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Lecture Outlines
Chapter 5
Environment:The Science behind theStories
4th Edition
Withgott/Brennan
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Study Guide:
Environmental systems
Ecosystems and theirservices
How living and nonlivingentities interact
Landscape ecology, GISand ecological modeling
The water, carbon,nitrogen, and phosphoruscycles
Human impacts on thesecycles
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Central Case: The Gulf of Mexico’s “DeadZone”
The Gulf of Mexico brings in abillion pounds/year of shrimp,fish, and shellfish
Gulf “dead zone” =  a region ofwater so depleted of oxygen
-That marine organisms arekilled or driven away
Hypoxia = low concentrationsof dissolved oxygen in water
-From fertilizer, fossil fuelemissions, runoff, sewage
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Earth’s environmental systems
Our planet’s environment consists of complex networksof interlinked systems
-Matter and molecules
-Organisms, populations, interacting species
-Nonliving entities (rocks, air, water, etc.)
A systems approaches assesses questions holistically
-Helping address complex, multifaceted issues
-But systems can show behavior that is hard tounderstand and predict
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Systems show several defining properties
System = a network of relationships among parts,elements, or components
-They interact with and influence one another
-They exchange energy, matter, or information
Systems receive inputs of energy, matter, orinformation
-They process these inputs and produce outputs
Feedback loop = a circular process in which asystem’s output serves as input to that same system
Negative and positive feedback loops do not meanbad and good
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Negative feedback loop
Negative feedback loop = output from a system movingin one direction acts as input
-That moves the system in the other direction
Input and output neutralize one another
-Stabilizes the system
-Example: predator – prey interactions
Most systems in nature
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Negative feedback
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Positive feedback loop
Positive feedback loop = instead of stabilizing a system,it drives it further toward one extreme or another
-Exponential growth in human population, erosion,melting sea ice
Rare in nature
-But is common in natural systems altered by humans
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Positive feedback
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Systems are active
Dynamic equilibrium = systemprocesses move in opposing directions
-Balancing their effects
Homeostasis = a system maintainsconstant (stable) internal conditions
Emergent properties = systemcharacteristics are not evident in thecomponents alone
-The whole is more than the sum ofthe parts
It is hard to fully understand systems; they connect to other systemsand do not have sharp boundaries
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Environmental systems interact
Environmental entities: complex, interacting systems
For example, river systems consist of hundreds ofsmaller tributary subsystems
-Impacted by farms, cities, fields, etc.
Solving environmental problems means consideringall appropriate components in the system of interest
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Eutrophication: a systems perspective
Fertilizer from Midwestern farms adds nutrients to theMississippi River, which causes…
-Phytoplankton to grow, then…
-Bacteria eat dead phytoplankton and wastes
-Explosions of bacteria deplete oxygen, causing…
-Fish and other aquatic organisms to suffocate
Sources of nitrogen and phosphorus include:
-Agricultural sources, nitrogen-fixing crops
-Livestock manure, sewage treatment plants, streetrunoff, industrial and vehicle emissions
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Eutrophication
The process of nutrient over-enrichment leads to:
-Blooms of algae
-Increased production of organic matter
-Decomposition and hypoxia
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Systems are perceived in various ways
Categorizing environmental systems helps makeEarth’s dazzling complexity comprehensible
For example, the Earth consists of structural spheres
-Lithosphere = rock and sediment
-Atmosphere = the air surrounding our planet
-Hydrosphere = liquid, solid or vapor water
-Biosphere = the planet’s living organisms and theabiotic (nonliving) portions of the environment
Boundaries overlap, so the systems interact
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Ecosystems
Ecosystem = all organisms and nonliving entities thatoccur and interact in a particular area at the same time
-It includes abiotic and biotic components
Biological entities are tightly intertwined with chemicaland physical entities
-Through interactions and feedback loops
Ecosystems receive, process and transform inputs ofenergy
-While cycling and recycling matter
-Outputs produced include heat, water, wastes
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Systems of interacting entities in ecosystems
Energy from the sun flows in one direction
-Arriving as radiation and leaving as heat
Matter is recycled within ecosystem
-Through food-web relationships and decomposition
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Energy is converted to biomass
Primary production = conversion of solar energy tochemical energy in sugars by autotrophs
Gross primary production (GPP) = assimilation ofenergy by autotrophs
Net primary production (NPP) = energy remainingafter respiration which is used to generate biomass
-Available for consumption by heterotrophs
