Ökozonen der Erde

Assoc. Prof. Dr. Gudrun Wallentin | UNIGIS SalzburgInterfaculty Department of Geoinformatics - Z_GIS

University of Salzburg

Assoc. Prof. Dr. Gudrun Wallentin | UNIGIS SalzburgInterfaculty Department of Geoinformatics - Z_GIS

University of Salzburg

Ökozonen der ErdeKlima – Ökozonen – Mensch

gudrun.wallentin@sbg.ac.at

Basiskonzept „Geoökosysteme“

Geoökosysteme sind als selbstregulierende, in einem dynamischen Gleichgewicht funktionierende Wirkungsgefüge zwischen Biosystem, Geosystem und belebten Faktoren zu verstehen.

Wesentliche Aspekte, die im Rahmen der Bearbeitung dieses Basiskonzepts vermittelt werden sollen, sind die Vulnerabilität dieser Systeme, etwa durch Eingriffe des wirtschaftenden Menschen, aber auch deren Widerstandsfähigkeit (Resilienz) und Anpassungsfähigkeit (Adaption). Schülerinnen und Schüler sollen naturräumliche Gegebenheiten und deren anthropogene Überformung deshalb unter der Perspektive von Chance und Risiko abwägen und einschätzen lernen.

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1 Klima & Ökozonen 2 Ethik und Schutz 3 Ökonomie in Ökozonen 4 Ökosystem-Lehre 5 Zukunft hier und global

BlitzlichtÖkologie vom

Individuum -> ErdeNaturschutzethik Agrarökosysteme Bewertungsmaßstäbe Zukunft

Übung Ökozonen & Klima BiogeographieWirtschaft in, mit und

trotz ÖkozonenKlimawandel Google Earth Reise

Grundlagen Wasser, Strahlung Temperatur, Boden Synökologie Ökosystemlehre Systemtheorie

DiskussionGeographie |

Ökologie | Mensch Naturschutz Landwirtschaft heute

CO2 – Der Blick aus

dem All

Engagement als

Bürger

Ökozonen

konkretÖkozonen: Überblick

Tropen

---

Savannen, Wüsten

Gemäßigte Breiten,

---

Lorbeer, Hartlaub

Steppen,

---

Taiga, Tundra,

Eiswüsten

Ozeane

---

3

Hungry minds..

1898 - 1989 1938

Heinrich Walter Siegmar Breckle

Walter, Heinrich, and Sigmar W. Breckle, 1999. Vegetation und Klimazonen. 7. Auflage Ulmer, Stuttgart 544.

1934 - 2015

Jürgen Schultz

Schultz, Jürgen , 2016. Die Ökozonen der Erde. 5. Auflage UTB.

Begon, Michael, Robert W. Howarth, and Colin R. Townsend , 2016. Ökologie. Springer-Verlag.

1951

Michael Begon

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Online Ressourcen

Sammlung von Klimadiagrammenhttp://www.klimadiagramme.de/https://climatecharts.net/

Google Earth layer (.kml) ÖkozonenSeydlitz Atlas, S 196

Leistungsfeststellung

Portfolio (70%)Charakterisierung der neun Ökozonen. Jeweils 1 Seite pro Ökozone.

Beschreibung die jeweils charakteristische Vegetations- und Lebensformen aufgrund der vier vorherrschendenStandortfaktoren. (Wie schaut’s dort aus und warum?)

Text und passende Abbildungen.

Je zwei kommentierte Beispiele für Standorte mit Klimadiagramm und Foto (nicht aus der LV!).

Reflexion zu einem behandelten Thema Ihrer Wahl (zB Basiskonzept, Perspektiven Mensch-Natur, die Rolle der Wissenschaft, ..). 1 Seite.

Schreiben Sie im Stil einer wissenschaftlichen Diskussion: Gliedern Sie in Gutachten (Darstellung der Fakten) und Befund (am Gutachten aufbauende, faktenbasierte Argumentation Ihrer Interpretation / Bewertung)

Abgabe: 2 Tage vor der letzten Einheit

Virtuelle Reise (30%)Integration des Gelernten in der letzten Einheit in der Form von Gruppengesprächen.

