Ökosysteme
Ein Ökosystem besteht aus einem Biotop und der in diesem Raum lebenden Biozönose. Ökosysteme sind immer offene Systeme, was bedeutet, dass ein ständiger Stoffeintrag und Stoffaustrag mit der Umgebung stattfindet.
Besonders Stoffkreisläufe wirken oft über die Grenzen dieser Systeme hinaus und auch Lebewesen verweilen nicht zeitlebens in ein und demselben Ökosystem.
Themen auf dieser Seite:
Der Wald
Der Wald allgemein ist wohl eines der größten Ökosysteme der Erde. Er übt einen wesentlichen Einfluss auf das weltweite Klima aus, indem die Bäume der Wälder der Luft Kohlenstoffdioxid entziehen und Sauerstoff abgeben. Die großen Regenwälder in der Nähe des Äquators werden daher auch als Lungen der Erde bezeichnet. Damit tragen sie auch zur Aufrechterhaltung der Atmosphäre und der Biosphäre bei.
Unterscheidung von Wälder nach verschiedenen Gesichtspunkten:
- Einteilung nach dem Entwicklungsstadium des Waldes in Pionierwald (erste Jungtriebe und kleinere Bäume), Optimalphase (Vollständiger Kronenschluss) und Zerfallsphase (Absterbende Bäume)
- Einteilung nach vorkommenden Bäumen in Laubwald, Nadelwald und Mischwald
- Einteilung nach Vegetationszone in Regenwald, tropischer Regenwald, Auwald, Borealer Nadelwald und viele mehr
Wälder, die entweder von Menschenhand angelegt worden sind, stark durch sie beeinflusst werden oder forstwirtschaftlich genutzt werden, bezeichnet man als Forste. Meist handelt es sich dabei um Nutzbäume, die für die Beschaffung der Ressource Holz verwendet werden.
In einem Wald lassen sich verschiedene stockwerkartige Schichten erkennen. Auf dem Boden von Wäldern befindet sich die sogenannte Krautschicht, in der kleinere Gräser, Moose, Pilze und Kräuter wachsen. Etwas höher befindet sich die Strauchschicht. Hier wachsen bereits kleinere Büsche wie Brombeeren, Himbeeren oder andere strauchartige Gewächse. Erst dann kommen ein bis zwei Baumschichten, die eine Höhe von vielen Metern erreichen kann. Diese Stockwerkstruktur ist eine Anpassung an die verschiedenen Lichtverhältnisse im Wald.
Entstehung eines Waldes in drei Phasen:
- Zuerst kommt die Initialphase, bei der sich ausbreitungsstarke Arten zufällig auf einer freien Fläche ansiedeln. Besonders r-Strategen, wie Kräuter und Gräser, dominieren hier.
- Dann kommt die Folgephase, bei der eine sehr hohe Nettoprimärproduktion zum Aufbau von Biomasse führt. Hier wachsen dann vor allem Sträucher und Büsche.
- Am Ende befindet sich der Wald in einer Klimaxphase, in der sich ein Fließgleichgewicht zwischen der Bildung und dem Verbrauch von Biomasse einstellt. Hier überwiegen dann K-Strategen, zu denen vor allem die Bäume zählen.
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Der See
Als See bezeichnet man ein stehendes Gewässer mit einer gewissen Tiefe und einer gewissen Größe.
- Oben im See befindet sich die Nährschicht (trophogene Zone). Dies ist der Bereich des Sees, in dem noch genug Licht vorhanden ist, damit die im Wasser lebenden Algen Photosynthese betreiben können. In dieser Schicht wird also Sauerstoff produziert.
- Darunter liegt die Kompensationsebene. Hier wird genauso viel Sauerstoff verbraucht, wie auch produziert wird.
- Der untere Bereich eines Sees wird als Zehrschicht (tropholytische Zone) bezeichnet. Dies ist der Bereich im See, in dem keine Photosynthese mehr möglich ist, hier wird besonders viel Sauerstoff verbraucht. Hier leben ausschließlich Konsumenten und Destruenten.
- Die Sprungschicht (Thermokline) trennt das warme Oberflächenwasser vom kalten Tiefwasser.
Auch horizontal lässt sich ein See in verschiedene Bereiche einteilen. Das Litoral bezeichnet dabei die Uferzone eines Sees, in der die Primärproduzenten der Nährschicht angesiedelt sind (zum Beispiel Wasserpflanzen). Als Profundal wird dann die tiefere Bodenzone eines Sees bezeichnet.
Durch die Anomalie des Wassers (Höchste Dichte, also größtes Gewicht bei +4◦C) durchläuft ein See im Verlauf eines Jahres verschiedene Zirkulationen:
- Im Sommer liegt die warme Nährschicht des Sees oben, es findet kein Austausch von Nährstoffen mit den tieferen Schichten des Sees statt. In den oberen Schichten wird sehr viel Photosynthese betrieben.
- Im Herbst kühlen die oberen Wasserschichten ab und die kräftigeren Herbstwinde wirbeln das Wasser auf. Dadurch bilden sich im See Schichten mit nur wenigen Temperaturunterschieden, wodurch sich die Sprungschicht auflöst. Der See wird also durchmischt und die Nährstoffe verteilen sich im ganzen See.
