alterare/ chimică. De oînsemnătate deosebită este carbonatarea, în care acidul carbonic reacţionea&ă cumineralele pentru a elibera ionii de calciu şi potasiu, de e'emplu:

• simpla di&ol$are a mineralelor în apă eliberea&ă substanţe nutriti$e din roci şidin sol.

• acelaşi re&ultat se obţine şi în urma reacţiilor de hidroli&ă care implică aci&iiorganici eliberaţi de rădăcinile plantelor, ciuperci sau licheni

9ntrările de calciu în ecosistem se mai reali&ea&ă prin descompunereaorganismelor moarte. )ccesibilitatea potasiului în plante şi bioceno&ă este influenţată dee'cesul de umiditate din sol. 1rin schimb cationic potasiul trece din soluţia solului încomple'ul adsorbiti$. )cesta se găseşte în sol sub formă de ioni M= care reacţionea&ă cu

anionii sulfat, a&otat şi formea&ă compuşi solubili ce sunt asimilaţi de microorganisme şi plantele superioare. 1otasiul este indispensabil $ieţii plantelor a$"nd următoarele funcţii:reali&ea&ă metabolismul substanţelor, stimulea&ă sinte&a proteinelor şi acti$area a 4# deen&ime, stimulea&ă sinte&a clorofilei şi intensitatea fotosinte&ei, translocarea substanţelor organice prin fotosinte&ă în alte organe, măreşte re&istenţa plantelor la ger şi bolicriptogamice, influenţea&ă po&iti$ producti$itatea primară. %alciul este esenţial pentrucreşterea şi funcţionarea $"rfului rădăcinilor, asigură echilibrul hidric celular,neutrali&ea&ă unii aci&i organici unii dintre ei fiind to'ici * acidul o'alic/, înlăturăacţiunea unor ioni în e'ces. Siliciul stimulea&ă procesul de creştere şi de re&istenţă.

esursele de elemente metalice $aria&ă în limite e'trem de largi, repre&ent"nd fiecomponente esenţiale ale masei terestre, fie concentraţii infime în alcătuirea acesteia.

Iolumul de cationi din organisme şi circulaţia acestora prin biosferă se limitea&ă lacantităţi reduse. le constituie însă elemente indispensabile $ieţii, prin rolul lor calitati$.liberarea cationilor din sistemele $ii are loc prin procesele de e'creţie sau prindescompunerea materiei organice moarte. +n mediul terestru, sursa principală de cationi biogeni este solul, apro$i&ionat permanent prin descompunerea rocii mamă0 în cel ac$aticcationii sunt pre&enţi, de regulă, în stare disociată şi apro$i&ionarea se face prinantrenarea acestor elemente din substratul mineral. 7ransportul cationilor pe întinse ariigeografice este cel mai adesea re&ultatul scurgerii apelor de suprafaţă, dar nu rareori şi al



curenţilor atmosferici. I"nturile transportă at"t la suprafaţa uscatului, c"t şi a oceanelor sau a solurilor uscate aerosoli sau pulberi bogate în elemente minerale. -urtunile dinSahara transportă spre uropa sau pădurile ecuatoriale cantităţi importante de elementenutriti$e.

%iclul apei)pa condiţionea&ă circulaţia biogeochimică a tuturor elementelor, inclu&"ndu*sefie în molecula ei o'igenul şi hidrogenul/, fie în dispersia altor elemente pe care letransportă. esursele totale de apă la ni$elul 7errei se estimea&ă la .45 miliarde Am6.4'# tone/, apa mărilor şi oceanelor totali&"nd .6 miliarde Am6 CH.2% din totalulglobal/, în timp ce resursele de apă dulce nu se ridică peste .6 milioane Am6 2.% dincantitatea totală/. alotele glaciare arctică şi antarctică înglobea&ă o cantitate mare de apădulce. La altitudini N G### de metri sunt pre&enţi $apori de apă în atmosferă, restul apeifiind repre&entat pe continente sau în litosferă tabelul nr. 4*/. )pa reali&ea&ă un ciclucomplet ca urmare a impactului energiei solare, parcurg"nd, prin intermediul unui ciclu

fizic toate în$elişurile e'terioare ale 1ăm"ntului. De asemenea, prin ciclul cimic, care

presupune descompunerea şi resinte&a moleculei din elementele componente, apa trecesuccesi$ din mediul organic în mediul anorganic. ele două cicluri se întrepătrundinseparabil în biosferă şi asigură transportul apei pe arii geografice întinse.

