Primärproduktion, Energiefluss und biogeochemische Kreisläufe

4) Primär- und Sekundärproduktion

Die Primärproduktion ist die Zunahme der Biomasse pro Zeiteinheit durch die Hersteller (Autotrophe/Produzenten). Sie beschreibt den Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenenergie durch Photosynthese in organische Verbindungen umwandeln und speichern. Die Sekundärproduktion ist die Zunahme der Biomasse pro Zeiteinheit bei Verbrauchern (Konsumenten) und Zersetzern (Destruenten).

Brutto- und Netto-Primärproduktion

• Brutto-Primärproduktion (GPP): Die Gesamtmenge der Energie, die von den Erzeugern durch Photosynthese fixiert wird.
• Netto-Primärproduktion (NPP): Die GPP abzüglich der Energie, die für die Vitalfunktionen (Zellatmung, R) verbraucht wird.

Die NPP repräsentiert die Menge an Biomasse, die der nächsten trophischen Ebene zur Verfügung steht. Es gilt die Formel: NPP = GPP - R.

Produktivität und Umsatz

Die Produktivität ist das Verhältnis von Netto-Ausgang (Energie pro Zeiteinheit) zur vorhandenen Biomasse, ausgedrückt in Prozent. Die Formel lautet: Produktivität = (NPP / Biomasse) * 100.

Der Umsatz (Erneuerungszeit) ist die Zeit, die eine trophische Ebene benötigt, um ihre Biomasse zu verdoppeln, sofern sie nicht durch einen Prädator konsumiert wird. Er ist umgekehrt proportional zur Produktivität:

Erneuerungszeit (T) = Biomasse / Netto-Produktion

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz beschreibt den Prozentsatz der Nettoleistung, der von einer trophischen Ebene an die nächste weitergegeben wird. Sie schwankt meist zwischen 6 % und 15 % (im Durchschnitt ca. 10 %):

Wirkungsgrad = (NPP Ebene n / NPP Ebene n-1) * 100

Das ökologische Problem der Bioakkumulation

Unter Bioakkumulation versteht man die Anreicherung von giftigen Substanzen (z. B. Schwermetalle wie Kadmium, Quecksilber, Blei, Arsen oder synthetische organische Verbindungen) in lebenden Organismen. Die Konzentrationen steigen dabei über das in der Umwelt vorhandene Maß hinaus an, da die Stoffe nicht abgebaut oder ausgeschieden werden können.

Begrenzender Faktor (Minimumgesetz)

Wenn alle notwendigen Faktoren (Licht, Temperatur, Feuchtigkeit) und Elemente (Phosphor, Stickstoff, Kalzium, Kalium etc.) vorhanden sind, bestimmt derjenige Faktor, der im Minimum vorliegt, das Wachstum. Dieser wird als limitierender Faktor bezeichnet (z. B. Phosphor als limitierender Faktor im Wasser).

Biogeochemische Kreisläufe

Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Schwefel und Phosphor bilden einen Teil der organischen Materie. Durch chemische Prozesse (Auflösung, Oxidation, Fällung, Photosynthese) können sie in anorganische Formen übergehen und zwischen den Teilsystemen (Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und Biosphäre) ausgetauscht werden. Ein biogeochemischer Kreislauf umfasst die Gesamtheit der Prozesse, durch die ein chemisches Element zwischen diesen Subsystemen zirkuliert.