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Biosphäre

Ölozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Organ

Gewebe

Zelle

Organelle

Molekül

Atom

Ökologie

global

lokal

6

Ökozone

Biosphäre

Ökozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Autökologieglobal

lokal

Standort-faktoren

Organismus

Reaktion auf Klima / Boden

7

Biosphäre

Ökozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Populationsökologieglobal

lokal

anderePopulationen

Population

Dynamik von Populationen

8

Biosphäre

Ökozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Synökologieglobal

lokal

Individuenanderer Arten

Individuum

Adaption, Konkurrenz,

Symbiose

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Biosphäre

Ökozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Ökosystemlehreglobal

lokal

abiotischerUmwelt

Biozönose

Kreisläufe von Materie und

Energie

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Biosphäre

Ökozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Landschaftsökologieglobal

lokal

Landschaft

Biozönose

Räuml. Struktur / ökolog. Prozesse

11

Biosphäre

Ökozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Ökologie der Erdeglobal

lokal

Klimazonen

Biome

zonale Vegetation

12

Biosphäre

Ökozone

Landschaft

Ökosystem

Biozönose

Population

Organismus

Biosphärenforschungglobal

lokal

Lithosphäre, Hydrosphäre, Athmosphäre

Biosphäre

Ökosphäre

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Autökologie

AbiotischeStandortfaktoren

Strahlung, Boden, Wind Temperatur, Niederschlag, Wasser

Bestimmt globaleVegetationsverteilung

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Standortfaktoren

Die beiden wichtigsten klimatischen Standortfaktoren für die Einteilung in globaleÖkozonen sind die zeitliche Verteilungen von Niederschlag und Temperatur(Klimadiagramm nach Walter).

Die Temperatur leitet sich von der Sonneneinstrahlung ab. Niederschlag und Bodenbestimmen gemeinsam das pflanzenverfügbare Wasser.

Heute: Strahlung und Wasser

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Gruppenarbeit

Bilden Sie 9 Gruppen (je 2 oder 3 Pers.)

Jede Gruppe

• Gehen Sie in gather.town mit Ihrer Gruppe zu einer Klimazone Ihrer Wahl.

• Lösen Sie die dort gestellte Aufgabe (Google Docs Dokument).

• Wenn Sie fertig sind, kommen Sie wieder ins Freiluft-Auditorium.

Alle zusammen

a. Legen Sie Ihre Ökozone mit demjeweiligen Klimadiagramm und Fotoim Google Jamboard ab.

b. Es darf keine Doppelzuordnungengeben! Falls nötig, diskutieren Siemit anderen Gruppen.

Steppen

Lorbeerwälder

Hartlaubwälder

Laub- und Mischwälder

Heiße Wüsten

Savannen

Immergrüne Tropen

Boreale Zone, Taiga

Polare Zone, Tundra123456789

Ökozonen der Erde

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Tropen: Tefe, Brasilien

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Savanne: Masvingo, Zimbawe

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Heiße Wüste: In Salah, Algerien

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Hartlaubwald: Catania, Italien

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Lorbeerwald: Natschang, China

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Laub- und Mischwald: Düsseldorf, Deutschland

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Steppe: Turgaj, Kasachstan

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Borealer Nadelwald (Taiga): Big Trout Lake, Kanada

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Tundra, Cambridge Bay, Kanada

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Auflösung: Standorte der Klimadiagramme

Steppen

Lorbeerwälder

Hartlaubwälder

Laub- und Mischwälder

Heiße Wüsten

Savannen

Immergrüne Tropen

Boreale Zone, Taiga

Polare Zone, Tundra 8

9

7

4

56

32

1

123456789

http://www.klimadiagramme.de/

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1) Strahlung

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Solarkraftwerk Vegetation

GlobalstrahlungDie gesamte auf der Erdoberfläche eintreffende Strahlungsenergie der Sonne nach Durchgang durch die Atmosphäre (also etwa 50% der extraterrestrischen Sonnenstrahlung).