Secondary production = biomass generated byheterotrophs from consuming autotrophs
Productivity = rate at which ecosystems generatebiomass
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Net primary productivity of ecosystems
High net primary productivity = ecosystems whoseplants rapidly convert solar energy to biomass
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NPP variation causes global geographicpatterns
NPP increases with temperature and precipitation onland, and with light and nutrients in aquatic ecosystems
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Nutrients can limit productivity
Nutrients = elements and compounds required forsurvival that are consumed by organisms
Macronutrients = required in larger amounts
-Nitrogen, carbon, phosphorus
Micronutrients = nutrients needed in smaller amounts
Nutrients stimulate plant production
-Nitrogen and phosphorus are important for plant andalgal growth
Dramatic growth of algae inwater treated with phosphate
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Nutrient runoff is devastating aquaticsystems
Nitrogen is the more important limiting factor forprimary productivity
-In coastal ocean waters
-Iron is an effective nutrient for open ocean waters
Satellite imagery gives scientists an improved view ofproductivity at regional and global scales
Phytoplankton blooms off theLouisiana coast
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Worldwide marine dead zones
Over 400 dead zones occur globally
-Most are off the coasts of Europe and the U.S.
-Mostly due to farm, city and industrial pollution
-Some are seasonal, others are permanent
Fisheries and ecosystems are devastated
-Causing over $2 billion/year in lost harvests
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Ecosystems interact spatially
Ecosystems vary greatly in size
-From a puddle of water to a bay, lake or forest
The term “ecosystem” is most often applied to self-contained systems of moderate geographic extent
Adjacent ecosystems may share components and interact
-I.e. prairie and forests interact where they converge
Ecotones = transitional zones between two ecosystems
-Elements of each ecosystem mix
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Landscape ecology = studies how landscape structure affectsthe abundance, distribution, and interaction of organisms
-Helpful for sustainable regional development
Patches = form the landscape
-Are spread spatially in complex patterns (a mosaic)
-I.e. forested patches within an agricultural landscape
-Widely spaced patches endanger organisms
Landscape ecology
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Metapopulations and conservation biology
Metapopulation = a network of subpopulations
-Most members stay within patches
-Some individuals may move among patches or matewith those of other patches
-Individuals in small, isolated patches risk extinction
Conservation biologists = study the loss, protection, andrestoration of biodiversity
Human development fragments habitat
-Creating small, isolated patches
-Habitat corridors that link patches protect biodiversity
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Remote sensing applies landscape ecology
Remote sensing allows scientiststo take a landscape perspective
Geographic information system(GIS) = computer software used inlandscape ecology research
-Analyzes how elements of alandscape are arranged
-Helps in planning and land-usedecisions
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Modeling helps us understand systems
model = a simplified representation of a complexnatural process
-Helps us understand the process and make predictions
Ecological modeling = constructs and tests models
-To explain and predict how ecological systems work
Researchers gather data and form a hypothesis aboutrelationships
-Models predict how the system will behave
-New data refine and increase the model’s accuracy
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Ecological modeling
Ecological modeling resembles the scientific method
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Ecosystems provide vital services
Human society depends on healthy, functioningecosystems
-They provide goods and services we need to survive
Ecosystem services = provided by the planet’s systems
-Soil formation, water and air purification, pollination
-Breakdown of some pollutants and waste
-Quality of life issues (inspiration, spiritual renewal)
-Nutrient cycling
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Ecosystem goods and services
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Nutrients circulate through ecosystems
Matter is continually circulated in ecosystems
Nutrient (biogeochemical) cycles = the movement ofnutrients through ecosystems
-Atmosphere, hydrosphere, lithosphere, and biosphere
Pools (reservoirs) = where nutrients reside for varyingamounts of time (the residence time)
Flux = the rate at which materials move between pools
-Can change over time
-Is influenced by human activities
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Main components of a biogeochemical cycle
Source = a pool that releases more nutrients than itaccepts
Sinks = a pool that accepts more nutrients than it releases
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The hydrologic cycle
Water is essential for biochemical reactions
-It is involved in nearly every environmental system
Hydrologic cycle = summarizes how liquid, gaseous andsolid water flows through the environment
-Oceans are the main reservoir
Evaporation = water moves from aquatic and landsystems into the atmosphere
Transpiration = release of water vapor by plants
Precipitation, runoff, and surface water = water returnsto Earth as rain or snow and flows into streams, oceans,etc.
