Biogeochemische Kreisläufe und Ökologische Sukzession

Biogeochemische Kreisläufe

Ein biogeochemischer Kreislauf ist die Gesamtheit der Prozesse, die ein chemisches Element durchlaufen kann, während es von einem Subsystem zu einem anderen in verschiedenen Molekülen übergeht.

Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf ist ein biogeochemischer Kreislauf, der durch die vier Subsysteme verläuft. Er beinhaltet viele Veränderungen der beteiligten Elemente, z. B. bei der Hydrierung von Nichtmetalloxiden in der Atmosphäre, die Aerosole verursachen, oder bei der Hydrolyse von Mineralien in der Erdkruste, die zur Verwitterung von Gesteinen führt. Im Kreislauf ist Wasser auch ein wirksames Transportmittel, das die Elemente von System zu System bewegt, vor allem durch das Sammeln auf den Kontinenten und die Akkumulation in den Ozeanen.

Stickstoffkreislauf

• Atmosphäre: Molekularer Stickstoff (N₂) macht 79 % des Volumens der Atmosphäre aus und hat seinen Ursprung in der Aktivität von Fäulnisbakterien in anoxischen Umgebungen. Stickstoff kommt auch als Stickoxide und Ammoniak vor.
• Biosphäre: Stickstoff ist in Nukleinsäuren im Gewebe von lebenden Organismen enthalten. Stickstofffixierende Bakterien wandeln molekularen Stickstoff in Nitrate um, die von Produzenten aufgenommen werden können. Konsumenten nehmen Stickstoff direkt in Pflanzen auf. Menschliche Aktivitäten beeinflussen den Stickstoffkreislauf und verursachen eine Verunreinigung der Atmosphäre und der Hydrosphäre (Grundwasser).
• Hydrosphäre: Stickstoff ist in Wasser sehr gut löslich und liegt hauptsächlich in Form von Nitraten vor, die von photosynthetischen Organismen aufgenommen werden können.
• Erdkruste: Stickstoff kommt vor allem in Form von Salzen in Evaporitgesteinen vor.

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff ist das häufigste Element der Biosphäre.

• Atmosphäre: Der größte Teil des Kohlenstoffs liegt in Form von CO₂ vor, das durch die Atmung von Lebewesen, die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Brände, Photosynthese usw. entsteht. Methan (CH₄) entsteht durch die Aktivität von aeroben Bakterien. Auch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) enthalten Kohlenstoff.
• Biosphäre: Kohlenstoff ist in gelösten organischen Molekülen, in Schalen und Exoskeletten enthalten.
• Hydrosphäre: CO₂ ist sehr gut wasserlöslich. Kohlenstoff kommt in Form von HCO₃^- (Bicarbonat-Ion), CO₃^2- (Carbonat) und in Sedimenten (CH₄) vor.
• Erdkruste: Kohlenstoff ist in Karbonatgesteinen (Kalkstein und Dolomit), fossilen Brennstoffen und toter organischer Materie enthalten.

Schwefelkreislauf

• Atmosphäre: Schwefel kommt in Form von Oxiden (Schwefelwasserstoff (H₂S), SO₂) vor. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe und vulkanische Aktivität liefern Schwefeloxide an die Atmosphäre. Übermäßiger Gebrauch führt zu saurem Regen.
• Biosphäre: Schwefel ist in Aminosäuren in photosynthetischen Produzenten enthalten. Chemosynthetische Bakterien nutzen Schwefel als Energiequelle. Der Bergbau setzt große Mengen an Schwefel frei, die die Hydrosphäre verunreinigen.
• Hydrosphäre: Schwefelwasserstoff (H₂S) und Oxoanionen (SO₃^2-, SO₄^2-) sind im Wasser gelöst.
• Erdkruste: Schwefel kommt in Salzen von Oxoanionen in Evaporitgesteinen wie Gips vor. Vulkanausbrüche setzen große Mengen an Schwefel frei.

Phosphorkreislauf

• Biosphäre: Phosphor ist in Biomolekülen und in den Skeletten von Wirbeltieren, sowie in Nukleinsäuren enthalten.
• Hydrosphäre: Phosphor ist in sehr geringen Mengen vorhanden und reichert sich in den Tiefen des Ozeans an. Er kommt in Form von PO₄^3-, HPO₄^2- und H₂PO₄^- vor.
• Erdkruste: Phosphor ist in vulkanischen und sedimentären Gesteinen enthalten. Die Düngung verändert den Phosphorkreislauf.

Ökologische Sukzession

Biogeochemische Systeme neigen von dem Moment ihrer Entstehung an dazu, ihre Komplexität zu erhöhen und im Laufe der Zeit Informationen zu sammeln. Der Prozess, durch den sich Ökosysteme entwickeln, ist die ökologische Sukzession. Sie ist eine Reihe von Veränderungen in der Struktur einer Gemeinschaft von ihrem Ursprung bis zur Reife. Im Laufe der Sukzession treten verschiedene Arten auf, die Veränderungen in der Umwelt bewirken, die die Ansiedlung neuer Arten erleichtern oder behindern.