Für Pflanzen nutzbare StrahlungDer für Pflanzen nutzbare Spektralbereich entspricht etwa dem sichtbaren Licht und macht ~45-50% der Globalstrahlung aus.

Genutzte StrahlungsenergieNur etwa 1% der nutzbaren Strahlung wirdin chemische Energie (Biomasse) umgewandelt.

Das ist die energetische Grundlage (fast) aller Lebensvorgänge auf dieser Erde, inkl. menschliches Leben.

Sonnenstrahlung vor Eintritt in die Atmoshphäre

Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche

(Globalstrahlung)

Für Photosynthese nutzbarer Spektralbereich

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Photosynthese

Chloroplasten: chemisches Kraftwerk der Pflanze

Erzeugen die gesamte Energie für das Leben auf der Erde30

Strahlungshaushalt der Erde

Reflexion Atmosphäre 7%

Reflexion Wolken 20%

Reflexion Erd-oberfläche 4%

Absorption (Atmosphäre, Wolken) 16%

Absorption Erde

51%

Energieumwandlung (Pflanzen, mechanische

Energie) 2%

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Strahlungsbilanz im Tagesgang

Ortszeit

Ene

rgie

-Um

satz

0 12 246 18

Energie-verlust

Energieverlust

Energie-gewinn

Tmax

Tmin

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Globalstrahlung im Jahresgang

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Vegetationszyklen

Durch das Fehlen von Energiezufuhr kommt es in der Vegetation zu Zyklen.

NachtLeben aus Reserven

• Pflanzen oxidieren gespeicherte, organische Kohlenwasserstoffe, um die Energie für ihren Stoffwechsel zu decken (respirieren CO2)

Winter (jenseits der Tropen)Leben auf Sparflamme

• Bäume: laubwerfend

• Mehrjährige Kräuter: absterben oberirdischer Teile

• Einjährigen Kräuter: nur Samen überwintert

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Globalstrahlung: räuml. Verteilung

Warum nimmt die Globalstrahlung in Richtung der Pole ab?Warum ist die höchste Globalstrahlung nicht entlang des Äquators?

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Potentielle Nettoprimärproduktion

Warum sind die Bereiche der größten Energiezufuhr die unproduktivsten Ökosysteme?

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Durch Menschen entnommene NPP

Ergibt sich durch direkte Entnahme (Ernte) und Landnutzungsänderung.

HABERL, Helmut, et al. Quantifying and mapping the human appropriation of net primary production in earth's terrestrial ecosystems. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007, 104. Jg., Nr. 31, S. 12942-12947.

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Künstliches Licht

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Künstliches Licht spielt im industriellen Pflanzenbau (noch) eine untergeordnete Rolle.

2) Wasser

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Standortfaktor: Wasser

Wasser und CO2 sind die Stoffe, die zur Energiefixierung benötigt werden-> ohne pflanzenverfügbares Wasser keine Photosynthese!

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Blauer Planet: Wasser auf der Erde

71% der Erde ist mit Wasser bedeckt.

Insgesamt gibt es auf der Erde:• 97% Salzwasser

• 2% Eis, Schnee

• 1% flüssiges Süßwasser

• 0,03% Bodenwasser

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pflanzennutzbares Wasser

..ist verfügbares Bodenwasser, das

nicht versalzt ist,

nicht gefroren,

im Wurzelbereich des Bodens• nicht zu schnell versickert (wassergefüllte Poren nicht zu grob)

• nicht zu fest in den Bodenporen gebunden ist (wassergefüllte Poren nicht zu fein).

