26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre

Die Rolle der Landbiosphäre im Klimasystem

Sommersemester 2005Martin Claussen & Wolfgang Cramer

Struktur und Eigenschaftender Landbiosphäre

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Das Erdsystem

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Übersicht

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

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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

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Organismen

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

/ Mortalität

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Antrieb der biosphärischen Prozesse

• Photosynthese6 H2O + 6 CO2 -> C6H12O6 + 6 O2

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Schritt 1: Energie gewinnen

Photosysteme I und II:NADP, ADP, H20 NADPH2, ATP, O2

Durch Licht angeregteEnergiekaskade

Dabei wird Wasser gespaltenund Sauerstoff abgegeben

… und Energieträger ATP undNADPH zur C-Fixierung

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Schritt 2: CO 2 fixieren

Calvin-Zyklus:NADPH2, ATP, CO2

NADP, ADP, PGA, C6H1206

Rubisco = Ribulose-1,5-Biphosphat-Carboxylase/Oxygenase:Primäres Enzym für die C-Fixierung in C3-Pflanzen

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AET

Ci

AET

Ci

Stomatäre Kontrolle von CO2-Aufnahme und H2O-Abgabe

“Canopy Conductance”(Conductance=Leitfähigkeit,Reziprokwert des Widerstands, Einheit: mm/s)

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Antrieb der biosphärischen Prozesse

• Photosynthese6 H2O + 6 CO2 -> C6H12O6 + 6 O2

• Autotrophe RespirationDeckung des Energieverbrauchs der Pflanze für Wachstum, Fortpflanzung etc.

• Allokationvon Kohlehydraten in unterschiedlichen Pflanzenteilen

• Heterotrophe RespirationAbbau organischer Substanz im Boden

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RelevanteOrgane einerPflanze

Zuwachs (NPP = ∆C):Wo geht derKohlenstoff hin?

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Was bestimmt die Struktur der Biosphäre?

Umweltfaktoren mit Bedeutung für Organismen:–Strahlung (Sonnenlicht)–Wasser–Nährstoffe–Schutz vor Zerstörung lebenswichtiger

Organe (z.B. durch Frost)

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Strahlung

• Dauer• Intensität• Rhytmus• spektrale Zusammensetzung• Temperatur

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Wasser

• Dauer• Menge• Inhaltsstoffe (Nährstoffe, Toxine)

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Nährstoffe

• Ausgangsgestein

• Atmosphärisches CO2

• Eintrag durch Düngung oder Verschmutzung

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Schutz vor Zerstörung

• Frostschäden• Trockenschäden• Andere Umweltextreme

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Vereinfachung der Organismenvielfalt

• Lebensformen (Raunkiær)• Funktionale Pflanzentypen (pft's)

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Lebensformen

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Pflanzentypen

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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

26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der LandbiosphäreBIOME 1

26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der LandbiosphäreBIOME 1

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Biome

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

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Tundra

• Permafrostboden• Geringe Vegetationsbedeckung• Anpassung an niedrige Temperaturen

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Boreale Nadelwaldzone

• Immergrüne Koniferenwälder• Anpassung an niedrige

Wintertemperaturen und kurzes Frühjahr

• Im besonders kontinentalen Bereich laubabwerfend (Lärche), sonst immergrün

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Temperierte Laubwaldzone

• Primär laubabwerfende Bäume und Sträucher mit breiten Blättern

• Geringere Frosthärte• Höhere Produktivität

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Mediterrane Hartlaubgehölze

• An Trockenstress im Sommer angepasst, produktiv im Frühjahr und Herbst

• Feuertolerant

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Steppe

• Grasland mit Anpassung an niedrige Wintertemperaturen

• Kohlenstoffspeicher unterirdisch (“Schwarzerde”)

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Wüste

• Nur an extreme Trockenheit angepasste Pflanzen und Tiere, geringe Bedeckung

• Blattentwicklung und Fortpflanzung in sehr kurzer Zeit nach Niederschlag möglich

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Savanne

• Gemisch von Grasland und vereinzelten Bäumen

• Regelmässige Brände• Rolle des Menschen nicht restlos geklärt

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Tropischer laubabwerfender Wald

• Kontinuierlicher Übergang Wüste – Halbwüste – Savanne – Wald

• Grössere Dichte an Gehölzen• Laubabwurf in Trockenperiode

(regelmässig)

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Tropischer Regenwald

• Keine jahreszeitliche Variabilität• Extrem hohe Biodiversität (Anpassung

an kleine Nischen)

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KohlenstoffvorräteBiom Fläche

(106 km2) Vegetation Soils TotalTropische Wälder 17,6 212 216 428Temperierte Wälder 10,4 59 100 159Boreale Wälder 13,7 88 471 559Savannen 22,5 66 264 330Temperierte Grasländer 12,5 9 295 304Wüsten & Halbwüsten 45,5 8 191 199Tundra 9,5 6 121 127Feuchtgebiete 3,5 15 225 240Landwirtschaft 16 3 128 131Total 151,2 466 2011 2477

Kohlenstoffvorrat (Gt C)

26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der LandbiosphäreSeconds Minutes Hours Years Decades Centuries

Molecules

Cells

Leaves

Plants

Ecosystems

Biosphere

global biogeochemistry

evolution

disturbance and successionstorms, fire

photosynthesis

plant metabolism

water- andnutrient budget

Interacting Scales in Biogeochemistry

carbon allocationand growth

competition for resourcesand ecological strategies

geographical distribution ofvegetation types

plant seasonality

From Wolfgang Lucht, PIK

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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)

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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)

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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

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DemographyEconomyLife StylesTechnologyTrade

Agriculture

(Non-Climatic) Global Change

coupled

Climate Change

CO2

Harvest

Wood ProductsBioenergy

SubstitutionGeologicSequestration

CO2

H2O

Global Biogeochemistry Socioeconomic Metabolism

IrrigationEvaporation

Land UseChange

From Wolfgang Lucht, PIK