9I. )pa din organismele $ii 4## #.##nergia solară produce, la ni$elul oceanelor, o e$aporare anuală în !ur de 4## ###

Am6, iar la ni$elul continentelor de 5G ### Am6;an, apă care re$ine sub formă de precipitaţii. <ai mult de 6G ### Am6 din cei ## ### Am6 c"t repre&intă precipitaţiilecontinentale pro$in din ocean şi se reîntorc în aceasta prin apa flu$iilor 2G ### Am6/ sause infiltrea&ă în straturile ac$ifere # ###8G ### Am6/, reîntorc"ndu*se lent în mări şioceane c"nd rocile sunt saturate are loc, în acest mod, o trecere permanentă de apă prinatmosferă spre continente şi o re$enire a acesteia prin scurgeri în oceane, într*o perioadăestimată la #*2 &ile. Distribuţia cantităţii de precipitaţii constituie, alături detemperatură, unul din elementele esenţiale pentru edificarea tipurilor de climat pecontinente: e'istă regiuni cu plu$io&itate pe tot parcursul anului ###82 ### mm;an/, încontrast cu cele lipsite de precipitaţii sau cu o alternanţă a anotimpurilor ploios şi secetos.



1rin $egetaţie, biosfera inter$ine în ciclul apei la ni$elul continentelor. o$orul $egetalinterceptea&ă şi e$aporă în atmosferă o parte din precipitaţiile că&ute, înainte ca acesteasă a!ungă la ni$elul solului. +n &ona temperată, fracţiunea aceasta poate a!unge, în păduri, p"nă la 2G% din total. 1roporţii însemnate de apă sunt reţinute în litieră, substanţeorganice moarte, împiedic"nd infiltrarea în p"n&ele subterane din subteran sau scurgerea

rapidă prin cursurile de suprafaţă. )pa din straturile superficiale este absorbită de cătrerădăcinile plantelor şi este eliminată prin transpiraţie în atmosferă sau se e$aporă directdin sol. antitatea apei re$enită în felul acesta în atmosferă, repre&ent"ndevapotranspiraţia, este estimată, pentru regiunile temperate la 6 ###*H ### t;ha.

La o cantitate medie anuală de precipitaţii de H mm, cum este ca&ul Oermaniei,s*a calculat că mai mult de !umătate 4#4 mm/ se reîntorc în atmosferă, o partesemnificati$ă %/ re$enind prin transpiraţia plantelor. antitatea de apă infiltrată în solcare depăşeşte capacitatea sa ma'imă de reţinere se scurge în p"n +n biotopuri cuumiditate mare, organismele numite idrofile rogo&uri, amfibieni/ utili&ea&ă cantităţisporite de apă. +n biotopurile cu umiditate redusă, organismele !erofile îşi perfecţionea&ă bilanţul hidric, reduc"ndu*şi pierderile de apă prin îngroşarea cuticulei frun&ele de

leandru/ sau tegumentului reptile, insecte/0 de&$oltarea la plante a unor ţesuturi ac$ifereiarba sur&ilor, aga$e/0 locali&area internă a organelor respiratorii mamifere/0 reducereacantităţii de apă din de!ecţii antilope, păsări/0 prin utili&area apei metabolice obţinute prin transformarea altor substanţe g"ndacul de făină, dromaderul/ sau prin adaptărietologice care pri$esc micşorarea ritmului $ital în perioada de ma'imă uscăciuneanimalele de deşert/. +ntre cele două e'treme, organismele mezofile pre&intă unmetabolism adaptat alimentării moderate cu apă. 9nter$enţia omului în circulaţia globală aapei este directă sau indirectă. )cumularea apei în lacuri de bara! artificial, irigaţiile,utili&area industrială, defrişarea influenţea&ă bilanţul apei în sensul accelerării sauîncetinirii $ite&ei de reciclare.

