Sommersemester 2005 Martin Claussen & Wolfgang Cramer. Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre

Transkript

1 Die Rolle der Landbiosphäre im Klimasystem Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre Sommersemester 2005 Martin Claussen & Wolfgang Cramer

2 Das Erdsystem

3 Übersicht Definition Antrieb der biosphärischen Prozesse Strukturbestimmende Parameter Lebensformen Biome Globale Flüsse Erforschungsgeschichte Land- und marine Biosphäre Beziehung Biosphäre - Anthroposphäre

4 Die Biosphäre Die Erde ist der einzige bekannte Planet mit Biosphäre Vorkommen von Lebewesen als dünner und brüchiger "Film" auf der Erdoberfläche, von ca 10 km unterhalb bis ca 10 km oberhalb des Meeresspiegels (ca 0.2% des Erddurchmessers) Produktive Zone an Land bis zu 100m dick (Wurzeln und oberirdische Pflanzenteile) im Ozean in selten Fällen mehr als 100m (besondere Ausnahme: heiße Quellen im tiefen Ozean) (Abiotisches) Substrat Lebewesen

5 Organismen Autotrophe / heterotrophe Organismen Pflanzen / Tiere / Bakterien Produktion / Wachstum / Konkurrenz / Reproduktion / Migration / Mortalität

6 Antrieb der biosphärischen Prozesse Photosynthese 6 H2O + 6 CO2 -> C6H12O6 + 6 O2

7 Schritt 1: Energie gewinnen Photosysteme I und II: NADP, ADP, H20 NADPH2, ATP, O2 Durch Licht angeregte Energiekaskade Dabei wird Wasser gespalten und Sauerstoff abgegeben und Energieträger ATP und NADPH zur C-Fixierung

8 Rubisco = Ribulose-1,5-Biphosphat-Carboxylase/Oxygenase: Primäres Enzym für die C-Fixierung in C3-Pflanzen Schritt 2: CO2 fixieren Calvin-Zyklus: NADPH2, ATP, CO2 NADP, ADP, PGA, C6H1206

9 Stomatäre Kontrolle von CO2-Aufnahme und H2O-Abgabe AET Ci AET Ci Canopy Conductance (Conductance=Leitfähigkeit, Reziprokwert des Widerstands, Einheit: mm/s)

10 Antrieb der biosphärischen Prozesse Photosynthese 6 H2O + 6 CO2 -> C6H12O6 + 6 O2 Autotrophe Respiration Deckung des Energieverbrauchs der Pflanze für Wachstum, Fortpflanzung etc. Allokation von Kohlehydraten in unterschiedlichen Pflanzenteilen Heterotrophe Respiration Abbau organischer Substanz im Boden

11 Relevante Organe einer Pflanze Zuwachs (NPP = C): Wo geht der Kohlenstoff hin?

12 Was bestimmt die Struktur der Biosphäre? Umweltfaktoren mit Bedeutung für Organismen: Strahlung (Sonnenlicht) Wasser Nährstoffe Schutz vor Zerstörung lebenswichtiger Organe (z.b. durch Frost)

13 Strahlung Dauer Intensität Rhytmus spektrale Zusammensetzung Temperatur

14 Wasser Dauer Menge Inhaltsstoffe (Nährstoffe, Toxine)

15 Nährstoffe Ausgangsgestein Atmosphärisches CO2 Eintrag durch Düngung oder Verschmutzung

16 Schutz vor Zerstörung Frostschäden Trockenschäden Andere Umweltextreme

17 Vereinfachung der Organismenvielfalt Lebensformen (Raunkiær) Funktionale Pflanzentypen (pft's)

18 Lebensformen

19 Pflanzentypen

20 Lebensgemeinschaften Symbiose: direkte Abhängigkeit verschiedener Organismen voneinander Ökosystem: komplexe Beziehung von verschiedenen Organismen am gleichen Ort Landschaft: horizontale Beziehung von Ökosystemen untereinander Biom: Gruppierung von Ökosystemen in einer Klimazone Biosphäre: Gesamtheit der Organismen

