Dynamik der Biosphäre Kohlenstoff-, Wasserund Stickstoffkreislauf Wintersemester 2004/2005 Wolfgang Cramer Lehrstuhl "Globale Ökologie" http://www.pik-potsdam.de/~cramer -> "Teaching"
Heute... Kohlenstoffkreislauf (Abschluss) Wasserkreislauf Stickstoffkreislauf und andere Nährstoffkreisläufe Endogene & exogene Dynamik Biodiversität
Tropische Entwaldung Klimawirkung oder Landnutzungsänderung? (Cramer et al. 2004 Proc. Royal Society B)
Kohlenstoffverluste aus tropischer Entwaldung
Kohlenstoffbilanz des Amazonasgebietes für verschiedene Carbon Balance Amazonia (LPJ, 10yr running means) Entwaldungsraten (10jährige Mittelwerte) observed climate and different gleitende deforestation estimates 400 300 200 Mt C annual flux 100 no deforestation 0 low defor. (Achard) high defor. (Malhi) -100-200 -300-400 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Kohlenstoffbilanz des Amazonasgebietes für verschiedene Carbon Balance Amazonia (LPJ, 10yr running means) Entwaldungsraten (10jährige Mittelwerte) observed climate and different gleitende deforestation estimates 400 200 0 Mt C annual flux -200 no deforestation low defor. (Achard) high defor. (Malhi) -400-600 -800-1000 -1200 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
Kohlenstoffbilanz des Amazonasgebietes für verschiedene Carbon Balance Amazonia (LPJ, 10yr running means) Entwaldungsraten (10jährige gleitende Mittelwerte) ECHAM climate and different deforestation estimates Klimaszenario ECHAM4 (MPI Meteorologie Hamburg) 400 200 0 Mt C annual flux -200 no deforestation low defor. (Achard) high defor. (Malhi) -400-600 -800-1000 -1200 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
Wasserkreislauf
Transpiration Precipitation 458 72 Precipitation 119 Evaporation Evaporation 505 River discharge 45 Land Lake Percolation Groundw ater flow Ocean Der globale Wasserkreislauf [103 km yr-1]
Wasser auf der Erde 1000 km3 Ozean % total % Süßw. Verweilzeit 1338000 96.54 0 2500 yr Grundwasser 23400 1.688 30.06 1400 yr Bodenwasser 16.5 0.001 0.047 1 yr Eis 24364 1.758 69.56 <10000 yr Seen 176.4 0.0127 0.26 17 yr Moore 11.5 0.0008 0.03 5 yr Flüsse 2.1 0.0002 0.006 16 d Biol. Wasser 1.1 0.0001 0.003 Stunden 12.9 0.0009 0.037 8d 1385985 100 0 35029 2.53 100 Atmosph. Wasser total Süßwasser
Partitionierung von Niederschlag und Verdunstung
Stomatale Kontrolle Von CO2Aufnahme und H20-Abgabe AET Ci AET Ci Canopy Conductance (Conductance=Leitfähigkeit, Reziprokwert des Widerstands, Einheit: mm/s)
Niederschlag [mm/d]
Verdunstung [mm/d]
Simulierter Abfluss [mm/d]
Beobachteter Abfluss [mm/d]
Transpiration Precipitation 458 72 Precipitation 119 Evaporation Evaporation 505 River discharge 45 Land Lake Percolation Groundw ater flow Ocean Der globale Wasserkreislauf [103 km yr-1]
Stickstoffkreislauf
Stickstoffkreislauf Luft 79% N2 Blitzschlag Denitrifizierung N2O NO3- Atmosphärische Umwandlung 5-10 Gt/yr NO, NO2 NO2- Düngemittel Industrielle Umwandlung 30-50 Gt/yr NH3 Symbiose Biologische Umwandlung 90-140 Gt/yr N in org. Material Boden
Menschliche Einflußnahme auf den Stickstoffkreislauf Verdoppelte N-Aufnahme der Biosphäre Stickoxid-Emissionen Eutrophierung Biodiversitätsverlust
Andere Nährstoffe Schwefel Eisen Phosphor etc.