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Wasserhaushalt

Niederschlag

Bodenwasserspeicher

Transpiration

Tiefensickerung

Evaporation

Wurzelaufnahme

Oberflächenabfluss

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Verdunstung

Evaporation = direkte Verdunstung von freier Bodenoberfläche und über Wasser

Transpiration = physiologische Verdunstung von Pflanzenoberflächen durch Regulierung der Spaltöffnungen in den Blättern

Evapotranspiration = gesamte Verdunstung

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Jährlicher Niederschlag

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Jährliche Evapotranspiration

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Niederschlag - Verdunstung

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Wie kommt die Pflanze an Wasser?

3) Transpiration über Stomata (=Spaltöffnungen)

1) Aufnahme über Wurzelhaare durch osmotischen Druck

2) Transport über Leitbündel

Rein passiver Transport (Druckunterschied). Die

Pflanze muss keine Energie aufwenden.

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Steuerung: (zu) viel Wasser

Nur selten ein Problem für Pflanzen

Öffnen der Stomata (Spaltöffnungen)

Guttation:

aktive Wasserausscheidung, zB Frauenmantel

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Steuerung: (zu) wenig Wasser

Räumliches Ausweichen

Nebelfeuchte Hänge, Chile

Flussoase im küstennahen Nordchile

Weinkultur auf den Kanarischen Inseln

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Steuerung: (zu) wenig Wasser

Zeitliches Ausweichen bei saisonalen Trocken-zeiten

Laubabwurf in Trockenzeiten, Miombowald in Malawi 51

Xerophyten

Morphologische Anpassungen

• Kleine Blätter mit dicker Kutikula

• Behaarte, weißliche Blätter

• Tiefe Wurzeln

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Stoffwechsel Anpassungen

Physiologische Anpassungen an Trockenheit• Schließen der Stomata

Kein Wasserverlust. ABER: auch keine CO2 Aufnahme mehr möglich! Zeitliche Trennung von CO2 Aufnahme und Calvin Zyklus: CAM Pflanzen

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C4 Pflanzen

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Bei ariden Kimata werden Stomata geschlossen -> Mangel an CO2.

Eine Lösung:

• Vorfixierung von CO2 in einer 4-kettingen C-Verbindung um CO2 anreichern zu können.

• Photosynthese und Calvin Zyklus sind somit räumlich voneinander getrennt.

• Steppenpflanzen, v.a. Gräser. Viele unserer Nutzpflanzen kommen aus dieser Klimazone: Getreide, Mais, Zuckerrohr, Hirse.

CAM Pflanzen

CAM = Crassulacean Acid Metabolism

6:00 Uhr: pH-Wert: 3

18:00 Uhr: pH-Wert: 6

Malat-Speicher in stark vergrößerter Vakuole -> Sukkulenz

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Konvergente Sukkulenz

Ferocactus wislizenii Euphorbia horrida

Rauh, Werner. Tropische Hochgebirgspflanzen: Wuchs-und Lebensformen. Springer-Verlag, 2013.

Diese beiden Arten entsprechen einander morphologisch und physiologisch: sie habendie CAM Strategie unabhängig voneinander entwickelt.

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Konvergenz

Standortfaktoren prägen morphologische und physiologische Eigenschaften

Einige Anpassungsstrategien werden gleich mehrmals ‚erfunden‘: in geographisch weit entfernten Gebieten und von absolut nicht verwandten Pflanzenfamilien -> Konvergenz

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Bewässerung

Problem: Wasserentnahme

Bewässerung in der Sahara aus riesigen fossilen Tiefen-Wasserspeichern

Baumwollfeld in Kalifornien

Toktogul Reservoir (Kirgisien)58

Bewässerung

Problem: Versalzung

Lösungsansatz LeachingÜberbewässerung & Drainage

Voraussetzung: genügendWasser..

Löunsansatz GentechnikEngineering Salz-resistenterPflanzen Baumwollfeld in Kalifornien

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Baumwollfeld in Kalifornien

Klimadiagramm nach Walter

Aridität: 10°C entsprechen20mm monatlicher

Niederschlagssumme

60