Zirkulation in Biozönosen

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Wie zirkulieren Ressourcen in einem bewaldeten Wassereinzugsgebiet?

Du hast zuletzt festgestellt, dass in Biozönosen die verfügbaren natürlichen Ressourcen wiederverwertet und recycelt werden. In diesem Abschnitt erhältst du die Möglichkeit, etwas über biologische Wiederverwertung zu lernen.

"Das Leben auf der Erde stellt einen ständigen Prozess von Geburt und Sterben, Zerfall und Wiedergeburt dar, in dem alle lebenden Organismen die einzelnen Baustoffe wieder und wieder verwerten."



Nährstoffkreisläufe in einer Biozönose recyceln und verwerten Stoffe auf natürliche Weise wieder. Das lässt sich gut nachvollziehen, wenn du Nährstoffkreisläufe in der Natur beobachten kannst. In einem Experiment, das dir helfen wird, natürliche Recyclingprozesse und Wiederverwertung von Stoffen zu beobachten, hat eine Gruppe von Ökologen in New Hampshire (USA) Nährstoffkreisläufe untersucht und veranschaulicht.

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Diese Ökologen wollten herausfinden, wie Nährstoffe beispielsweise in einem Wald wiederverwertet (recycelt) werden. Drei Fragen wollten sie beantworten: Welche Stoffe nehmen an diesem Kreislauf teil? Wie viel wird von ihnen wiederverwertet? Wie lange benötigen die jeweiligen Stoffe, um einen Kreislauf zu durchlaufen? Die Forscher haben sich diesen Fragen sehr raffiniert angenähert, nachdem ihnen bewusst geworden war, dass sie nicht jeden Nährstoffkreislauf in Gänze erforschen konnten. Denn hierfür hätten sie die gesamte Erde untersuchen müssen. Aus diesem Grund fassten sie den Entschluss, sich auf ein bestimmtes Gebiet zu beschränken und dieses zu untersuchen. Hierzu wählten sie den Fluss Hubbard Brook aus. Ihr Plan bestand darin, alles zu untersuchen, was sich in dem Waldstück rund um den Fluss ereignete.

Bevor die Ökologen mit der eigentlichen Untersuchung beginnen konnten, mussten sie noch eine Menge an Vorkehrungen treffen und planen. Sie wussten, dass sie in der Lage sein mussten, alle Stoffe zu messen, die durch Regentropfen in ihr Untersuchungsgebiet gelangten, wie zum Beispiel Wasser und Nährstoffe. Aus diesem Grund stellten sie Niederschlagsmesser (vergleiche Abbildung 2.17) auf, um den Regen aufzufangen. Um die Nährstoffe, die den Wald verließen, auch messen zu können, definierten sie die Ränder des Untersuchungsgebietes als Wassereinzugsgebiet des Hubbard Brook.

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Was ist ein Wassereinzugsgebiet?

Ein Wassereinzugsgebiet ist die Fläche an Land, die von einem Bach oder Fluss entwässert wird, ihn also mit Wasser speist. Diese Einzugsgebiete können entweder ziemlich klein oder aber riesengroß sein. So umfasst beispielsweise das Einzugsgebiet eines Baches das Land, das von ihm entwässert wird, und beinhaltet unter Umständen nur Teile von ein oder zwei Hangstücken von Hügeln. Demgegenüber umfasst das Wassereinzugsgebiet des Mississippi die gesamte Landfläche, die ihn mit Wasser speist, sowie alle Bäche oder Flüsse, die in ihn einfließen. Das Einzugsgebiet des Mississippi umfasst einen Großteil der Fläche der Mitte der USA. Du siehst also, Wassereinzugsgebiete können vergleichsweise klein oder aber riesig sein. Vergleiche die Wassereinzugsgebiete in Abbildung 2.18.

Vertiefung

Wusstest du schon?
Ein Hektar (ha) sind 10 000 Quadratmeter (m²).



Das Wassereinzugsgebiet rund um Hubbard Brook war mit einer Fläche von 16 Hektar ziemlich klein; dies entspricht etwas mehr als 22 Fußballfeldern. Die Ökologen wählten dieses Wassereinzugsgebiet aus gutem Grund: Sie wussten, dass der Fluss Hubbard Brook der einzige Weg war, über den Nährstoffe aus dem Wald heraus gelangen konnten. Auch wussten sie, dass das gesamte Wasser des Hubbard Brook an einem bestimmten Punkt vorbeifloss. Insofern mussten sie nur die Nährstoffkonzentration an genau diesem Punkt messen. Sie errichteten einen kleinen Damm, der es ihnen erleichterte, Wasserproben zu entnehmen. Die Zeichnung in Abbildung 2.19 zeigt, wie der Damm geformt war, um den Ökologen die Entnahme der Wasserproben zu erleichtern.

