조경생태학 (5) 에너지흐름과물질순환
1. 에너지 (Energy) 모든생물은성장과생식을위해일정한에너지를필요로하며, 다음과같이이용 성장과새로운원형질형성 조직의갱신과기초대사 재생산및탄수화물 ( 식물 ), 지방 ( 동물 ) 형성
2. 에너지유동모델
3. 에너지흐름
3. 에너지흐름 [1] 태양에너지구성 태양은주요구성물질인수소 (H2) 가헬륨 (He) 으로전환되는과정에서막대한에너지를전자파의형태로방출 이방사선은단파인 X 선, γ 선에서장파인라디오파까지넓게분포되어있으나 99% 정도가적외선과자외선사이 (0.2-0.4μ) 에존재 특히이중 50% 정도는가시광선 (0.38-0.77)μ 으로존재 태양에너지의약 5 천만분의 1 정도가지구대기권에도착하며이중일부만지표에도달 ( 맑은날정오에 67% 정도 )
3. 에너지흐름 [2] 태양에너지이용 제 1 차생산자 ( 육상식물등광합성작용 ) 를위한에너지공급 1% 미만이광합성에의해고정됨 ( 양호한조건에서는 5% 까지 ) (30% : 우주로반사, 20% : 대기권에흡수, 50% : 지표, 물및식물에흡수 ) 자외선 10%, 가시광선 45%, 적외선 45% (Reifsnder and Lull, 1965) 가시광선과자외선을이용하여광합성 ( 특히청색광, 적색광을주로흡수 : Gates, 1965)
3. 에너지흐름 녹색은대부분반사되어적은양만흡수 적외선은열선으로서반사, 증발등에의해기온조절 ( 거의흡수되지않음 ) * 녹색광과적외선에가까운빛이식생에의해반사되기때문에원격탐사에이용됨 * 생산성과관련된경우 1% 의태양에너지가중요하나, 나머지 99% 는물과무기염류의순환, 생명체의유지등생태계내에서중요한구실을함
3. 에너지흐름 - 태양에너지가먹이연쇄를따라높은영양단계까지전달 - 한영양단계에서다른영양단계로전달되는에너지는종의종류및소속생태계에따라 5-20% 에불과 - 생태효율 : 한영양단계에서다른영양단계로전이되는데쓰이는에너지의백분율 10% 법칙 (ten percent rule)
3. 에너지흐름 녹색식물에의해생산된화학에너지가영양단계에따라유전됨 ( 엔트로피의법칙적용됨 ) 분해자에의해분해되어사라짐 ( 일방적 ) 1 광합성으로유기물에저장된에너지의일부는녹색식물의생장과유지를위한호흡으로열로소실 2 초식동물의생식과활동으로대부분소멸되고일부만저장 3 고사한식물체나초식동물이소화할수없는배설물에너지는분해자가이용
3. 에너지흐름 4 2 차소비자는세포와조직생산, 생식등의활동으로많은에너지소비 5 흩어진에너지는낭비과정이아니며, 생물권을데우고물의순환을유도하며기후계에에너지제공
4. 에너지법칙 제 1 법칙에너지보존법칙 에너지의형태는변하지만, 총량은변하지않음에너지는결코창조되거나파괴되지않음다른형태로전환 ( 빛 -> 영양물질 ) 에너지가다른형태로변화될때항상에너지질의저하가일어남 제 2 법칙엔트로피법칙
4. 에너지법칙 제 1 법칙에너지보존법칙 에너지의형태는변하지만, 총량은변하지않음에너지는결코창조되거나파괴되지않음다른형태로전환 ( 빛 -> 영양물질 ) - 한계 (system) 이갖는에너지의총량은외부와의출입이없는한일정불변하고, 외부에서출입이있을때는그양만큼증가또는감소. - 에너지는모양을바꿀수있지만결코스스로발생하거나소멸되지않는다는법칙. - 예를들어열에너지또는먹이라는잠재에너지로변환될수는있으나소실되는경우는없음
4. 에너지법칙 제 2 법칙엔트로피법칙 에너지가다른형태로변화될때항상에너지질의저하가일어남 - 에너지는무질서가증가하는방향, 즉엔트로피가증가하는방향으로이동한다는것. - 엔트로피란독일의물리학자 Rudolf Clausis 에의해창안된용어로서에너지의상태가무질서한상태. 즉사용불가능한에너지 (unavailable energy) 의척도로사용. - 엔트로피증가란사용가능한에너지 (available energy) 가사용불가능한에너지의상태로전환됨을의미.