%iclul materiei bioinerte

<ateria bioinertă este o materie specială 8 nici $ie, nici moartă. Eu este o materie$ie pentru că nu are, ca întreg, proprietăţile biologice ale sistemelor $ii. Eu este inertăîntruc"t este îmbibată cu organisme $ii. 'istă mai multe tipuri de materie bioinertă: sol,m"l, scoarţă de ero&iune, apă freatică etc. Solul. epre&intă re&ultatul interacţiunii dintreroca mamă, $egetaţie, microfloră şi microfaună. Sub aspect ecologic, solul poate ficonsiderat pătura superficială a scoarţei unde se de&$oltă plantele şi este mediul de $iaţăal insectelor, microorganismelor, organismelor hipogee. +n perspecti$a teoriei sistemice,solul este un subsistem al ecosistemului terestru, un pedosistem, alcătuit din corp fi&icsolid, lichide, ga&e, fiinţe $ii. Solul este structurat pe mai multe ni$eluri: molecule şi ioni0 particule elementare de sol0 agregate de sol0 ori&onturi de sol, tipuri de sol. 1rinmicrofloră solul acţionea&ă ca reglator al dinamicii elementelor chimice, reali&"ndurmătoarele funcţii biogeochimice: Stugren, CC4/

• descompunerea necromasei datorată en&imelor produse de bacteriile din sol0• minerali&area fosforului organic prin intermediul microflorei şi a plantelor

superioare0• minerali&area a&otului, migraţia atomilor de a&ot în sol prin intermediul

lumbricidelor0• acumularea de macro şi microelemente în materia organică.



<"lul. ste alcătuit din particule solide şi coloidale, bogat în bacterii şi necromasă. lse formea&ă prin depo&itarea particulelor sedimentare în ba&inul ac$atic. )cumulareaunor microelemente în urma acţiunii unor bacterii, în condiţii anaerobe, prin degradareamateriei organice moarte în m"lul submarin se deosebeşte de acumulările biogeochimicedin m"lul lacului, aici ele fiind mult mai rapide. &a freatică unde răm"ne mult timp sau

re$ine la suprafaţă sub formă de i&$oare. oncentraţia de apă din mediu induce laorganisme modificări morfo*fi&iologice specifice, astfel înc"t ele de$in capabile săregle&e flu'ul de apă care le străbate. Jilanţul de apă al organismelor terestre sereali&ea&ă printr*un permanent echilibru dinamic între aportul şi pierderea de apă.

<ateria organică tehnogenă. ( serie de compuşi organici produşi de industriachimică, mai ales pesticidele, sunt integraţi în ciclurile materiei din biosferă, a!ung"nd însoluri, co$or $egetal, animale etc. )ceşti compuşi perturbă procesele ecologice at"t pe plan local, c"t şi pe plan continental sau planetar, prin acumularea şi concentrarea lor înmateria $ie.

$ioconcentrarea **+ului-olosirea insecticidului DD7, în agricultură, c"t şi pentru pre$enirea bolilor transmisede insecte a condus la un impact generali&at la ni$elul biosferei. oncentraţia de DD7creşte pe ni$eluri trofice superioare, unde se produc şi efectele secundare. )cest fenomeneste deosebit de periculos pentru $iaţa din ori&onturile superioare ale mării, unde sedesfăşoară fotosinte&a algelor 8 inhibată de DD7. +n lacuri, DD7*ul se acumulea&ă în m"lşi apoi migrea&ă, prin lanţurile trofice, spre suprafaţă. ăm"n"nd multă $reme în sol, eisunt capabili să pro$oace transformări structurale şi funcţionale în terenurile agricole.7ransportul unor substanţe, fie prin infiltrarea lor în sol, în straturile ac$ifere, fie prinintermediul curenţilor face ca acestea să a!ungă la mari distanţe faţă de locul unde au fostutili&ate de e'emplu, p"nă în 9slanda, )ntilele <ici, )ntarctica, <area Sudului etc./.

