5. Wazonkowce

Projekt Nr
Temat
Wazonkowce: zagęszczenie, biomasa, przepływ energii i węgla
Cel
Określenie składu i zagęszczenia wazonkowców glebowych na podstawie materiału
zebranego w terenie, a następnie na podstawie danych literaturowych oszacowanie
biomasy, przepływu energii i węgla przez badane zespoły.
Sprzęt
Taśma miernicza, próbnik do gleby, woreczki foliowe, etykiety, ołówek
Prace
1. wyznaczyć transekt o długości 20m;
terenowe
2. na transekcie co 1m przy pomocy próbnika pobrać próbkę gleby o powierzchni
16,6cm2 i głębokości 10 cm (na tym samym transekcie powinny być pobrane próby
glebowe do badania stawonogów glebowych).
3. każdą pobraną próbkę opisać i zapakować do woreczka foliowego (nie
zawiązywać!)
Prace
1. Ekstrakcja zwierząt z gleby:
laboratoryjne Próby włożyć na sita mokrych lejków i pozostawić na 5 godzin.
2. Oszacowanie zagęszczenia:
Wyekstrahowane próby przenieść do pracowni mikroskopowej i przeglądnąć pod
lupą binokularną, wybrać i policzyć (w każdej próbce gleby), tj. na powierzchnię 16,6
cm2.
3. Oszacowania biomasy
3.1. Jeżeli wielkość próby jest wystarczająca, można oszacować średnią masę ciała
wazonkowców. W tym celu wybrane wazonkowce z każdej próby umieścić w
suszarce (50°C, 48 h), po wysuszeniu zważyć na wadze precyzyjnej, znając liczbę
osobników w próbie obliczyć średnia masę jednego osobnika.
3.2. Alternatywnie, należy oszacować średnią długość ciała stawonogów z każdej
grupy, używając okularu pomiarowego w mikroskopie stereoskopowym (lupie
binokularnej).
Opracowanie 1. Oszacowanie biomas osobników.
wyników
Jeżeli pomiar średniej masy ciała nie był możliwy, należy oszacować masę na
podstawie wymiarów liniowych, w oparciu o literaturowe dane o allometrycznej
zależności między długością a masą ciała (Tab. 1):
b
Tabela 1. Parametry równania W = aL , gdzie W – sucha masa ciała [mg], L –
długość ciała [mm]
Grupa
Źródło
a
b
Collembola
0,1533 2,300 Ganihar 1997
Arachnida
0,0403 2,468 Ganihar 1997
Enchytraeidae 0,2692 1,1
Greiner et al, 2010
Mokrą (przyżyciową) masę ciała należy obliczyć zakładając 75% zawartość wody w
ciele.
2. Oszacowanie zagęszczenia i biomasy populacji
Na podstawie oznaczonej liczebności stawonogów w próbach, należy obliczyć
zagęszczenie, stan biomasy (suchej), zawartość energii i węgla w poszczególnych
grupach na jednostkę powierzchni (m2 ).
3. Oszacowanie budżetu energii i węgla
Wyjaśnienie - podstawowe pojęcia i teoria
Ilość pokarmu skonsumowana przez zwierzę w jednostce czasu (konsumpcja, C)
może być tylko częściowo strawiona i przyswojona (asymilacja, A) – niestrawione
resztki i wydaliny opuszczają organizm jako odchody (kał i mocz, FU):
C = A + FU
(1)
Część zasymilowanego pokarmu może być wbudowana w nowa biomasę rosnącego
konsumenta, albo w inne produkty związane z reprodukcją (np. jaja) – ta część nosi
nazwe produkcji (P), znaczna część skonsumowanej biomasy podlega metabolizmowi
(spaleniu), dostarczając energii użytecznej, ciepła i CO2, przy zużyciu odpowiedniej
ilości tlenu (ta część budżetu nosi nazwę respiracji, R). Zatem:
C = R + P + FU
(2)
Metabolizm (respiracja) zawiera koszty energetyczne aktywności, w tym pracy
mechanicznej, przemian chemicznych, a także koszty żerowania, trawienia itd.,
dlatego intensywnośc metabolizmu jest proporcjonalna do całego budżetu
energetycznego. Znajomość indywidualnych budżetów energetycznych wraz z
informacją o zagęszczeniu populacji umożliwia oszacowanie przepływu energii i
węgla przez ekosystem.