4. 에너지법칙 제 2 법칙엔트로피법칙 에너지가다른형태로변화될때항상에너지질의저하가일어남 - 에너지가높은수준에서낮은수준으로이동함에따라엔트로피 ( 무질서도 ) 가증가하고우주는점점더무질서. - 또한제 2 법칙은에너지의형태전환이불완전하다는것을말해주는데일부에너지가각전환과정중에열로사라지기때문 ( 화학에너지가운동에너지로바뀌면서에너지의일부가열로사라짐 )
4. 에너지법칙 제 2 법칙엔트로피법칙 에너지가다른형태로변화될때항상에너지질의저하가일어남 생태계에있어서복잡한생물량 (biomass) 구조내에서질서는무질서를부단히배제하는군집전체의호흡에의해유지됨. 따라서생태계와생물은내부엔트로피를감소시키기위해외부엔트로피를증가시키면서끊임없이환경과에너지및물질을교환하는개방된비형평적열역학적계 (system)
4. 에너지법칙 제 2 법칙엔트로피법칙 에너지가다른형태로변화될때항상에너지질의저하가일어남 - 열역학제 2 법칙에서엔트로피의증가는사용가능한에너지. 즉자원이감소를뜻함. - 환경 ( 생태계 ) 에서무슨일이일어날때마다얼마간의에너지는사용불가능한에너지로끝이남. - 이러한사용불가능한에너지가바로 [ 환경오염 ] 을뜻한다고할수있음
특성 생물권구성생물량 : 1.8 * 1012ton 으로추정 ( 지구표면의극히일부 ) 자연계를구성하는물질은여러가지형태로전환되어필요한부분으로이동 에너지흐름은한쪽방향으로진행되나, 물질은생물계와비생물계를순환 식물의뿌리와기공을통해흡수된물질은식물의조직으로동화
특성 - 생명체의구성 A) 주요구성 : 수소, 탄소, 산소 B) 보조구성 : 질소, 인, 칼륨, 유황, 철등 - 생물지화학순환 (Biogeochemical cycle) A) 탄소, 산소, 질소및기타가스성순환 (gaseous cycles) B) 유황및인등과같은퇴적물순환 (sedimentary cycles)
특성생태계내에서는동식물의영양소와에너지, 물, 퇴적물등이모두순환생물의필수원소는생물권내에서환경과생물사이를일정한경로를거쳐순환 (N, P, C, O, S,...) 원형질의모든기본원소를포함한화학적원소는생물권내에서환경으로부터생물로, 다시환경으로독특한경로를거쳐순환하는경향이있음
특성 - 이런크고작은순환적경로를생물지구화학적순환. - 이들원소와생명에필수적인무기화합물의이동을영양염순환이라함. - 지구상에존재하는원소중에서 30-40 가지의원소가생물에필요한것으로알려지며, 그중산소, 탄소, 수소, 질소등은다량필요하지만그외의원소들은적은량으로충분함 - 이들기본원소는모두생물지구화학적순환
특성 영양염류의순환 (nutrient cycle) : 원소와생명에필수적인무기화합물의이동. 크고작은각각의순환에두개의구획또는 pool 을설정하는것이편리 저장풀 (reservoir pool) : 서서히이동하는비생물적구성요소교환풀 (exchange pool, 순환풀 cycling pool) : 작은규모의, 생물과그생물을둘러싸고있는환경사이의교환. 활동적.
