Stickstoff- und andere biogeochemische Kreisläufe

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1 Globale Ökologie Stickstoff- und andere biogeochemische Kreisläufe Wintersemester 2010/2011 Wolfgang Cramer Univ. Potsdam, Erd- und Umweltwissenschaften, Globale Ökologie -> Lehre / "Teaching"

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

3 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

4 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

5 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

6 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

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

8 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

9 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

10 Sumpf-Hornklee (Lotus pedunculatus) Stickstoff- und andere biogeochemische Kreisläufe

11 Sumpf-Hornklee (Lotus pedunculatus) Stickstoff- und andere biogeochemische Kreisläufe

12 Erle (Alnus sp.) Stickstoff- und andere biogeochemische Kreisläufe

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14 Wurzelknöllchen der Sojabohne

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

16 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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18 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

19 Fig. 2 The size of nitrogen reservoirs on Earth is highly variable D. E. Canfield et al., Science 330, (2010) Published by AAAS

20 N-Export aus der Landwirtschaft Doney et al 2010

21 N-Export aus fossilen Brennstoffen Doney et al 2010

22 N-Deposition im Jahr 1860 Bobbink et al 2010

23 N-Deposition im Jahr 2000 Bobbink et al 2010

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25 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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29 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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31 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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33 Andere Nährstoffe Schwefel Eisen etc.

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35 Wasserkreislauf

36 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

37 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 ]

38 Partitionierung von Niederschlag und Verdunstung

39 Stomatale Kontrolle Von CO 2 - Aufnahme und H 2 0-Abgabe AET C i AET C i Canopy Conductance (Conductance=Leitfähigkeit, Reziprokwert des Widerstands, Einheit: mm/s)

40 Niederschlag [mm/d]

41 Verdunstung [mm/d]

42 Simulierter Abfluss [mm/d]

43 Beobachteter Abfluss [mm/d]

44 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

45 Nächstes Mal Andere globale Stoffkreisläufe