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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
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
---
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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
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Biosphäre
Ökozone
Landschaft
Ökosystem
Biozönose
Population
Organismus
Populationsökologieglobal
lokal
anderePopulationen
Population
Dynamik von Populationen
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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
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Biosphäre
Ökozone
Landschaft
Ökosystem
Biozönose
Population
Organismus
Ökologie der Erdeglobal
lokal
Klimazonen
Biome
zonale Vegetation
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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