Di$erse ecosisteme reţin cantităţi mici din acestea.%irculaţia energiei -n biosferă

+n condiţii naturale, organismele nu e'istă în mod i&olat. le formea&ă sistemecomple'e, organi&ate pe mai multe ni$eluri: populaţie, bioceno&ă, habitat, biotop,ecosistem, biom etc. )cti$itatea sistemelor $ii este integral susţinută de flu'ul de energiesolară care se re$arsă asupra 1ăm"ntului. Din cantitatea totală, 2;6 străbate atmosfera, ;6fiind reflectată în spaţiul cosmic. antitatea interceptată într*un an este de ordinul a G '#2# Acal .HG ' #H P/, ceea ce înseamnă la latitudinile medii un impact de C*#miliarde Acal;ha;an. )ceastă energie se reparti&ea&ă inegal, pe continente .4 ' #2# Acal,iar pe întinsul oceanelor 6.5 ' #2# Acal. Suprafeţele cu $egetaţie absorb energie în proporţie mai mare dec"t cele fără $egetaţie. 1entru o $egetaţie densă din &ona temperatăH% din radiaţia solară este reflectată, H#% absorbită de $egetaţie şi 6% transmisă de eaîn sol. Fonele climatice au impus răsp"ndirea speciilor în funcţie de cerinţele lor faţă detemperatură, determin"nd aceeaşi &onalitate latitudinală şi altitudinală a biosferei.

Econo"ia bios#erei Energia termică contribuie direct la desfăşurarea proceselor fi&iologice cum sunt:

fotosinte&a, respiraţia, transpiraţia, creşterea şi de&$oltarea, determin"ndu*le intensitatea,



dar şi indirect, modific"nd acţiunea altor factori ecologici, de care acestea depind. Dinfracţiunea de energie radiantă incidentă pe plante mare parte este fie reflectată de frun&e,fie transmisă, fie absorbită sub formă de căldură, astfel că numai % din ea este efecti$stocată în biomasa vegetală. aptarea de energie solară de către plantele terestre şiac$atice permite sinte&a anuală a apro'imati$ .H ' # tone de materie organică, în ale

cărei legături chimice este stocată o energie de circa 2.G ' #2 !ouli, ceea ce echi$alea&ăcu de / de ori consumul mondial actual de combustibili fosili . ( parte din energia fi'atăde producătorii primari este consumată prin respiraţie, iar energia stocată disponibilă estedestinată altor componente ale biosferei. Lumina, temperatura, apa, elementele nutriti$econstituie principalii factori ai biotopului de care depinde producti$itatea într*unecosistem, producti$itate care are o distribuţie neuniformă Du$ignaud, CH5/. <ărilead"nci şi terenurile aride au o ba&ă producti$ă slabă, de #.G ' #5 cal;m2;an, uneori maimică de #. ' #5 cal;m2;an. -ormaţiunile ierboase stepele, preeriile/, mările mărginaşe,lacurile ad"nci, pădurile scunde, pădurile de pe solurile uscate şi culturile e'tensi$e au o producti$itate de #.G*4.# ' #5 cal;m2;an în medie, ' #5 cal;m2;an/. 1ădurile şi pa!iştile me&ofile, lacurile puţin ad"nci şi ogoarele cu culturi permanente au o

producti$itate de 4*2 ' #5 cal;m2;an. 1ădurile ecuatoriale, c"mpurile cu culturiintensi$e tropicale banane, trestie de &ahăr/, formaţiunile alu$iale din &ona estuarelor,deltelor, recifelor coraligene au o producti$itate de p"nă la #*6# ' #5 cal;m2;an tabelulnr. 4*2/. Se aprecia&ă drept capacitate ma'imă pentru producti$itatea primară într*unecosistem ni$elul de 6#*4# ' #5 cal;m2;an, ca urmare a concentrării factorilor limitati$iai procesului de fotosinte&ă. andamentul reali&at în con$ersia energiei solare de cătreecosisteme atinge, chiar în condiţii optime de cultură şi &ile fa$orabile de $ară, doar 2%din radiaţia luminoasă fotosintetic acti$ă sau de 4*G% din radiaţia solară incidentă Lieth,CH2/. +n medie, raportată la energia solară anuală, eficacitatea fotosinte&ei frapea&ă prin$alorile şi mai reduse de .2% în păduri, #.55% în culturi şi în pa!işti, #.6% în tundră,#.#5% în deşert. Din cantitatea de energie solară incidentă, numai /.01 la ni$elul

ecosistemelorterestre

şi/.21

la ni$elul ecosistemeloroceanice

şi între #.G*#.% lani$elul întregii biosfere, este con$ertită şi stocată în compuşi organici.)nual, a fost estimată a fi sinteti&ată, la ni$elul biosferei o cantitate de GG.2 '