Tempo metabolizmu zależy przede wszystkim od masy ciała organizmu i od
temperatury. Zależnośc metabolizmu od masy ciała przy stałej temperaturze
najlepiej opisuje funkcja potęgowa (allometryczna):
M = aW b
(3)
gdzie M – tempo metabolizmu, W – masa ciała, a,b – parametry specyficzne dla
danego taksonu.
U organizmów zmiennocieplnych tempo metabolizmu silnie (wykładniczo) zależy od
temperatury ( M = ce kT , gdzie T – temperature, c, k – parametry). Tradycyjnie, w
ekologii tę zależność przedstawia się jako współczynnik Q10 , który określa ile razy
wzrasta tempo procesu przy podniesieniu temperatury o 10°C. Ten współczynnik
można doświadczalnie oszacować, mierząc tempo procesu (metabolizmu) w dwóch
temperaturach, stosując wzór:
R 
Q10 =  1 
 R2 
 10 
 ( t −t ) 
 2 1 
(4)
gdzie: t1, t2 – niższa i wyższa temperature, odpowiednio, R1, R2 – tempa procesu
zmierzone w temperaturach t1 i t2, odpowiednio. [Oczywiście, Q10 = e10k , albo k =
ln(Q10)/10].
Znając Q10, (MT) można oszacowac tempo metabolizmy w dowolnej temperaturze T:
M
M T 0 × Q10
=
T
 T −T 0 


 10 
(5)
gdzie MT0 to metabolizm mierzony w danej temperaturze TO.
Składając równania 3 i 5 otrzymujemy wzór do obliczenia metabolizmu bezkręgowca
na podstawie znanej masy ciała i temperatury otoczenia:
 T −T 0 


10 
M=
aW b × Q10
W ,T
(6)
Tabela 2 zawiera współczynniki tego równania dla wybranych taksonów glebowych i
ściółkowych bezkręgowców. Te wartości są dostosowane do tempa metabolizmu
3
1
-1
wyrażanego jako tempo konsumpcji tlenu (mm O2 × osbnik- × h ), masa ciała w
gramach [g], przy standardowej temperaturze T0 = 10°C. Aby móc wyrazić tempo
metabolizmu w jednostkach energii, wynik obliczenia ze wzoru (6) należy pomnożyć
przez ekwiwalent energetyczny konsumpcji tlenu, który zależnie od
3
metabolizowanego substratu waha się pomiędzy 19,4 i 20,9 J× cm O2 (Elliot i
Davison 1975); dla mieszanego pokarmu można przyjąć przybliżoną wartość
3
3
20,0 J × cm O2 albo 0,02 J × mm O2). Dobowy metabolizm otrzymamy mnożąc
uzyskany wynik przez 24.
Dla uwzględnienia innych składowych budżetu biomasy i energii (P, C) potrzebna jest
znajomość wielu szczegółów historii życiowych, specyficznych dla poszczególnych
gatunków (tempo reprodukcji, ilość produkowanej biomasy, strawność
konsumowanego pokarmu); zebranie takiej informacji jest trudne (o ile w ogóle
możliwe). Zamiast tego można dokonać zgrubnego oszacowania w oparciu o ogólne
ustalenia z literatury. Produkcję (P) i respirację (P) zmierzono u wielu populacji
bezkręgowców i na tej podstawie wyprowadzono empiryczne równanie
allometryczne wiążące te dwie zmienne:
0.83
(7)
P = 0.80 R .
Pozwala ono oszacować w przybliżeniu roczną produkcję (P) populacji w oparciu o
znaną respirację (R) w tym samym czasie (Duncan i Klerkowski 1975).
Współczynnik asymilacji (A/C) u detrytusojadów (Collembola, Acari-Oribatei) wynosi
22-35%, a u drapieżników (np. Acari-Mesostigmata – Gamasina) sięga 50-66%
(Duncan and Klekowski, 1975). Dla uproszczenia można przyjąć stałe wartości
współczynnika asymilacji 30% dla detrytusojadów i 60% dla drapieżników.
