Ekologické faktory rostlinné
produkce
Ing. Petr Konvalina, Ph.D.
Základ fungování ekosystémů
Hmota
pro stavbu těla a růst
obíhá ekosystémy v cyklech – „biogeochemické
cykly“
Energie
pro metabolismus, růst a vnější aktivity (vůči
ostatním organismům a prostředí)
ekosystémem pouze proteče – „tok energie“
Agroekosystém
Komplex hospodářsky významných organismů a
prostředí, vzájemně propojených množstvím vazeb
uvnitř i navenek, ovlivňovaný člověkem za účelem
získání zemědělské produkce.
Agroekologie
Nauka o interakcích (vztazích) mezi hospodářsky
významnými organismy a prostředím v
zemědělských využívaných (produkčních)
ekosystémech (agroekosystémech)
Schéma energomateriálových toků
v agroekosystému
Struktura agroekosystému
Neživé (abiotické) složky – „biofyzikální prostředí“
Živé (biotické) složky
hospodářsky významné organismy
asociované organismy
člověk
Vzájemné interakce
Biotické složky agroekosystémů
Produkční organismy
získané procesem domestikace
vysoká výkonnost
požadované fyziologické a biochemické vlastnosti
vyšší nároky na úroveň produkčních faktorů
snížení odolnosti negativním vlivům prostředí
Biotické složky agroekosystémů
Asociované organismy
škodlivé
plevele, choroby, škůdci
nutnost jejich regulace pod hranici škodlivosti
užitečné (beneficiální)
půdní biota – detrivoři, fixátoři N, ...
predátoři škůdců
hostitelské rostliny predátorů
indiferentní
zvyšující agrodiverzitu
posilující trofické sítě
Biotické složky agroekosystémů
Člověk
produkční funkce
určuje strukturu a fungování agroekosystémů
omezuje negativní působení abiotických faktorů prostředí
reguluje výskyt nežádoucích organismů
zasahuje do biogeochemických cyklů (posiluje, otevírá)
mimoprodukční funkce
tvorba kulturní krajiny
sociální funkce
ochrana přírodních zdrojů?
Funkce agroekosystému
Vnitřní
materiálové a energetické toky mezi jednotlivými
prvky = zajištění funkčnosti
Vnější
zeměděská produkce = materiálové a energetické
zdroje pro lidskou potřebu
Vlastnosti agroekosystémů
cílená selekce (výběr) organismů – výběr
produkčních organismů a potlačování škodlivých =
snížená druhová pestrost (ochuzení, pauperizace)
Vlastnosti agroekosystémů
otevírání a zesilování materiálových toků –odběr
hospodářským výnosem x nutnost doplňování živin,
vkladu práce, energie, ...
regulace člověkem z vnějšku – oproti autoregulaci v
přirozených ekosystémech
ovlivňování abiotických faktorů prostředí
cílené a opakované udržování ekosystému v
juvenilní fázi sukcese – „antropogenní disklimax“
Klasifikace ekologických faktorů
Podle stupně cykličnosti:
primárně periodické faktory
sekundárně periodické faktory
neperiodické faktory
Podle vlivu na evoluční procesy:
morfoplastické faktory – vnější struktura
fyzioplastické faktory – životní pochody
etoplastické faktory - chování
Podmínky a zdroje
Zdroj
spotřebováván či transformován (živiny, kořist,
radiace, kyslík, ...)
Podmínka
vyjadřují stav prostředí, bývají proměnlivé
ovlivňují (modifikuje) životní pochody (teplota,
intenzita radiace, vlhkost vzduchu, ...
Shelfordův zákon tolerance
Každý organismus toleruje pouze určité rozmezí
působení ekologických faktorů.
Rozpětí (interval) mezi horní a dolní mezí tolerance
Liebigův zákon minima
Růst rostlin je limitován faktorem, který je v minimu a
z tohoto důvodu nemohou být v plné míře využity
ostatní zdroje, přestože by jich byl dostatek
Ekologické faktory z hlediska
adaptace organismů
slunce – voda - živiny
Hlavní faktory prostředí
Sluneční radiace (sluneční záření, teplota)
Voda
Živiny (minerální výživa a půdní reakce)
Sluneční radiace
Sluneční záření
Teplota
Proměnlivost záření jako zdroje x
charakter fotosyntetického aparátu
Pravidelná proměnlivost v přísunu záření
denní a roční rytmy (střídání období nasycení a
nedostatku) – kromě pólů, resp. rovníku
důsledky – pohyby listů, opadávání, tvorba různého
typu listů v průběhu ontogeneze ...