- Im Winter schwimmt die Nährschicht wieder auf der Zehrschicht. Es findet kein Austausch von Nährstoffen statt und die Photosyntheserate ist sehr niedrig. Dadurch, dass das +4◦C schwere Wasser am schwersten ist, sinkt es im See immer zu Boden – die höheren Wasserschichten sind also unter Umständen kälter, als die tieferen Wasserschichten. Deshalb frieren Seen auch von
oben zu und nicht von unten. - Im Frühling wird die Photosyntheserate wieder angekurbelt und die oberen Schichten des Wassers erwärmen sich. Die Sprungschicht löst sich also wieder auf und der See wird durchmischt.
Durch extreme Nährstoffeinträge von außen kann es vorkommen, dass ein See „umkippt“. In der Fachsprache wird dies als Eutrophierung bezeichnet. Dieser Vorgang geschieht durch den Eintrag von zu viel Stickstoff und Phosphat. Beides wirkt für die Algen im See wie Dünger, sodass sie sich immer mehr vermehren. Dadurch gelangen die Sonnenstrahlen aber auch nicht mehr so tief in den See, die Nährschicht wird also immer dünner. Dadurch stirbt ein großer Teil der Algen wieder ab und sinkt herunter in die Zehrschicht. Dort wird durch die gesteigerte Zersetzung der toten Materie der Sauerstoffverbrauch erhöht, sodass der Nachschub an Sauerstoff aus den oberen Seeschichten nicht mehr ausreicht und anaerobe Mikroorganismen, also solche, die ohne Sauerstoff leben, sich stark vermehren. Diese Mikroorganismen zersetzen die tote Materie zwar weiter, bilden dabei jedoch giftige Stoffe wie Ammoniak (NH3) und Schwefelwassestoff (H2S). Diese Stoffe können einen See komplett vergiften und dafür sorgen, dass ein Großteil aller Lebewesen im See stirbt. Dieser Prozess kann im Sommer, wenn die Photosyntheserate über viele Tage sehr, sehr hoch ist, bereits in sehr kurzer Zeit geschehen.
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Das Fließgewässer
Zu den Fließgewässern gehören alle großen Flüsse genauso wie kleinere Bäche oder Bachläufe. Charakteristisch für sie ist ein mehr oder weniger stark und schnell fließender Wasserstrom, der im Normalfall in einer Quelle an einem höher gelegenen Punkt, wie zum Beispiel einem kleinen Gebirge, beginnt.
Das erste Drittel eines Fließgewässers wird als Oberlauf bezeichnet, während das Drittel in der Mitte der Mittellauf ist und das letzte Drittel, der Unterlauf, schließlich in einem größeren Meer oder einem See mündet.
Durch die Fließbewegung ist ein Bachlauf in der Regel das ganze Jahr über gut mit Sauerstoff versorgt, sodass die Nährstoffeinträge von außen sich nicht so schnell durch eine Eutrophierung bemerkbar machen. Bei kleineren Bachläufen, die in stark landwirtschaftlich geprägten Gebieten fließen, kann diese aber auch hier stattfinden. Ein Fließgewässer trägt die überschüssigen Nährstoffe dann auch mit sich, bis diese dann im Meer oder im See münden und auch hier für einen zu hohen Nährstoffeintrag sorgen können.
Der Stickstoffkreislauf
Der Stickstoffkreislauf beschreibt den Verlauf und die verschiedenen Zustände des Elements Stickstoff (N). Dieses ist für alle Lebewesen von einer enormen Bedeutung, da es in vielen molekularen Strukturen vorkommt (zum Beispiel der DNA). Stickstoff kommt überwiegend in der Atmosphäre und der Luft vor, kann aus der Luft aber nur von sehr wenigen Organismen aufgenommen und verarbeitet werden. Allen voran sind hier die die Bakterien der Gattung Rhizobium zu nennen. Diese können den molekularen Stickstoff auf der Luft aufnehmen und ihn fixieren (Stickstofffixierung). Dabei wird aus dem molekularen Stickstoff (N2) das Ammonium (NH+ 4). Dieses kann dann von Pflanzen, die mit den Bakterien eine Symbiose eingegangen sind, verwertet werden. So gelangt Stickstoff auch in die Nahrungskette von Tieren und anderen Lebewesen.
Bakterien und Archaeen können Ammonium auch weiter zu Nitrat (NO− 3 ) oxidieren (Nitrifikation). Auch das Nitrat kann von Pflanzen über die Wurzeln aufgenommen werden. Bei dem darauffolgenden Prozess, der Denitrifikation, wird das Nitrat dann wieder zu Stickstoff oder Stickstoffoxiden zerlegt und gelangt wieder in die Atmosphäre.
Für das Pflanzenwachstum und auch die industrielle Landwirtschaft ist Stickstoff von großer Bedeutung, da er als limitierender Faktor für den Ertrag gelten kann. Mithilfe des sogenannten Haber-Bosch-Verfahrens ist man daher in der Lage, durch eine technische Fixierung des Stickstoffs aus der Luft Kunstdünger herzustellen und so auf die Felder zu bringen. Eine permanente Überdüngung der Felder sorgt jedoch auch dafür, dass sich die Nährstoffe in den angrenzenden Ökosystemen anreichern können. Dadurch können stehende und fließende Gewässer eutrophieren. Außerdem sorgt der hohe Nitrateintrag immer wieder für eine Belastung des Grundwassers.
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