생명현상에필수적인원소 5. 물질순환 H 물과유기물의구성원소 C 유기물구성성분 N 단백질, 핵산구성성분 F 치아의에나멜성분 Cu 패각류혈액의산소운반색소구성 Na 이온균형, 신경전도 O 호흡, 물과모든유기물구성원소 K 신경흥분발생 P 에너지이동에필요 S 대부분의단백질성분 Cl 소화작용및광합성의 HCl Ca 골격구성물질, 근수축작용
특성 - 기체 ( 가스 ) 형 gaseous type 대기와물 ( 바다등의수권 ) 에커다란저장소를가짐탄소와질소같이대기의상당부분을구성하는기체상원소로서지구전역으로이동파악용이 - 침적물 ( 퇴적물 ) 형 sedimentary type 지각의토양과침적토에저장소를가짐 대부분의원소와화합물인이나황, 칼슘과같이기체상에존재하지않는원소로서이동파악곤란
특성 기체형 (gaseous type) : 탄소, 질소, 산소에관계되는순환으로 저장고가대기또는수역이며신속히자가조절된다는특징 퇴적형 (sedimentary type) : 철, 인등에관계되는순환으로저장고가지각 자가조절적으로조절되지않는특성을가지며, 지역적교란에의해쉽게변동되는특징
특성 순환의예 3 가지장소 ( 대기, 수역, 지각 ) 에서발생 생물의몸안으로흡수 무기영양소의수용성저장소인교환풀 (exchange pool) 동물의뼈나껍질또는대기의질소와같이생물에더디게이용되는형태로저장
특성 - 영양소순환 - 생물지화학적순환탄소, 산소, 질소, 인, 물의순환포함 - 영양물질의구성분자는환경에서생물체로, 그리고환경으로되돌아감. - 이과정에생물을위한영양물질저장소. - 물질은환경에서느리게이동하는반면, 생물체에서생물체사이에서는빠르게이동
특성 - 영양물질저장소는생태계의유지에매우중요. - 한 system 에서모자라게되면, 다른 system 에악영향을미치기도함
특성 - 영양원소는무기이온이되어야이용. - 분해자및부식자에의해이온및무기염저장소유지. - 분해자및부식자는소비자에서나온찌꺼기를이용하여무기염을만들어냄 - 생물상호작용에따라무기염및이온저장소가고갈되거나채워질수있음물의흐름강우...
물순환 - 생태계내의생물체의분포, 구조및기능을결정하는요인 - 물의이동과수송은생태계에결정적영향. - 영양물질이동에주요매질. - 온도, 바람등지구환경조건영향. - 생물권의상호작용
물순환 저장소 : 대기중에있으며작지만활동적이고인위적인교환에약함. 날씨와기후에영향 대기중의물은소량으로서회전율이빠르고체재시간이짧음 바다에서는강우에의해공급되는것보다많이증발되며육지에서는반대
물순환 0.25geogram 이담수인호수나하천에있으며, 0.2geogram 이매년유출되므로회전기간은 1 년 *1geogram=1020g
물순환 - 집수역 (Watershed): 물을모은지역 ( 지도능선으로싸인부분 ) 영양물질을모으고, 축적. 표면유출수 runoff 토양침투수 infiltration 지하수면 water table 대수층 aquifer
산소순환
탄소순환 - 생물계에가장중요한원소 - 생물체를구성하는기본물질 - 저장소 : 대기, 물 탄소저장소 (1012 ton) 대기 2 화석연료 27 생태계 30 해수용존 140 토양 25,000 탄산염퇴적물 150,000
탄소순환 - 자연에서흑연, 다이아몬드, 이산화탄소형태로존재 - 서로또는타원소들과잘결합이되는특성, 여러종류분자들의주구성이되는근간을이룸
탄소순환 - 대기로부터생물을거쳐대기로되돌아감. - 생물의호흡, 화석연료연소및화산폭발 - 광합성생물과껍질있는생물이이용. - 독립영양생물 광합성매년수십억톤의탄소를유기물로 - 해양생물바다속의탄소를취하여조개껍질등 - 땅에매장된탄소화합물의분해화석연료로사용. - 탄소화합물연소 : 과량의탄소대기중방출 -> 기후온난화.