Nepravidelná proměnlivost
zastínění oblaky, jinými listy, ...
důsledky – patrovitost s rozdílným postavením nebo
morfologií listů, heterofýlie, ...
Pasivní charakter rostlin:
Nemožnost rychlého přizpůsobení se architektury a
morfologie uvedeným změnám – vznik zón
vyčerpání zdroje (resouce depletion zone – RDZ)
Fotosyntéza
Fotochemický proces, při kterém dochází k přeměně
energie fotonových kvant na energii chemických
vazeb organických sloučenin.
Zelené rostliny, sinice – tvorba primární produkce
ekosystémů
Fotosyntéza
Fáze světelná = transformace energie
fotosystém II a I
elektronový tok
fotolýza vody a vznik kyslíku a protonů (Hillova
reakce)
syntéza NADPH a ATP
Fáze temnostní – syntéza sacharidů v Calvinově cyklu
karboxylace
redukce
regenerace
Proces fotosyntézy
Základní rovnice fotosyntézy:
6 CO2 + 12 H2O + energie → C6H1206 + 6O2 + 6 H2O
Fotosyntéza typu C3
Fotosyntéza typu C4
Fotosyntéza typu CAM
Fotosyntéza typu C3
první produkt asimilace kyselina fosfoglycerová (3
atomy uhlíku)
vznik asimilatů za účasti enzymu rubisco (ribulóza
1,5 bifosfát karboxyláza / oxygenáza
celý proces se odehrává v 1 buňce
Hlavní zástupci
většina dvouděložných rostlin
pšenice, žito, jílek, srha, bob, fazol, jetel, vojtěška,
dub, buk, bříza, borovice
Fotosyntéza typu C4
první produkt asimilace oxaloacetát (4 atomy uhlíku)
vznik asimilatů za účasti enzymu PEPs
(fosfoenolpyruvát karboxyláza)
asimiláty transportovány do pochev cévních svazků
nutnost transportu mimo buňku
odštěpení CO2 a zabudování v Calvinově cyklu
Hlavní zástupci
převážně teplomilné trávy (1/2 druhů z celkem 10
tis.)
kukuřice, cukrová třtina, proso, čirok, ježatka, bér,
laskavec, šrucha
Fotosyntéza typu CAM
= Crassulacean Acid Metabolism
Hlavní zástupci – sukulenty a epifyty
Diurnální a sezónní proměnlivost
záření
Zelené rostliny musí čelit střídání období nadbytku a
nedostatku světla během dne (s výjimkou polárních
oblastí) a během roku (s výjimkou tropů).
Stromy temperátních oblastí shazují listy v zimě,
přitom u rostlin v podrostu může být zima z hlediska
světelného požitku nejlepším obdobím (viz jarní lesní
heliofyty a vždyzelené druhy v podrostu).
Rychlost fotosyntézy je největší u listů, které žijí
nejkratší dobu (např. jednoletky) a nejmenší u listů
dlouho žijících (mediteránní vždyzelené dřeviny,
jehličnany).
Teplota
Základní podmínka životních pochodů
Teplota zpravidla určuje, zda organismus může začít
individuální vývoj
Suma efektivních teplot ovlivňuje individuální vývoj –
dosažení vývojových stádií
Některé organismy potřebují období nízkých
teplot (vernalizaci) pro nástup do generativní
fáze (ozimé/jarní obilniny apod.)
Teplotní extrémy - ektotermní
Vysoké teploty
max. zpravidla 50 °C
ochlazování transpirací
morfologicky – chlupaté listy, trny, vosková vrstva
Nízké teploty
tvorba krystalů, poškození membrán
akumulace roztoků s nízkým bodem tuhnutí
tolerance k mrazu se mění v průběhu ontogeneze
Voda
Podíl vody v rostlinných pletivech 85-90%
Voda je polárním rozpouštědlem s řadou unikátních
chemických a fyzikálních vlastností, které je
prostředím pro řadu klíčových biologických procesů v
rostlinách
Voda - zdroje
Vertikální srážky (déšť)
Horizontální srážky (mlha, rosa,….)
