Biosphäre und Kohlenstoffkreislauf

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Lorenz Adler
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1 Globale Ökologie Biosphäre und Kohlenstoffkreislauf Wintersemester 2010/2011 Wolfgang Cramer Univ. Potsdam, Erd- und Umweltwissenschaften, Globale Ökologie -> Lehre / "Teaching"

2 Heute... Was ist die Biosphäre (Rest von letzter Woche)? Kohlenstoffkreislauf

3 Die Biosphäre Die Erde ist der einzige bekannte Planet mit Biosphäre dünne und brüchige Schicht ( Film ) auf der Erdoberfläche, von ca 10000m unter bis ca 10000m oberhalb des Meeresspiegels (ca 0.2% des Erddurchmessers) Produktive Zone vertikale Ausdehnung an Land bis zu 100m (Wurzeln und oberirdische Pflanzenteile) im Ozean in selten Fällen mehr als 100m (besondere Ausnahme: heiße Quellen im tiefen Ozean) (Abiotisches) Substrat Lebewesen Autotrophe / heterotrophe Organismen Pflanzen / Tiere (Mensch) / Bakterien

Höhere (autotrophe) Pflanzen mit unter- und überirdischen Teilen, insbesondere chlorophyll-haltigen Blättern Tiere und Menschen Boden als belebtes Substrat,

4 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 Landbiosphäre Sonderfall: Süßwasserökosysteme (ähnlich mariner Biosphäre)

5 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)

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

7 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

Gemeinsamkeiten / Unterschiede Gemeinsamkeiten Land/Ozean: Primärproduktivität limitiert durch Energie (Licht) Nährstoffe Nahrungsketten und netze Unterschiede

8 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

9 Für den Menschen Nahrungsmittel Holz (Baustoff, Energieträger) Fasern (Papier, Kleidung, ) Erholung Lebensraum

10 Stöchiometrie: H 2960 O 1480 C 1480 N 16 P 1,8 S Warum Kohlenstoff? Kohlenhydrate Energie (Zucker, Stärke, Fette) Struktur (Cellulose, Chitin)

11 Kohlenstoffpools Pools Menge [Gt] Atmosphäre 720 Ozeane Lithosphäre > Landbiosphäre 2000 Lebende Biomasse 800 Tote Biomasse 1200 Süßwasser 1.5 Kohle, Öl, Gas, Torf 4130 (nach Falkowski 2000)

12 Stöchiometrie: H 2960 O 1480 C 1480 N 16 P 1,8 S Warum Kohlenstoff? Kohlenhydrate Energie (Zucker, Stärke, Fette) Struktur (Cellulose, Chitin) Treibhausgase

13 Ohne Treibhauseffekt: -18 C

15 Kohlendioxyd Methan Lachgas

17 [Tausend Jahre vor heute]

18 CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre CO 2 Sept. 88 Sept. 89 Sept. 90 Sept. 91 Sept. 92 South Equator North

19 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

21 Grüne Biosphäre

Interacting scales in land biosphere dynamics Biosphere Ecosystems Plants carbon allocation and growth global biogeochemistry disturbance and succession storms, fire evolution geographical

22 Interacting scales in land biosphere dynamics Biosphere Ecosystems Plants carbon allocation and growth global biogeochemistry disturbance and succession storms, fire evolution geographical distribution of vegetation types phenology Leaves Cells plant metabolism water- and nutrient budget competition for resources and ecological strategies Molecules photosynthesis Seconds Minutes Hours Years Decades Centuries von Wolfgang Lucht, PIK Biosphäre und Kohlenstoffkreislauf

23 Fotosynthese

24 20 μm Biosphäre und Kohlenstoffkreislauf

25 Fotosynthese NADP: Nicotinsäureamid-Adenin- Dinucleotid-Phosphat ATP: Adenosintriphosphat

26 Fotosynthese 2 Prozessteile lichtabhängig lichtunabhängig C4 vs. C3 Trennung Energiegewinnung und C-Assimilation Benötigt mehr Energie Spart Wasser

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

28 Transpiration

29 Wasserkreislauf Precip 9 Precip 110 Precip 458 Evap 9 Evapo 23 Transp 42 Runoff 45 Evap 503 Wasserfllüsse km 3 /a

30 Wasser- und C-Kreislauf sind über die Stomata der Pflanzen gekoppelt ca km 3 /a Transpiration Ca. 120 Gt C/a Kohlenstoff-aufnahme H 2 O & C

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

32 Respiration Dient der Energiegewinnung Photosynthese Wachstum Nährstoffaufnahme Abwehr Reparatur ca. 50% der Assimilate wird wieder durch die Pflanze selbst veratmet

33 Heterotrophe Respiration Kuyzakov 2006

34 Heterotrophe Respiration gc/m 2 /year

35 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

36 Entwicklung der atmosphärischen Quellen und Senken von CO 2

37 Δ C in Vegetation Veränderung der Kohlenstoffmenge aufgrund menschlicher Landnutzung Δ C im Boden Bondeau et al. 2007

38 Veränderung der Produktivität aufgrund menschlicher Landnutzung Bondeau et al. 2007

39 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

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

41 Kohlenstoffkreislauf

42 Nettoprimärproduktion (NPP) Cramer et al Global Change Biology

43 Nettoökosystemproduktivität (NEP) PgC/a Senke Quelle Cramer et al Global Change Biology

44 Der C Kreislauf ist Take home messages der Antrieb des Klimasystems vor allem durch die Biosphäre beeinflusst Der Wasserkreislauf ist eng mit dem C-Kreislauf verbunden Die C-Bilanz zwischen Atmosphäre und Biosphäre ist das Ergebnis zweier sehr grosser, entgegengesetzter Flüsse vom Menschen beeinflusst Der C-Kreislauf ist maßgeblich vom Menschen beeinflusst Emissionen aus Energieerzeugung Veränderungen der Biosphäre

45 Nächstes Mal Andere globale Stoffkreisläufe

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