Während der Sukzession treten folgende Phänomene auf:

• Zunahme der Artenvielfalt: Mit der Zeit wächst die Anzahl der Arten in der Gemeinschaft, und einige Arten werden durch andere ersetzt.
• Zunehmende Komplexität der Ökosysteme: Durch die Zunahme der Artenzahl wird auch die Länge der Nahrungsketten und die Beziehungen zwischen den Arten komplexer.
• Bodenentwicklung: Der Boden entwickelt sich im Laufe der Sukzession.

Entwicklung von trophischen Parametern

• Die Biomasse wächst bis zum Maximum, das durch die limitierenden Faktoren vorgegeben wird. Dies geschieht durch die schrittweise Einführung von Arten mit größerer Masse. Auch die Nekromasse wächst. Der Anstieg der Zersetzungsorganismen führt zu einer erhöhten Atmung im Ökosystem.
• Die Nettoproduktion nimmt ab. Die Primärproduktion ist hoch und die Sekundärproduktion nimmt ab, da die Konsumenten und Zersetzer mit der Atmung ins Gleichgewicht kommen.
• Die Produktivität sinkt. Durch die schrittweise Zunahme der Biomasse nimmt das Verhältnis zwischen Produktion und Biomasse ab.

Primärsukzession

Die Primärsukzession beginnt in einem Gebiet, das zuvor nicht besiedelt war.

1. Auf einer Fläche ohne Boden wachsen nur Flechten auf Felsen und Moose in feuchten Gebieten. Es kann eine Tierwelt wie Vögel, Insekten, Säugetiere und Reptilien geben, aber die Primärproduktion ist vernachlässigbar, da sich die Konsumenten von anderen Orten ernähren.
2. Krautige Pflanzen wachsen auf dem Regolith, der durch Verwitterung und Sedimentation entstanden ist. Ihre Nekromasse ermöglicht den Beginn der Bodenbildung. Das Ökosystem zeigt eine zunehmende Primärproduktion. Ihre Biomasse ist sehr gering, da die Produktivität hoch ist.
3. Die Strauchvegetation wächst, wenn der Boden gut entwickelt ist, und trägt zur Verwitterung der Gesteine und zur Erhöhung der Mächtigkeit und Reife des Bodens bei. Die Biodiversität ist stark erhöht und die Biomasse wächst schnell. Die Nettoproduktion und die Produktivität sind hoch.
4. Die üppige Vegetation eines reifen Waldes führt zu einem starken Anstieg der Biomasse, während die Produktivität rapide sinkt. Die gut entwickelte Bodenatmung erzeugt eine intensive Atmung, die fast der Bruttoproduktion entspricht.

Klimax: Stabilisierung und Selbstregulierung

Die ökologische Sukzession verlangsamt sich und kommt zum Stillstand, wenn die limitierenden Faktoren ein weiteres Wachstum der Biomasse verhindern. Dies ist die Klimax und stellt die letzte Stufe der ökologischen Sukzession dar. Die Klimax in einem Ökosystem stellt eine stabile Situation dar, da sie das Gleichgewicht zwischen der intrinsischen Tendenz der Biozönose, ihre Biomasse und Komplexität zu erhöhen, und den ökologischen Faktoren, die diesen Anstieg begrenzen, widerspiegelt. In dieser Situation stellt das Klimax-Ökosystem eine bemerkenswerte Stabilisierung dar, die in der Lage ist, externe Schocks abzufedern. Diese Störungen sind in der Regel auf ungewöhnliche Schwankungen in der Nährstoffversorgung, der Umwelt, dem Niederschlag oder anderen einschränkenden Faktoren, auf Epidemien oder Invasionen von außen in das Ökosystem usw. zurückzuführen. Das Nahrungsnetz kann angepasst werden, wenn diese Veränderungen eine Veränderung in der Population der Konsumenten hervorrufen, die in der Regel ihre Ernährung variieren. Einer der Mechanismen der Regulierung und Homöostase des Ökosystems ist die Anpassung der Größe der maximalen nachhaltigen Population, die in der Regel den Tod einer großen Anzahl von Individuen durch Hunger beinhaltet.

Sekundärsukzession und Regression

Manchmal erfährt ein Ökosystem eine intensive Störung, wie z. B. ein Feuer, eine Überschwemmung oder einen Orkan, die seine Struktur verändert. Die Störung stellt eine Regression dar: Das Ökosystem wird in einen Zustand zurückversetzt, in dem die Biomasse geringer ist, die Komplexität abnimmt und einige Populationen verschwinden oder ihre Bestände reduziert werden. Wenn der Boden nicht durch Erosion entfernt wird, kann die Wiederherstellung der Ausgangssituation relativ schnell erfolgen, da das Ökosystem zwar in ein frühes Stadium der Sukzession zurückversetzt wurde, aber an ein höheres Stadium erinnert. Die ökologische Sukzession, die unter diesen Bedingungen beginnt, ist die Sekundärsukzession. Wenn die Störung so radikal war, dass die Vegetation und der Boden des Ökosystems eliminiert wurden, gilt das Ökosystem als verschwunden, und das Gebiet beginnt eine neue Primärsukzession, die zu einem anderen Ökosystem als dem vorherigen führen kann.

Selbstinduzierte Regression

In einigen Fällen hat die Regression einen anthropogenen Ursprung, wie im Fall von Bränden, Abholzung, Einleitung von Schadstoffen usw., und in anderen Fällen ist sie auf natürliche Faktoren außerhalb des Ökosystems zurückzuführen, wie z. B. einen Vulkanausbruch.