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Transpiration
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Groundwater
Aquifers = underground reservoirs of sponge-likeregions of rock and soil that hold…
-Groundwater = water found underground beneathlayers of soil
Water table = the upper limit of groundwater in anaquifer
-Water may be ancient (thousands of years old)
Groundwater becomes exposed to the air where the watertable reaches the surface
-Exposed water runs off to the ocean or evaporates
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The hydrologic cycle
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Human impacts on the hydrologic cycle
Removing forests and vegetation increases runoff anderosion, reduces transpiration and lowers water tables
Irrigating agricultural fields depletes rivers, lakes andstreams and increases evaporation
Damming rivers increases evaporation and infiltration
Emitting pollutants changes the nature of precipitation
The most threatening impact: overdrawing groundwaterfor drinking, irrigation, and industrial use
-Water shortages create worldwide conflicts
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The carbon cycle
Carbon is found in carbohydrates, fats, proteins, bones,cartilage and shells
Carbon cycle = describes the route of carbon atomsthrough the environment
Photosynthesis by plants, algae and cyanobacteria
-Removes carbon dioxide from air and water
-Produces oxygen and carbohydrates
-Plants are a major reservoir of carbon
Respiration returns carbon to the air and oceans
-Plants, consumers and decomposers
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Sediment storage of carbon
Decomposition returns carbon to the sediment
-The largest reservoir of carbon
-May be trapped for hundreds of millions of years
Aquatic organisms die and settle in the sediment
-Older layers are buried deeply and undergo highpressure
-Ultimately, it may be converted into fossil fuels
Oceans are the second largest reservoir of carbon
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The carbon cycle
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Humans affect the carbon cycle
Burning fossil fuels moves carbon from the ground to theair
Cutting forests and burning fields moves carbon fromvegetation to the air
Today’s atmospheric carbon dioxide reservoir is thelargest in the past 800,000 years
-It is the driving force behind climate change
The missing carbon sink: 1-2 billion metric tons ofcarbon are unaccounted for
-It may be taken up by plants or soils of northerntemperate and boreal forests
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The nitrogen cycle
Nitrogen comprises 78% of our atmosphere
-It is contained in proteins, DNA and RNA
Nitrogen cycle = describes the routes that nitrogenatoms take through the environment
-Nitrogen gas cannot be used by organisms
Nitrogen fixation = lightning or nitrogen-fixingbacteria combine (fix) nitrogen with hydrogen
-To form ammonium
-Which can be used by plants
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Nitrification and denitrification
Nitrification = bacteria convert ammonium ions first intonitrite ions then into nitrate ions
-Plants can take up these ions
Animals obtain nitrogen by eating plants or other animals
Decomposers get it from dead and decaying plants orother animals
-Releasing ammonium ions to nitrifying bacteria
Denitrifying bacteria = convert nitrates in soil or waterto gaseous nitrogen
-Releasing it back into the atmosphere
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The nitrogen cycle
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Humans affect the nitrogen cycle
Haber-Bosch process = production of fertilizers bycombining nitrogen and hydrogen to synthesize ammonia
-Humans overcame the limits on crop productivity
Fixing atmospheric nitrogen with fertilizers
-Increases emissions of greenhouse gases and smog
-Washes calcium and potassium out of soil
-Acidifies water and soils
-Moves nitrogen into terrestrial systems and oceans
-Reduces diversity of plants adapted to low-nitrogensoils
-Changed estuaries and coastal ecosystems and fisheries
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Humans put nitrogen into the environment
Fully half of nitrogen entering the environment is of human origin
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The phosphorus cycle
Phosphorus (P) is a key component of cell membranes,DNA, RNA, ATP and ADP
Phosphorus cycle = describes the routes that phosphorusatoms take through the environment
Most phosphorus is within rocks
-It is released by weathering
