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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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Das Erdsystem
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Übersicht
• Definition• Antrieb der biosphärischen Prozesse• Strukturbestimmende Parameter• Lebensformen• Biome• Globale Flüsse• Erforschungsgeschichte• Land- und marine Biosphäre• Beziehung Biosphäre - Anthroposphäre
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Organismen
• Autotrophe / heterotrophe Organismen• Pflanzen / Tiere / Bakterien• Produktion / Wachstum / Konkurrenz / Reproduktion / Migration
/ Mortalität
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Antrieb der biosphärischen Prozesse
• Photosynthese6 H2O + 6 CO2 -> C6H12O6 + 6 O2
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
RelevanteOrgane einerPflanze
Zuwachs (NPP = ∆C):Wo geht derKohlenstoff hin?
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Strahlung
• Dauer• Intensität• Rhytmus• spektrale Zusammensetzung• Temperatur
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Wasser
• Dauer• Menge• Inhaltsstoffe (Nährstoffe, Toxine)
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Nährstoffe
• Ausgangsgestein
• Atmosphärisches CO2
• Eintrag durch Düngung oder Verschmutzung
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Schutz vor Zerstörung
• Frostschäden• Trockenschäden• Andere Umweltextreme
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Vereinfachung der Organismenvielfalt
• Lebensformen (Raunkiær)• Funktionale Pflanzentypen (pft's)
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Lebensformen
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Pflanzentypen
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der LandbiosphäreBIOME 1
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der LandbiosphäreBIOME 1
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Biome
• Tundra• Boreale Nadelwaldzone (Taiga)• Temperierte Laubwaldzone• Mediterrane Hartlaubgehölze• Steppe• Wüste• Savanne• Tropischer laubabwerfender Wald• Tropischer immergrüner Wald
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Tundra
• Permafrostboden• Geringe Vegetationsbedeckung• Anpassung an niedrige Temperaturen
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Boreale Nadelwaldzone
• Immergrüne Koniferenwälder• Anpassung an niedrige
Wintertemperaturen und kurzes Frühjahr
• Im besonders kontinentalen Bereich laubabwerfend (Lärche), sonst immergrün
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Temperierte Laubwaldzone
• Primär laubabwerfende Bäume und Sträucher mit breiten Blättern
• Geringere Frosthärte• Höhere Produktivität
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Mediterrane Hartlaubgehölze
• An Trockenstress im Sommer angepasst, produktiv im Frühjahr und Herbst
• Feuertolerant
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Steppe
• Grasland mit Anpassung an niedrige Wintertemperaturen
• Kohlenstoffspeicher unterirdisch (“Schwarzerde”)
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Savanne
• Gemisch von Grasland und vereinzelten Bäumen
• Regelmässige Brände• Rolle des Menschen nicht restlos geklärt
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Tropischer laubabwerfender Wald
• Kontinuierlicher Übergang Wüste – Halbwüste – Savanne – Wald
• Grössere Dichte an Gehölzen• Laubabwurf in Trockenperiode
(regelmässig)
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
Tropischer Regenwald
• Keine jahreszeitliche Variabilität• Extrem hohe Biodiversität (Anpassung
an kleine Nischen)
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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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)
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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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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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26.4.2005 Struktur und Eigenschaften der Landbiosphäre
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