Roční úhrny dle podmínek prostředí 0-6000 mm za
rok
Voda - ztráty
Voda se z prostředí ztrácí
Zachytávání vody v porostu = intercepce
Vypařování vody z povrchu = evaporace
Ztráta vody v procesu dýchání a fotosyntézy =
transpirace
Z povrchu pozemku srážky odtékají v podobě
povrchového odtoku
Vsáklé srážky v půdě mohou být součástí
podpovrchového odtoku
Voda
Důležitá je distribuce srážek během roku
(rovnoměrné srážky v tzv. oceánickém typu klimatu,
nerovnoměrné v kontinentálním typu klimatu)
Je-li výdej vody během dne vyšší než její příjem =
vodní deficit = pletiva mají snížený turgor a rostlina
vadne
Přítomnost vody má pro rostliny význam v tzv.
kritických fázích: obilniny – sloupkování, metání,
kukuřice – kvetení, brambory – kvetení a vytváření
hlíz,…..
Voda - deficit
Nedostatek vody má za následek
změny ve fyziologických
procesech (snížení intenzity
růstových procesů, potlačení
procesu klíčení, omezení
translokace metabolitů)
Voda - spotřeba
Podstatné je množství vyprodukované sušiny ke
spotřebované vodě = transpirační koeficient
C3 rostliny
Transpirační koeficient (l/kg)
Obilniny
500-650
luštěniny
700-800
Brambory a řepa
400-650
slunečnice
280-670
C4 rostliny
Kukuřice
260-320
CAM rostliny
50-100
Rostliny dle nároků na vodu
Náročné: trvalé travní porosty, cukrovka, brambory,
kukuřice na zrno (za vegetací 380-400 mm)
Středně náročné na vodu: obilniny, rané brambory,
luskoviny, olejniny (za vegetací 200-250 mm)
Málo náročné: ozimé a jarní směsky nebo cizrna
(za vegetací 180-200 mm)
Půdní reakce (pH)
Půdní reakce (pH)
Koncentrace vodíkových iontů v půdě (pH =
rovnováha mezi látkami, které mají schopnost
tyto ionty poutat nebo uvolňovat)
Ovlivnění zvětráváním (uvolňování zásaditých iontů),
rozklad rostlin – vznik organických kyselin, vliv
dýchání apod.
Vliv srážek na pH – v oblastech s dostatkem srážek
je vyšší acidita při povrchu, v suchých oblastech
vyšší acidita v hlubších vrstvách
Vliv reliéfu terénu (nejvyšší pH na úpatí svahů)
Půdní reakce (pH)
pH ovlivňuje rychlost dekompozičních procesů v půdě
(v kyselém pH klesá)
Každý druh má své optimum – hodnota pH je
rozhodující především pro příjem minerálních látek z
půdy
V Evropě rostliny neutrofilní (optimum mírně pod pH 7)
Př: vojtěška, cukrovka, ječmen – neutrální až slabě
alkalická reakce optimální), brambory, žito, oves spíše
slabě kyselé pH.
Výživa rostlin
Role hlavních živin
Minerální výživa
Podíl minerálních látek v popelu rostlin je 3-8% (až
20%)
Makroelementy: N, K, Ca, Mg, P, S
Mikroelementy: Cl, B, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo
Další živiny: Si, Na, Al, Sr, Pb, Ni, Co
98% živin je v odpadu, humusu, anorganických
sloučeninách nebo minerálech = pro rostliny nejsou
přímo využitelné
2% živin je vázána na půdní koloidní částice
0,2% je rozpuštěno v půdním roztoku
Minerální výživa – příjem živin
Kořenovými buňkami proti koncetračnímu spádu,
buňky preferují ionty, které potřebují.