-There is no significant atmospheric component
With naturally low environmental concentrations
-Phosphorus is a limiting factor for plant growth
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The phosphorus cycle
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Humans affect the phosphorus cycle
Mining rocks for fertilizer moves phosphorus from thesoil to water systems
Wastewater discharge also releases phosphorus
Runoff containing phosphorus causes eutrophication ofaquatic systems
-Produces murkier waters
-Alters the structure and function of aquatic systems
-Do not buy detergents that contain phosphate
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Solutions to the dead zone
The Harmful Algal Bloom and Hypoxia Research andControl Act (1998)
-Called for an assessment of hypoxia in the dead zone
Solutions outlined included:
-Reduce nitrogen fertilizer use in Midwestern farms
-Apply fertilizer at times which minimize runoff
-Use alternative crops and manage manure better
-Restore wetlands and create artificial ones
-Improve sewage treatment technologies
-Evaluate these approaches
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Decreasing pollution
Scientists, farmers and policymakersare encouraged to
-Decrease fertilizer use
-While safeguarding agriculture
Offering insurance and incentives
Using new farming methods
Planting cover crops
Maintaining wetlands
There have been some successes
-Despite a lack of funding
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Conclusion
Thinking in terms of systems teaches us how to avoiddisrupting Earth’s processes
-How to mitigate any disruptions we cause
Life interacts with its nonliving environment in ecosystems
-Through which energy flows and matter recycles
Understanding biogeochemical cycles is crucial
-Humans are significantly changing the ways thesecycles function
Environmental systems have survived
-Sustainability means learning from natural systems
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QUESTION: Review
Which of the following describes a negative feedback loop?
a)It drives a system towards an extreme
b)It stabilizes the system
c)It causes the system to move in one directionat a time
d)It is rare in nature
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QUESTION: Review
Which of the following statements is NOT correct?
a)A system is a network of relationships amongvarious components.
b)In a dynamic equilibrium, system processes move inopposing directions to balance their effects.
c)A system in homeostasis is not able to maintainconstant (stable) internal conditions.
d)A system with emergent properties has characteristicsthat are not evident in the components alone.
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QUESTION: Review
Which of the following is a correct statement?
a)Energy and matter flow in one direction only
b)Energy and matter both cycle repeatedly
c)Energy flows in one direction, while matter recycles
d)Matter flows in one direction, while energy recycles
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QUESTION: Review
What is the definition of secondary production?
a)Biomass generated by heterotrophs fromconsuming autotrophs
b)Elements and compounds that are required forsurvival
c)Energy remaining after respiration that is used togenerate plant biomass
d)Assimilation of energy by autotrophs
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QUESTION: Review
Which biogeochemical cycle uses photosynthesis andrespiration to cycle its atoms?
a)Carbon
b)Nitrogen
c)Water
d)Phosphorus
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QUESTION: Review
Which biogeochemical cycle is being affected byincreased fertilizer production through the Haber-Boschprocess?
a)Carbon
b)Nitrogen
c)Water
d)Phosphorus
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QUESTION: Review
Which of the following is NOT a way to decreasehypoxia?
a)Reduce fertilizer use in the MidwesternUnited States
b)Apply fertilizer during spring rains
c)Restoring wetlands
d)Improving sewage treatment technologies
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QUESTION: Weighing the Issues
Which of the following ecosystem services do you thinkis the most important?
a)Providing services such as water purification
b)Providing goods such as food
c)Enhancing the quality of our lives, such asspiritual renewal
d)All of these are fundamentally important
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QUESTION: Interpreting Graphs and Data
How many terrestrial patchesare located in this figure?
a) 5
b) 2
c)1
d)3
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