Stickstoff- und andere Stoffkreisläufe

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1 Globale Ökologie Stickstoff- und andere Stoffkreisläufe Wintersemester 2009/2010 Wolfgang Cramer Univ. Potsdam, Geoökologie, Globale Ökologie -> Lehre / Teaching

2 Werfen Sie ruhig mal einen Blick auf die Webseite ( Seit heute mit zwei aktuellen Lesetipps: Alberts B 2009 On becoming a scientist. Science 326:916 Smith KL, Ruhl HA, Bett BJ, Billett DSM, Lampitt RS & Kaufmann RD Climate, carbon cycle, and deep-ocean ecosystems. PNAS 106(46):

3 Der C Kreislauf ist Letzte Woche der Antrieb des Klimasystems vor allem durch die Biosphäre beeinflusst Die C-Bilanz zwischen Atmosphäre und Biosphäre ist das Ergebnis zweier sehr grosser, entgegengesetzter Flüsse vom Menschen beeinflusst

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5 Kohlendioxyd Methan Lachgas

6 Das Atmen der Atmosphäre Atm. CO2 (ppmv) Mauna Loa Jahre Atm. CO2 (ppmv) Respiration Jan Feb Mar Apr May Jun Photosynthese Jul Monat Aug Sep Oct Nov Dec

7 Stomatale Kontrolle von CO2-Aufnahme und H2O-Abgabe AET Ci AET Ci Canopy Conductance (Conductance=Leitfähigkeit, Reziprokwert des Widerstands, Einheit: mm/s) Stickstoff- und andere Kreisläufe

8 Globale NPP (g C m -2 d -1 )

9 Kohlenstoffflüsse zwischen Atmosphäre und Biosphäre Bruttoprimärproduktivität (GPP): Aufnahme der Pflanzen durch Photosynthese autotrophe Respiration (R a ): Pflanzen-Atmung ca 120 Gt/Jahr ca 60 Gt/Jahr Nettoprimärproduktivität (NPP): Aufnahme der Pflanzen durch Photosynthese minus Atmung ca 60 Gt/Jahr Nettoökosystemproduktivität (NEP): NPP minus Zersetzung der Streu im Boden ca 6 Gt/Jahr Nettobiomproduktivität (NBP): NEP minus Verluste durch Ernte, Feuer und Schädlinge ca 1-2 Gt/Jahr

10 Globale NBP (g C m -2 d -1 )

11 Kohlenstoffkreislauf

12 Heute: andere biogeochemische Kreisläufe Nährstoffhaushalt von Pflanze und Tier Makro- und Mikronährstoffe Nährstoffzufuhr in Ökosysteme Nährstoffexport aus Ökosystemen Stickstoffkreislauf Andere Nährstoffkreisläufe Wasserkreislauf

13 Nährstoffhaushalt von Pflanze und Tier Die biogeochemischen Kreisläufe der von Lebewesen benötigten Elemente haben organische und anorganische Phasen Es gibt in der Regel anorganische Reserven (in der Atmosphäre, Lithosphäre oder Hydrosphäre) Die Umsetzungsrate im Kreislauf ist begrenzt durch die Aufnahmerate der Organismen aus der anorganischen Reserve, oder durch die Rückführungsrate in die Reserve

14 Nährstoffhaushalt von Pflanze und Tier Lebewesen brauchen ca chemische Elemente für ihren Stoffwechsel Manche Stoffwechselprodukte haben einfache Struktur (Kohlenhydrate, nur C und H 2 O), andere sind komplexer (Aminosäuren, Proteine) und benötigen mehr verschiedene Nährstoffe

15 Nährstoffhaushalt von Pflanze und Tier Makronährstoffe: (> 1% Trockengewicht): Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Phosphor (0.2-1%): Schwefel, Chlor, Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium, Eisen, Kupfer Mikronährstoffe: Aluminium, Bor, Brom, Chrom, Kobalt, Fluor, Gallium, Jod, Mangan, Molybdän, Selen, Silizium, Strontium, Zinn, Titan, Vanadium, Zink

16 Nährstoffhaushalt von Pflanze und Tier Nährstoffzufuhr in Ökosysteme: Verwitterung Ca, Mg, Ka, Na, Si, Fe, Al, P alle Mikronährstoffe Direkte Aufnahme aus der Atmosphäre C (Photosynthese) N (Blitzschlag, Deposition) Cl, Ca, Na (Deposition) Biologische Fixierung von Stickstoff Leguminosen (Rhizobium-Symbiose) Andere Symbiosen Blaualgen Einwanderung von Organismen

17 Nährstoffhaushalt von Pflanze und Tier Nährstoffausfuhr aus Ökosystemen: Bodenerosion Auswaschung in Grundwasser und Fließgewässer Gasförmige Verluste Auswanderung, Ernte

18 Stickstoffkreislauf Einer der wichtigsten Nährstoffkreisläufe in Landökosystemen N wird gebraucht für Aminosäuren, Proteine, DNA, RNA etc. Obwohl Hauptbestandteil der Atmosphäre (N 2 ), häufig limitierend für Pflanzenproduktion (Liebig) Kann von höheren Pflanzen nur als Ammonium (NH 4+ ) oder Nitrat (NO 3- ) aufgenommen werden Leguminosen: Symbiose mit Rhizobium Andere Pflanzen (Erlen): Symbiose mit Frankia Blaualgen Alle anderen nehmen N aus organischer Substanz auf