Exogene und endogene Dynamik Endogene Dynamik: Veränderungen der Biosphäre aufgrund biologischer Prozesse Produktivität, Respiration, Mortalität, Migration etc. Exogene Dynamik: Beeinflussung der Biosphäre durch Klima und Mensch Energie, Wasser, CO2, Nährstoffe Landnutzung
Endogene Dynamik Prozesse (u.a.): Produktivität & Respiration (C Aufnahme, Speicherung und Abgabe) Mortalität, Regeneration Konkurrenz Migration Biodiversität
Biodiversität Die Verschiedenheit und Variabilität von lebenden Organismen und den ökologischen Komplexen, in denen sie leben
I Motivation
Warum Biodiversität untersuchen?...eine "unmoralische Frage"?...weil Menschen bestimmte Aspekte von Biodiversität schützen wollen?...weil Biodiversität die "Funktion" der Biosphäre beeinflusst?
II Definitionen, Artenzahlen, Indizes
Definitionen Biodiversität: die Verschiedenheit und Variabilität von lebenden Organismen und den ökologischen Komplexen, in denen sie leben Diversität: Anzahl von Objekten oder ihre relative Häufigkeit Für Biodiversität gibt es Objekte auf verschiedenen Organisationsebenen, von vollständigen Ökosystemen bis zur chemischen Struktur der DNA Der Begriff Biodiversität umfasst daher Ökosysteme, Arten, Gene und ihre relative Häufigkeit.
Hierarchische Ebenen Ökosystemdiversität (Landschaft) Artenzahl Genetische Diversität
Arten... Populationen, innerhalb derer in der Natur ein freier Fluss von Genen stattfindet...sind unscharf voneinander abgegrenzt...haben begrenzte Lebensdauer
Artenzahlen
Aussterberate...kann nicht direkt beobachtet werden...ist vor allem im Ozean fast unbekannt...hat mit Beginn des 19. Jahrhunderts zugenommen...vergleichbar mit der Aussterberate während der großen Katastrophen am Ende des Paläozoikums...am größten in Tropenwäldern (ca 10000 Arten pro Jahr)
Evolution (Artenbildung) "Death is one thing; an end to birth is something else" Differenzierung neuer Arten ist eingeschränkt durch den Verlust an Biotopen
Indizes Alpha-Diversität: Zahl der Arten in einem homogenen Habitat Beta-Diversität: Zahl der Arten in einem Landschaftsausschnitt Gamma-Diversität: Zahl der Arten in einer großen Region
Strukturelle / funktionale Biodiversität Strukturelle D.: Einheiten sind Taxa (z.b. Arten) Funktionale D.: Einheiten unterscheiden sich (nur) hinsichtlich der Funktion (z.b. Lebensformen, funktionale Pflanzentypen, Nahrungspyramide)
III Natürliche Mechanismen zur Erhaltung der Biodiversität
Populationsdynamik
Sukzessionsdynamik
Feuer als Störungsfaktor file:///c:/winnt/profiles/kirsten.000/personal/my stuff/dissertation/disputation/back2.jpg Yellowstone NP
Systemstabilität Resilience Anpassungsfähigkeit
IV Bedeutung der Biodiversität für Mensch und Erdsystem
Kulturpflanzen...abgeleitet aus Wildpflanzen durch Selektion und Züchtung Genetisch modifizierte Organismen (GMOs)
Biodiversität in der Kulturlandschaft Kulturlandschaften können höhere Landschaftsdiversität aufweisen als natürliche Landschaften der gleichen Region
Themenübersicht Was ist die Biosphäre? Bedeutung der Biosphäre für die menschliche Gesellschaft Lebensgrundlage (Nahrung, Fasern, Wasser) Andere Werte (Biodiversität, Erholung, Klimaregulierung) Stoffkreisläufe (Kohlenstoff, Wasser, Stickstoff etc.) und Energiebilanz Exogene Dynamik (Beeinflussung der Biosphäre durch Klima und Mensch) Endogene Dynamik (Veränderungen der Biosphäre aufgrund biologischer Prozesse) Beobachtung der Biosphärendynamik Historische Veränderungen Szenarien möglicher Veränderungen in der Zukunft "Management" der Biosphäre