Tabela 2. Parametry równań do obliczania indywidualnych metabolizmów
3
-1 -1
(M, mm O2 osobnik h ) na podstawie mokrej masy ciała osobników (W, g)
o
przy temperaturze 10 C (na podstawie Hoste-Danyłow et al. 2013).
a
64,77
102,33
5,035
18,67
Grupa
Collembola
Mesostigmata Gamasina
Mesostigmata Uropodina
Enchytraeidae
Uogólnienie
wyników
b
0,85
0,869
0,671
0,67
Q10
2,6
3,0
3
1,6
1. Obliczyć biomasę stawonogów glebowych na poziomie ekosystemu (g suchej masy
× m-2; g C × m-2), oraz na 1 ha.
2. Wg wzoru (6) obliczyć indywidualny metabolizm dla przedstawicieli wszystkich
grup, podstawiając odpowiednie średnie masy ciała (mokre) i średnie temperatury
miesięczne gleby (Tab. 3), dla 6 miesięcy (kwiecień – wrzesień), zakładając dla
uproszczenia, że w pozostałych miesiącach fauna glebowa nie jest aktywna
metabolicznie.
Tabela 3. Oszacowane średnie temperatury gleby na głęb. 5 cm w Puszczy Niepołomickiej, dla
6 miesięcy roku (dane wg. Rocznika Statystycznego Rolnictwa 2014, wg Kleina; sposób
szacowania temperatury gleby – p. instrukcja dot. pomiaru respiracji gleby).
miesiąc
2013
IV
5,6
V
9,7
VI
13,9
VII
16,0
VIII
17,9
IX
2,2
3. Na podstawie indywidualnych budżetów energetycznych obliczyć budżety energii i
węgla na poziomie ekosystemu. W celu przeliczenia jednostek metabolizmu z
konsumpcji tlenu na przepływ węgla, przyjmij ekwiwalent 1 cm3 O2 = 0,4286 mg C.
Wyjaśnienie: aby przeliczyć konsumpcją tlenu (w jednostkach objętości) na produkcję
CO2 (w jednostkach objętości) przyjmujemy współczynnik oddechowy RQ = CO2 /O2 =
3
0,8. Zatem objętość CO2 = obj. O2 × 0,8. Mol CO2 = 12+32=44g 22.4 l; zatem 1 cm
3
CO2 = 0,5357 mg C, czyli: 1 cm O2 = 0.4286 mg C.
Uwzględniając liczebność każdej grupy stawonogów, dla każdego miesiąca oblicz
sumaryczny metabolizm (w jednostkach energii [kJ m-2 miesiąc-1 ] i masy węgla [g C
m-2 miesiąc-1 ]), oraz odpowiednie sumy dla całego roku dla każdej grupy.
Następnie wg wzoru (6) na podstawie sumarycznej rocznej respiracji oblicz roczną
produkcję P, asymilację (A = R+P) i konsumpcję C (przyjmując odpowiedni dla każdej
grupy współczynnik asymilacji), z założeniem, że współczynniki wydajności produkcji i
asymilacji są jednakowe dla energii i dla węgla.
Literatura
Duncan A., Klekowski R.Z., 1975. Parameters of an energy budget. In: W. Grodziński,
R.Z. Klekowski. A. Duncan: Methods for Ecological Bioenergetics. Blackwell, Oxford.
97-147.
Elliot J.M., Davison W., 1975: Energy equivalents of oxygen consumption in animal
energetics. Oecologia 19: 195-201.
Hoste-Danyłow A., Ilieva-Makulec K., Olejniczak I., Hajdamowicz I., Stańska M.,
Marczak D., Wytwer J., Faleńczyk-Koziróg K., Ulrich W., 2013: The shape of the
intraspecific metabolic-rate-body-size relationship affects interspecific biomass and
abundance distributions of soil animals within a forest ecosystem. Axx. Zool. Fennici
50: 289-302.
Formularz wyników
Uwaga: stosuj zapis naukowy (wykładniczy), zwróć uwagę na poprawny zapis liczb (liczba cyfr
znaczących)
Zmienna
Enchytraeidae
Stan biomasy
Respracja
Produkcja
Asymilacja
Konsumpcja
Jednostka
g s.m. ha-1
kJ ha-1rok-1
kJ ha-1rok-1
kJ ha-1rok-1
kJ ha-1rok-1
Wartość
Jednostka
g C ha-1
g C ha-1 rok-1
g C ha-1 rok-1
g C ha-1 rok-1
g C ha-1 rok-1
Wartość