การอนุรักษ์ระบบนิเวศ (I) เพ็ญแข ธรรมเสนานุภาพ penkhae.t@msu.ac.th

1. 1705 471 หลักการอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม Principles of Natural Resources and Environmental Conservation การอนุรักษ์ระบบนิเวศ (I) เพ็ญแข ธรรมเสนานุภาพ penkhae.t@msu.ac.th

2. Lecture Outline • Earth System Science • Earth System Cycles • Earth System Connection • Global Change (การเปลี่ยนแปลงของโลก) • Biomes (Ecosystem) • Terrestrial biomes • Aquatic biomes

3. Earth As a System (โลกที่เป็นระบบ) Earth System Science วิทยาศาสตร์ของระบบของโลก และ ปฏิบัติการวิทยาศาสตร์เพื่อความยั่งยืนของโลกทั้งระบบ

4. วิทยาศาสตร์ที่ว่าด้วยวิทยาศาสตร์ที่ว่าด้วย • ความสัมพันธ์ของ • ทรัพยากรของโลก • วิทยาศาสตร์ที่ว่าด้วย • ความเชื่อมโยงของขบวน • การต่างๆที่เกิดขึ้นในโลก • วิทยาศาสตร์ที่ว่าด้วย • ขบวนการทางฟิสิกส์ เคมี • และชีววิทยาที่เกิดขึ้นใน • ทรัพยากร ดิน น้ำ อากาศ • และความสัมพันธ์และหรือ • ผลที่เกิดขึ้นจากขบวนการ • นั้นต่างๆ

5. Atmosphere Biosphere Hydrosphere Geosphere Anthrosphere The Planet Earth

6. The Geosphere The geosphere is the solid Earth that includes continental and oceanic crust as well as the various layers of the Earth's interior.

7. Soils (ดิน) Living organism (สิ่งที่มีชีวิต)

8. The Biosphere The biosphere is the life zone of the Earth and includes all living organisms, including man, and all organic matter that has not yet decomposed.

9. 1% Ar, 0.03% CO2 + small, variable amounts of water vapor The Atmosphere The atmosphere is the gaseous envelope that surrounds the Earth and constitutes the transition between its surface and the vacuum of space. 78% N2 21% O2

10. Temperature (°C) -80 -60 -40 -20 0 20 40 70 100 60 Thermosphere Mesopause 50 80 Mesosphere 40 Altitude (Km.) Altitude (mi.) 60 Stratopause 30 Stratosphere 40 20 Ozone Layer 20 10 Tropospause Troposphere 0 -120 -80 -40 0 40 80 Temperature (°F) Atmospheric Profile

11. วัฏจักรของฤดูกาล ใบไม้ร่วงที่มีกลางวันและกลางคืนเท่ากัน ฤดูหนาวที่ดวงอาทิตย์อยู่ไกลสุด ฤดูร้อนที่ดวงอาทิตย์อยู่ไกลสุด ใบไม้ผลิที่มีกลางวันและกลางคืนเท่ากัน

13. An ecosystem consists of • biotic components - the living organisms • abiotic components - non-living factors, such as light, • temperature, water, nutrients, topography, etc.

14. Liquid The Hydrosphere The hydrosphere includes all water on Earth. In one respect, 71% of the earth is covered by water and only 29% is terra firma. The water existed in all three states: solid (ice), liquid (water), and gas (water vapor). Water vapor Solid Global distribution of water (reproduced with the kind permission of Ramsar)

15. The Water Cycle of The Earth System Evapotranspiration Rainfall Transpiration Evaporation Runoff Ocean Infiltration River Percolation Subsurface water Ground water Bedrock

16. a Waste gases ATMOSPHERE Precipitation Evaporation Sea evaporation e f MAN LANDSCAPE OCEAN c Groundwater Flow Flood Flow g h Water supply d WATER BODIES River flow Waste Water flow The Water Cycle of The Earth System Management Of Soil/ Veget. b

18. การแลกเปลี่ยนและความสัมพันธ์ระหว่างระบบขององค์ประกอบของโลกการแลกเปลี่ยนและความสัมพันธ์ระหว่างระบบขององค์ประกอบของโลก ดินกับพืช ดิน พืช อากาศและน้ำ