21 BIOME 1

22 BIOME 1

23 Biome Tundra Boreale Nadelwaldzone (Taiga) Temperierte Laubwaldzone Mediterrane Hartlaubgehölze Steppe Wüste Savanne Tropischer laubabwerfender Wald Tropischer immergrüner Wald

24 Tundra Permafrostboden Geringe Vegetationsbedeckung Anpassung an niedrige Temperaturen

25 Boreale Nadelwaldzone Immergrüne Koniferenwälder Anpassung an niedrige Wintertemperaturen und kurzes Frühjahr Im besonders kontinentalen Bereich laubabwerfend (Lärche), sonst immergrün

26 Temperierte Laubwaldzone Primär laubabwerfende Bäume und Sträucher mit breiten Blättern Geringere Frosthärte Höhere Produktivität

27 Mediterrane Hartlaubgehölze An Trockenstress im Sommer angepasst, produktiv im Frühjahr und Herbst Feuertolerant

28 Steppe Grasland mit Anpassung an niedrige Wintertemperaturen Kohlenstoffspeicher unterirdisch ( Schwarzerde )

29 Wüste Nur an extreme Trockenheit angepasste Pflanzen und Tiere, geringe Bedeckung Blattentwicklung und Fortpflanzung in sehr kurzer Zeit nach Niederschlag möglich

30 Savanne Gemisch von Grasland und vereinzelten Bäumen Regelmässige Brände Rolle des Menschen nicht restlos geklärt

31 Tropischer laubabwerfender Wald Kontinuierlicher Übergang Wüste Halbwüste Savanne Wald Grössere Dichte an Gehölzen Laubabwurf in Trockenperiode (regelmässig)

32 Tropischer Regenwald Keine jahreszeitliche Variabilität Extrem hohe Biodiversität (Anpassung an kleine Nischen)

33 Kohlenstoffvorräte Biom Fläche Kohlenstoffvorrat (Gt C) (106 km2) Vegetation Soils Total Tropische Wälder 17, Temperierte Wälder 10, Boreale Wälder 13, Savannen 22, Temperierte Grasländer 12, Wüsten & Halbwüsten 45, Tundra 9, Feuchtgebiete 3, Landwirtschaft Total 151,

34 Interacting Scales in Biogeochemistry global biogeochemistry Biosphere disturbance and succession storms, fire Ecosystems evolution carbon allocation and growth geographical distribution of vegetation types plant seasonality Plants Leaves competition for resources and ecological strategies plant metabolism water- and nutrient budget Cells photosynthesis Molecules Seconds Minutes From Wolfgang Lucht, PIK Hours Years Decades Centuries

35 Landbiosphäre Höhere (autotrophe) Pflanzen mit unter- und überirdischen Teilen, insbesondere chlorophyll-haltigen Blättern Tiere und Menschen Boden als belebtes Substrat, enthält Wurzeln, Symbionten (Mykhorrhiza) und abbauende Organismen Ökosysteme als Strukturelement Sonderfall: Süßwasserökosysteme (ähnlich mariner Biosphäre)

36 Marine Biosphäre Schelfgebiete: 0 ca 200m Tiefe Kontinentalsockel: 200 ca 4000m Tiefe Tiefsee: unterhalb ca 4000m Tiefe Euphotische Zone: Zone mit Nettoprimärproduktion (Photosynthese), ca 100m Oberflächenwasser / Thermokline / Tiefenwasser Autotrophe / heterotrophe Organismen (Phytoplankton, Zooplankton)

37 Gemeinsamkeiten / Unterschiede Gemeinsamkeiten Land/Ozean: Primärproduktivität limitiert durch Energie (Licht) Nährstoffe Nahrungsketten und netze Unterschiede Land/Ozean: An Land besonders langlebige Organismen mit toter, struktureller Biomasse (Holz) Im Ozean schneller Abbau der durch Primärproduktion erzeugten Biomasse

38 Global Biogeochemistry Socioeconomic Metabolism Climate Change Geologic Substitution Sequestration CO2 CO2 coupled H2O Irrigation Evaporation Land Use Change From Wolfgang Lucht, PIK (Non-Climatic) Wood Products Bioenergy Harvest Demography Economy Agriculture Life Styles Technology Trade Global Change