## tone de materie organică, echi$alentă cu o cantitate de energie fi'ată de 55.C '# Acal tabelul nr.4*2/. Dacă se ia în considerare faptul că producţia anuală totală aindustriilor chimică, metalurgică şi minieră este de ordinul a C ' ## tone, iar producţiaanuală de energie atinge doar #.G2G ' # Acal, adică, în medie, doar C% din energiasolară con$ertită şi stocată de plante, apare pregnant faptul că fotosinte&a constituie cel

mai grandios proces de transformare energetică de pe +erra. Deşi randamentulfotosinte&ei pe terenurile agricole este de peste # ori mai mare dec"t eficienţa globală a biosferei, citată anterior, la r"ndul său este de peste # ori mai mică dec"t randamentulcare poate fi obţinut în laborator. fig. 4*H/.



.

7ransferul de energie de la un organism la altul, respecti$ de la un ni$el trofic laalt ni$el se reali&ea&ă, în toate ca&urile, concomitent cu transformarea energiei libereinclusă în structuri organice ordonate, la forme !oase de energie care se răsp"ndeşte înmediu ca energie legată, fără a mai putea fi utili&ată de către sistemele $iiQ.C )stfel,funcţionarea ecosistemelor şi, la ni$el global, a întregii biosfere, este condiţionată de



intrarea energetică permanentă din e'terior, astfel că circulaţia energiei prin biosferă areun e$ident caracter aciclic fig. 4*/. andamentul transferului energetic de la un ni$eltrofic inferior la altul superior este admis în !urul $alorii de #%. Din energia acumulatăde plantele consumate, erbi$orele utili&ea&ă în !ur de #%, iar carni$orele de ordinul 9doar #% din energia conţinută de erbi$orele consumate. hiar şi în ca&ul unor animale

domestice, prin ameliorarea raselor s*au obţinut randamente de con$ersie de p"nă la 2331, $aloare totuşi redusă. +n cadrul ecosistemelor tinere ale biosferei, din &oneleneîmpădurite, înierbate sau cele agricole, bilanţul energetic este po&iti$. 1rocesele defi'are a energiei le depăşesc pe cele de degradare, determin"nd o creştere a stoculuienergetic o dată cu creşterea biomasei din ecosistem. +n ecosistemele aflate în stare declima', se stabileşte un echilibru între acti$itatea producătorilor şi a consumatorilor,astfel înc"t cantitatea de energie fi'ată se eliberea&ă, fiind utili&ată în reali&area circulaţiei biogeochimice a elementelor. Scurgerea energiei se face în flu' continuu prin bioceno&aal cărei stoc energetic răm"ne $reme îndelungată constant, la $alori caracteristice, printr*oreglare comple'ă de tip feed*bacA. <ărirea consumurilor energetice peste posibilităţile defi'are ale producătorilor determină prăbuşirea ecosistemului, urmată, în mod natural, de

instalarea şi e$oluţia unui nou ecosistem.Q +n $"rful piramidei trofice a întregii biosfere sesituea&ă specia umană, care domină celelalte specii. Simpla e!istenţă a speciei umane

este indisolubil legată de producătorii primari ai biosferei, singurii capabili să genere&eun surplus de materie organică, respecti$ energie liberă. Knitatea naturală fundamentală a biosferei reali&ea&ă o corespondenţă între biotop şi bioceno&e. 1rin acti$itatea sa permanentă, omul poate să conser$e sau să de&echilibre&e producătorii primari ai biosferei, contribuind, totodată, la oscilarea stocului de energie care, în momentuldiminuării, poate duce la dispariţia unor specii şi, astfel, la manifestarea unor disfuncţionalităţi.

curs 4 ecologie master 2010

Documents