19. Earth System Cycles The cycling of energy, water, and certain chemical elements ties the system together Energy from the Sun enters the top of the atmosphere; some is reflected back to space while the rest powers the Earth system Water evaporates from the surface, condenses or freezes, falls back to the surface, runs-off or sinks into the soil, flows to aquifers, rivers, the oceans The chemical elements C, N, P, and S cycle among living organisms, the atmosphere, sediments, soils, and water bodies

20. Cycle:วัฏจักร พลังงาน อาจอยู่ในรูปของรังสีและ ความร้อนที่ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ของสถานะต่างๆของ น้ำ ภูมิอากาศ และ ปฎิกิริยาทางเคมี เป็นผลทำให้เกิด วัฎจักรของพลังงานที่มีความสัมพันธ์กับวัฎจักรของน้ำ • Energy • Water • Biogeochemical

22. แร่ธาตุสำหรับสิ่งมีชีวิตแร่ธาตุสำหรับสิ่งมีชีวิต • สิ่งมีชีวิตต้องการแร่ธาตุอย่างน้อย 30-40 ชนิด ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม ตามปริมาณความต้องการมากหรือน้อย • แร่ธาตุที่ต้องการในปริมาณมาก (Macronutrient)หมายถึง ธาตุที่ประกอบเป็นน้ำหนักแห้งสารอินทรีย์ในสิ่งมีชีวิต ตั้งแต่ร้อยละ 0.2-1 ขึ้นไป ซึ่งได้แก่ คาร์บอน ออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน ฟอสฟอรัส กำมะถัน คลอรีน โปแตสเซียม แคลเซียม แมกนีเซียม เหล็กและทองแดง เป็นต้น • Major macronutrient • Minor macronutrient

23. แร่ธาตุที่ต้องการในปริมาณน้อย (Micronutrient) หมายถึง ธาตุที่ประกอบเป็นน้ำหนักแห้งของสารอินทรีย์ในสิ่งมีชีวิตที่ต่ำกว่า ร้อยละ 0.2 ได้แก่ อลูมิเนียม โบรอน โครเมียม โคลบอลท์ ฟลูออรีน แกลเลียม ไอโอดีน แมงกานีส ดีบุก สังกะสี เป็นต้น • ธาตุเหล่านี้มักเป็นส่วนประกอบที่สำคัญต่อกระบวนการชีวเคมีในร่างกาย

24. แร่ธาตุที่เป็นหัวใจในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต ได้แก่ คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน • ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของเซลล์และเอนไซม์ในร่างกาย • ธาตุเหล่านี้มีการหมุนเวียนระหว่างสิ่งมีชีวิตและส่วนที่ไม่มีชีวิตในระบบนิเวศ ดังนั้นจึงทำให้เกิดความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิต ‘bio’ในสภาพการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ‘chemical’ส่วนที่เป็นธรณี ‘Geo’ดังนั้นเมื่อรวมเรียกกันแล้วจึงเป็นที่มาของ ‘Biogeochemical Cycle’

25. วัฏจักรของแร่ธาตุเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท คือ • วัฏจักรน้ำ (Hydrologic cycles) • วัฏจักรในบรรยากาศ (Atmospheric cycles) • วัฏจักรในธรณีภาค (Lithospheric cycles)

26. วัฏจักรของน้ำ (Hydrologic Cycle) • ในวัฏจักรของน้ำ ประกอบด้วย • กระบวนการระเหย (evaporation) • การตกของหยาดน้ำฟ้า (precipitation) • การควบแน่น (Condensation) • การคายน้ำของพืช (Transpiration) • และการหายใจของสิ่งมีชีวิตทั่วไป

27. - น้ำไหลบ่า - น้ำใต้ดิน

28. วัฏจักรในบรรยากาศ (Atmospheric Cycles) • วัฏจักรคาร์บอน • การตรึงคาร์บอนในอากาศมาใช้ • หมุนเวียนไปตามระบบนิเวศในรูปของสารอินทรีย์ • สะสมในบรรยากาศด้วยการหายใจ • อีกทางหนึ่ง คือ การใช้เชื้อเพลิงที่ได้จากการทับถมกันของซากสารอินทรีย์ ซึ่งกลับเข้าสู่บรรยากาศโดยการเผาไหม้