19 Stickstoff-Fixierung (aus Chapin et al. 2002) Type of association Key characteristic Genera Heterotrophic N fixer Bacteria Associative Nodulated legume Rhizobium nonlegume woody Frankia Non-nodulated rhizosphere Azotobacter Free living aerobic anaerobic Phototrophic N fixer Associative lichens Calothris liverworts, mosses Free living Cyanobacteria, Sulfur bacteria Clostridium

20 Sumpf-Hornklee (Lotus pedunculatus) Stickstoff- und andere Kreisläufe

21 Sumpf-Hornklee (Lotus pedunculatus) Stickstoff- und andere Kreisläufe

22 Erle (Alnus sp.) Stickstoff- und andere Kreisläufe

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24 Wurzelknöllchen der Sojabohne

25 Stickstoffkreislauf Hauptspeicher in Ökosystemen ist lebende und tote Biomasse Destruenten erzeugen aus Biomasse über Ammoniak (NH 3 ) Ammoniumsalze (NH 4+ ) - Mineralisation

26 Stickstoffkreislauf Ammonium ist an Oberflächen von Tonmineralen gebunden und kann durch Kationenaustausch pflanzenverfügbar gemacht werden Nitrifikation: Autotrophe Bakterien (Nitrosomonas sp.) erzeugen aus Ammonium Nitrit (NO 2- ) Andere Bakterien (Nitrobacter sp.) erzeugen aus Nitrit Nitrat (NO 3- ) Auswaschung/Denitrifikation: Nitrat wird leicht ausgewaschen und kehrt durch Denitrifikation als N 2 oder N 2 O in die Atmosphäre zurück (im Ozean oder wassergesättigtem Boden)

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28 Stickstoffkreislauf 79%, Gt Luft N 2 Denitrifizierung N 2 O Blitzschlag Düngemittel Symbiose Atmosphärische Umwandlung Industrielle Umwandlung Biologische Umwandlung 3-10 Gt/yr Gt/yr Gt/yr NO, NO 2 NO 3 - NO 2 - NH 3 N in org. Material Boden

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30 Menschliche Einflußnahme auf den Stickstoffkreislauf Verdoppelte N-Aufnahme der Biosphäre durch Düngemittelproduktion (ca 80 Gt N/a) und stickstoffbindende Kulturpflanzen (ca Gt N/a) Stickoxid-Emissionen (N 2 O, Treibhausgas!) aus Landwirtschaft (Düngung, Tierproduktion) Ammoniak (NH 3 ) von Haustieren, Fäkalien, Biomasseverbrennung Negative Auswirkungen: Treibhausgasemission Eutrophierung, Biodiversitätsverlust etc.

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34 Phosphorkreislauf Phosphor übernimmt wichtige Funktionen in Pflanze und Tier (DNA, RNA, ATP, ADP, Zellmembranen, Knochen) Nicht überall verfügbar, normalerweise in fester Form: Gesteine (Apatit) oder rezente Sedimente (Guano) Transport normalerweise über Wasser, in der Atmosphäre nur als Staub Menschliche Einflußnahme durch Düngemittel (NPK)

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36 Phosphorkreislauf (Gt, Gt yr -1 ) Biologische Produktion: 980 Landökosysteme Meeresoberfläche 2800 Abbau: 940 Marine Ökosysteme 44 Produktion / Abbau: Verwitterung: 2 Diffusion: 18 Aufwärtstransport: 56 Gewinnung: 12 Absinken: 40 Böden Verwitterung: 18 Hebung: 20 Sedimente gewinnbar Tiefsee Sedimentbildung: 2

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38 Andere Nährstoffe Schwefel Eisen etc.

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40 Wasserkreislauf

41 Die Wasservorräte der Erde Volumen [1000 km 3 ] % an allem Wasser % an allem Süßwasser Aufenthaltszeit Ozeane a Atmosphäre d Eis, Gletscher a Grundwasser a Bodenwasser a Seen a Sümpfe a Flüsse d Biosphäre mehrere h alles Wasser alles Süßwasser nach Korzun 1974

42 Precipitation 458 Transpiration 72 Precipitation 119 Evaporation 505 Evaporation River discharge 45 Ocean Land Lake Groundwater flow Percolation Der globale Wasserkreislauf [10 3 km yr -1 ]

43 Partitionierung von Niederschlag und Verdunstung

44 Stomatale Kontrolle Von CO2Aufnahme und H20-Abgabe AET Ci AET Ci Canopy Conductance (Conductance=Leitfähigkeit, Reziprokwert des Widerstands, Einheit: mm/s) Stickstoff- und andere Kreisläufe

45 Niederschlag [mm/d]

46 Verdunstung [mm/d]

47 Simulierter Abfluss [mm/d]

48 Beobachteter Abfluss [mm/d]

49 Take home messages Der C-Kreislauf ist maßgeblich vom Menschen beeinflusst Stickstoff- und andere Stoffkreisläufe werden ebenfalls stark verändert und beinhalten Unsicherheiten für die Zukunft Der Wasserkreislauf ist direkt mit dem C-Kreislauf verbunden