Při nedostatku živin vznikají charakteristické
příznaky (poruchy růstu, barevné změny, …)
Hlavní živiny v agroekosystému - N
Dusík
Největší význam mají ionty dusičnanové (NO3-) a
amonné (NH4+)
Při mikrobiálním rozkladu organické hmoty se
prvotně do půdy uvolňuje amoniak (NH3), který ve
vodním prostředí přechází na amonný iont, který je
pak poután organominerálním komplexem) = nutnost
rychlého zapravení organické hmoty
N je součástí humusu (přístupná zásobárna)
43
Výživa rostlin a hnojení v EZ
© Petr Konvalina, 2011
Možnosti ztrát dusíku
Denitrifikace – komplex denitrifikačních bakterií redukuje
dusičnany na níže oxidované plynné produkty, které
unikají do ovzduší (podporuje ji dostatek organické hmoty
v půdě ve vrstvách s nižším obsahem kyslíku = utužení a
špatná aerace půdy)
Odčerpávání amonných iontů z půdy bakteriemi, které je
oxidují a nitrifikují až na dusičnanový dusík = při přebytku
je vyplaven do spodních vod
44
Výživa rostlin a hnojení v EZ
© Petr Konvalina, 2011
Hlavní živiny v agroekosystému - P
Fosfor
V půdě je v anorganických a organických formách
Anorganické zdroje
Sloučeniny s Ca (apatity, mono a dikalcium fosfáty)
Organické zdroje (50% celkového P)
Inositolfosfáty (10-50% Porg)
Nukleové kyseliny – DNA, RNA (0,2-2,5% Porg)
Fosfolipidy (0,2-2,5% Porg)
45
Výživa rostlin a hnojení v EZ
© Petr Konvalina, 2011
Hlavní živiny v agroekosystému - P
Přítomnost fosforu pro rostliny je ovlivňována pH
(optimum 6-7), přítomností minerálů s obsahem Fe, Al,
Mg, Ca, množstvím organické hmoty a aktivitou
mikroorganismů
Ke zpřístupňování P z organických vazeb dochází
pomocí mikrobiální mineralizace
Z hektaru půdy odčerpávají plodiny 20-30 kg fosforu
ročně. Náhrada organickými hnojivy je nedostačující
vzhledem k malému obsahu fosforu v nich a obtížné
přeměně na přijatelné formy
Obsah fosforu v rostlinných zbytcích je relativně nízký.
46
Hlavní živiny v agroekosystému - P
Fosfor společně s dusíkem jsou hlavními živinami
podílejícími se ne tzv. eutrofizaci = přesycení prostředí N
a P (na eutrofizovaných plochách začnou převládat jen
některé rostlinné druhy – kopřivy, merlíky, …jílek
mnohokvětý, šťovík alpský…)
Na vodních plochách rozvoj sinic – tzv. vodní květ
47
Hlavní živiny v agroekosystému - K
Draslík
Průměrný obsah v půdě je kolem 1,3%
Tři základní formy:
1. Relativně nepřístupný K (90-98%), v živcích, slídách
2. Snadno přístupný K (1-2%), je jednak v půdním roztoku
a také jako výměnný K absorbovaný na koloidních
površích
3. Pomalu přístupné formy, K je pevně fixován půdními
koloidy
48
Výživa rostlin a hnojení v EZ
© Petr Konvalina, 2011
Hlavní živiny v agroekosystému – Ca, Mg
Mg
obsažen v chlorofilu (aktivace enzymatických pochodů a
ovlivňování metabolismu sacharidů, lipidů, nukleových
kyselin
Ca
význam při tvorbě optimálních fyzikálních, fyzikálněchemických a biologických vlastností půdy
Zdrojem těchto prvků jsou uhličitany
Vysoký obsah je v rendzinách a černozemích
49
Hlavní živiny v agroekosystému – Na
Jednomocné kationty draslíku a sodíku
spolupůsobí při úpravě buněčného prostředí –
reakce (snížení kyselosti), osmotického tlaku,
elektrické vodivosti apod.
50
Výživa rostlin a hnojení v EZ
© Petr Konvalina, 2011
Zdroj dalších informací:
Agroekologie - východiska pro trvalé
zemědělské hospodaření
Bořivoj Šarapatka a kol.
Download

PK 2012 Ekologické faktory rostlinné produkce [Režim kompatibility]