30. วัฏจักรไนโตรเจน • การตรึงไนโตรเจน (Nitrogen fixation) • Electrochemical fixation เช่น จากฟ้าแลบ ฟ้าผ่า • การตรึงไนโตรเจนโดยกระบวนการทางอุตสาหกรรม • การตรึงไนโตรเจนโดยกระบวนการทางชีววิทยา • - จากแบคทีเรีย symbiotic bacteria สกุล Rhizobium • - จากแบคทีเรียที่อาศัยอยู่อย่างอิสระ (Free-living nitrogen fixers) ได้แก่ แบคทีเรียพวก Azotobacter และ Clostridiumรวมทั้งสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินอีกหลายชนิด

31. แอมโมนิฟิเคชั่น (Ammoniphication) • การย่อยสลายของกรดอะมิโน (หรือโปรตีน) ที่เกิดขึ้นจากการกระทำของ ammonifying bacteria เช่น Pseudomonasและ Proteusซึ่งขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่า Ammonification คือ การเปลี่ยนแปลงกรดอะมิโน หรือโปรตีนในซากให้เป็นแอมโมเนีย

32. ไนตริฟิเคชั่น (Nitrification) • สิ่งขับถ่ายจากสัตว์และซากพืชและสัตว์ในสภาพของแอมโมเนียจะถูกเปลี่ยนเป็นไนไตรท์ โดยไนไตรท์แบคทีเรีย เช่น Nitromonas • และไนไตรท์จะถูกเปลี่ยนไปเป็นไนเตรตโดยไนไตรท์แบคทีเรีย เช่น Nitrobacter • การเปลี่ยนแอมโมเนียไปเป็นไนไตรท์และไนเตรทนี้เรียกว่า Nitrification

33. ดีไนตริฟิเคชั่น (Denitrification) • ไนเตรตนี้ถูกพืชนำไปใช้โดยตรง และในที่สุดถูกพืชเปลี่ยนไปเป็นกรดอะมิโนและโปรตีนในพืชใหม่ • หลังจากนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อเป็นไนโตรเจนในบรรยากาศได้ใหม่ โดย denitrifying bacteria เช่นPseudomonas, Thiobacillusและ Micrococcus denitrificans • การเปลี่ยนแปลงจากไนไตรท์และไนเตรตไปเป็นแก๊สไนโตรเจนในบรรยากาศใหม่ เรียกว่า denitrification

34. ไนโตรเจน (Nitrogen, N2) - ในอากาศ (inorganic) - ในดิน (organic) • แอมโมเนีย (Ammonia, NH4+) • ไนไตรท์และไนเตรต (NO2-, NO3-)

37. วัฏจักรในธรณีภาค (Lithospheric Cycles) • ธาตุองค์ประกอบหลักหรือแหล่งสะสมหลักในพื้นดิน หินของเปลือกโลก ได้แก่ ฟอสฟอรัสและกำมะถัน • ลักษณะที่สำคัญของธรณีภาค คือ แร่ธาตุจะมีแหล่งสะสม ที่ธาตุถูกตรึงเอาไว้เป็นเวลานานนอกวัฏจักร จะมีการนำกลับมาใช้ใหม่โดยการเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก หรือการผุกร่อนตามธรรมชาติและถูกชะล้างลงสู่แหล่งน้ำ • ดั้งนั้นฟอสฟอรัสและกำมะถันจึงมีการนำมาถลุงและใช้เป็นประโยชน์ต่อสิ่งมีชีวิต