탄소순환 대기 광합성 호흡 화산활동 연소 화석연료
탄소순환
질소순환 - 단백질및핵산의필수구성원소. - 대기중 80%. (N2 상태 ) 식물이용곤란 - 토양에서가장부족 - 질소분자가이용되려면분자결합단절. 뿌리혹박테리아, 화산, 번개, 공업질소고정박테리아를제외한모든생물은대기속의질소를직접이용할수없음식물과거의모든생산자는질산염이온 (NO3-) 형태로질소흡수 질산염이온은질산화작용 (nitrification) 과질소고정 (nitrogen fixation) 에의해형성
질소순환 고정화기구 % Bacteria and algae 63.3 Lightning 4.2 Combustion 8.4 Industrial ammonia production 24.1
질소순환 질소고정질소고정 nitrogen, nitrogen, 질화작용질화작용 nitrification nitrification 독립영양생물에의해서의해서직접직접이용될이용될수없는수없는기체상태의기체상태의질소를암모니아질소를암모니아, 아질산염, 아질산염, 질산염으로, 질산염으로변환변환 원시박테리아 ( ( 시아노박테리아 ) 등) 질소등질소고정고정세균의세균의구실이중요구실이중요 질소는단백질의형태로형태로식물에식물에저장된저장된후먹이사슬을후먹이사슬을따라동물성단백질이되며, 따라동물성단백질이되며,
질소순환질소고정질소고정 nitrogen, nitrogen, 질화작용질화작용 nitrification nitrification 동물의동물의시체나시체나배설물배설물중의중의단백질은단백질은다시다시박테리아에박테리아에의해의해분해되어분해되어암모늄이온암모늄이온 (NH4+) (NH4+) 이되고되고, 암모늄이온은암모늄이온은땅속의속의분해박테리아에분해박테리아에의해의해아질산염아질산염 (NO2-) (NO2-) 또는또는질산염질산염 (NO3-) (NO3-) 이됨 식물은식물은이러한이러한질산염의질산염의형태로형태로질소질소성분을성분을흡수흡수. 일반적으로일반적으로사용되는사용되는질소질소비료는비료는질산암모늄질산암모늄 (NH4+NO3-) (NH4+NO3-) 형태의형태의질산염질산염.
질소순환 질소고정생물 분자상질소를암모니아로전환 자유생활을하는박테리아 : Azotobacter( 호기성 ), Clostridium ( 혐기성 ) 콩과식물과공생하는뿌리혹박테리아 : Rhizobium 남조류 : Anabaena, Nostoc 홍조세균 : Rhodospirillium 콩과와유관속식물의다른과의식물 ( 공생박테리아의도움필요 ) : Alnus, Casuarina, Ceonothus, Ginkgo, Elaegnus
질소순환공생적질소고정 콩과식물뿌리혹박테리아 (Rhizobium 속 ) 콩과식물은세균으로부터많은양의암모니아를공급받아단백질합성에이용하며세균은광합성산물과서식지제공받음 비콩과식물 ( 오리나무등 ) 방선균에의해뿌리혹형성 Alnus, Casuarina, Cariaria, Ceonothus, Myrica, Araucaria, Ginkgo, Elaegnus 속등공생하는박테리아의도움에의해서만질소고정일부지의류는남조류의공생으로질소고정가능 물개구리밥 Azolla 과남조류 Anabaena
질소순환 비공생적질소고정 토양이나물속에서자유생활을하거나나무및다른식물체에착생하는남조류, 세균 질소는 DNA, 단백질, 아미노산과같은생명의기본적단위에필수적이나대기라는저장소로부터우리의세포로질소를옮기기위해서는많은에너지와긴고정과정과먹이사슬필요
질소순환 비공생적질소고정 호기성조건하에서토양이나수중에있는아질산세균이암모니아를아질산염으로전환시키고, 질산세균은아질산염을질산염으로전환 - 에너지생성. 화학합성독립영양생물 질산염은수용성으로서토양에서쉽게세탈되나식물의신속한흡수작용으로생태계내에잘보존 식물체내의죽어가는조직에있는질소는뿌리, 기타살아있는부분으로이동되어잔류
질소순환
인순환 - 퇴적형순환 - 육지에서바다로이동하여퇴적된후다시육지로되돌아감. - 주저장소 : 지각 - 모든생물에게필수원소. - 원형질구성 - 제한요인 - 독립영양생물은인을흡수하고, 먹이연쇄에따라동물이인을획득. - 초식및육식동물모두가배설물로인을토양에분비하면, 식물이다시흡수
인순환
황순환 - 침적토에큰저장소 - 대기에작은저장소 - 아미노산형태로섭취 기체상 : SO2, H2S, H2SO4, CS2 불용성광물 : FeS, PbS, CdS 해성 : SO42- 생물학적 : Cystene (-SH)
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