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Vertiefung

Nun, da du einen guten Eindruck davon hast, woraus ein Wassereinzugsgebiet besteht, nimm eine Landkarte deiner Umgebung und beschreibe ein Wassereinzugsgebiet in deiner Nähe. Suche die Namen des Flusses und/oder der Bäche, die Bestandteil deines lokalen Wassereinzugsgebietes sind.



Was haben die Ökologen herausgefunden? Es gab einige Überraschungen und Rätsel. Zuerst einmal ist ihnen aufgefallen, dass viel Niederschlag auf den Wald niedergegangen ist. Überraschend war, dass nur ein geringer Teil des Wassers das Einzugsgebiet am Fuße des Hügels verlassen hat, wo der Damm errichtet worden war. Die Ökologen zogen aus ihren Beobachtungen und Messungen verschiedene Schlüsse. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass mit dem Regenwasser drei Dinge geschehen waren: Die Bäume nutzten einen großen Teil des Regenwassers, um zu wachsen und Fotosynthese zu betreiben. Ein Teil des Wassers verdunstete, ein anderer Teil versickerte in der Erde.

Die Ökologen wussten aber auch, dass die Bäume mehr als nur Wasser benötigen, um zu wachsen und zu überleben. Bäume benötigen andere Nährstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Kalium und Calcium. Aus diesem Grund mussten die Ökologen eine weitere Frage beantworten: Woher bezogen die Bäume diese Nährstoffe?

Das benötigte Kohlenstoffdioxid konnten die Bäume direkt aus der Atmosphäre beziehen. Die anderen Nährstoffe hingegen mussten aus dem Wassereinzugsgebiet des Hubbard Brook kommen.

Der nächste Schritt, den die Ökologen unternahmen, war ziemlich schlau. Sie schlussfolgerten: Wenn es die Bäume sind, die diese Nährstoffe recyceln, dann müsste man diesen Vorgang unterbrechen können, indem man die Bäume fällen lässt. Das mag zwar ein drastischer Schritt im Rahmen eines Experimentes sein, erwies sich aber als guter Weg um herauszufinden, was mit einem unberührten Wald passiert, wenn man ihn von Förstern kahl schlagen lässt.

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Was, glaubst du, ist passiert, nachdem die Ökologen den Wald kahl schlagen ließen? Die Menge an Wasser, die durch den Damm im Hubbard Brook geflossen ist, stieg um 40% an. Dieser Anstieg bedeutet im Umkehrschluss, dass die Bäume vor dem Kahlschlag das zusätzliche Wasser offenbar genutzt haben. Die Ökologen bemerkten auch, dass die Nährstoffkonzentration hinter dem Damm, also dort, wo sie Wasserproben entnahmen, dramatisch angestiegen war. Du kannst die Ergebnisse in Abbildung 2.21 sehen. Der Pfeil in jedem Schaubild zeigt den Zeitpunkt an, zu dem die Wissenschaftler alle Bäume haben fällen lassen. Du kannst beispielsweise ablesen, was mit dem Stickstofffluss passierte: Die Stickstoffkonzentration (in Form von Nitraten) in dem Wasser, das den Damm passierte, stieg um mehr als 5000% an. Es ist ziemlich schwer, sich einen Anstieg von mehr als 5000% vorzustellen, oder? Du kannst aber auch ablesen, dass die Menge an Calcium und Kalium zunahm.

Die Ökologen wollten als Nächstes sicherstellen, dass ihre Daten auch verlässlich waren. Zur Kontrolle nutzten sie ein Wassereinzugsgebiet, in dem die Bäume nicht gefällt worden waren. Die weiße, gepunktete Linie in Abbildung 5.5 bezieht sich auf den Strom eines nahe gelegenen Wassereinzugsgebietes, das die Ökologen zur Kontrolle ihrer Daten ausgesucht hatten. Infolgedessen verglichen die Wissenschaftler die beiden Standorte und schlussfolgerten, dass die Unterschiede im Durchfluss auf das Abholzen der Bäume und nicht auf etwas anderes zurückzuführen ist, wie zum Beispiel eine besonders starke Regenzeit.

Die Unterschiede, die sie dabei in ihrem Experiment beobachten konnten, zeigten, dass der Wald Nährstoffe wiederverwertet. Bevor die Fläche gerodet wurde, absorbierten jüngere Bäume, die in dieser Region wuchsen, Nährstoffe von Bäumen, die abgestorben waren und zersetzt wurden. Die Wurzeln der Bäume absorbierten Nährstoffe aus abgestorbenen Blättern und Ästen, die auf dem Boden lagen und bei denen der Zersetzungsprozess bereits angefangen hatte. Die nächste Aufgabe wird dir helfen herauszufinden, was alles in die Untersuchung des Hubbard-Brook-Wassereinzugsgebietes einging. Du wirst nun selbst ein Modell von einem Wassereinzugsgebiet bauen.

Refexion

Überprüfe dich selbst!
Warum stieg die Nährstoffkonzentration, die hinter dem Damm gemessen wurde, nicht sprungartig an, nachdem die Bäume gefällt worden waren?

Einzelnachweise