38. วัฏจักรฟอสฟอรัส • สิ่งมีชีวิตต้องการฟอสฟอรัส 1 ใน 10 ของความต้องการไนโตรเจน • ฟอสฟอรัสสัมพันธ์เฉพาะในดินและน้ำ • ไม่มีฟอสฟอรัสในบรรยากาศ • ฟอสฟอรัสจับกับออกซิเจนจะตกผลึก พืชไม่สามารถนำฟอสฟอรัสนี้ไปใช้ได้ จนกลายเป็นหินฟอสเฟต กลับเข้าวัฏจักรใหม่ด้วยการย่อยสลายหน้าดิน • การเปลี่ยนฟอสฟอรัส (อินทรีย์) ไปเป็น (อนินทรีย์) ทำโดยแบคทีเรีย Phosphatizing bacteria • เป็นปัจจัยจำกัดของสาหร่าย • วัฏจักรฟอสฟอรัสไม่ซับซ้อนเท่ากับวัฏจักรไนโตรเจน

39. วัฏจักรฟอสฟอรัส

40. วัฏจักรกำมะถัน • ในบรรยากาศมีกำมะถันอยู่น้อยกว่าในดินและตะกอน • แต่สิ่งมีชีวิตไม่ได้ต้องการมากเหมือนไนเตรตและฟอสเฟต • ไม่จัดเป็นปัจจัยจำกัดการเจริญของพืชและสัตว์ • กำมะถันที่พบในธรรมชาติอยู่ในสภาพของแร่ธาตุและสารประกอบหลายประเภท เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ซัลไฟท์ (SO2-) และซัลเฟต (SO4-) • มีความสัมพันธ์กับปริมาณออกซิเจนและแบคทีเรีย desulfovibrio และ thiobacilli ในสภาวะขาดและมีออกซิเจน

41. วัฏจักรกำมะถัน

42. วัฏจักรธาตุอาหาร • เราแบ่งออกเป็นขั้นตอนของการไหลของสารอาหารในระบบนิเวศออกเป็น 2 ขั้นตอน คือ • การรับและปล่อยสารอาหารของสิ่งมีชีวิต • การแลกเปลี่ยนสารอาหารระหว่างป่าไม้และองค์ประกอบอื่นของระบบนิเวศ • ระบบนิเวศที่ได้พัฒนาไปจนเจริญสูงสุดแล้วจะอยู่ในภาวะสมดุล คือ ปริมาณของธาตุที่พืชนำไปใช้จะเท่ากับปริมาณธาตุที่กลับคืนสู่ระบบนิเวศ

44. Atmosphere(Climate) • Ozone, Chemical elements • Temperature, Humidity, Cloud ,Precipitation Components Water&Snow Aquatic fauna Aquatic flora Bio-chemical • Soil &Geology • Water • Air • Biogeochemical • Living Things • Land Use • & Land Cover • Bio-diversity • Climate • Biochemical Phenomena

45. การเปลี่ยนแปลงของโลก (Global Change) “สถานภาพของโครงสร้าง/องค์ประกอบบนผิวโลก ใต้ดิน ใต้พิภพ และบรรยากาศชั้นชีวาลัย (biosphere) ลด-เพิ่มขนาดไปจากธรรมชาติ จนทำให้การมีบทบาท/หน้าที่ไม่ปกติ (normal)”

46. ปัจจัยการเปลี่ยนแปลงของโลกปัจจัยการเปลี่ยนแปลงของโลก HUMAN Land Use and Land Cover Change Elevated CO2 Atmospheric Composition CN Creative

47. Earth System Connections Phenomena on all scales are connected together some volcanic eruptions alter the atmosphere globally for years El Nino in the tropical Pacific affects weather for months, even in the United States passage of a weather system can spawn tornadoes which cut a swath through a forest triggering the process of forest succession These and other connections are fundamental to the Earth system.

48. Solar energy Earth radiates heat Back into space Atmospheric green house gasses from natural sources and human activity Acid rain Green house gas trap heat Burning of fossil fuel release carbon dioxide Industrial release CO2,NOX,SO2 Deforestation reduces absorption of CO2 Earth absorb Solar radiation Domestic and industrial activities produceCFC Agriculture produces CH4&NO2 Vehicles emit CO2

49. Water Cycle Precipitation Evaporation Ground water Water uptake Runoff Sea Transpiration

50. The relationship between discharge and runoff precipitation discharge As time passes (measured along the x-axis) discharge increases as precipitation falls