Modul 7 Stoffhaushalt von Wäldern
Prof. Dr. Karl-Heinz Feger
& Mitarbeiter
http://boku.forst.tu-dresden.de/
Lage
Lage
Klima
Klima
Standort
Boden
Boden
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Feger 15.4.2009
Folie 1
Institut für Bodenkunde und Standortslehre
Modul Stoffhaushalt
I
II
III
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Feger 15.4.2009
Folie 2
Institut für Bodenkunde und Standortslehre
Modul Stoffhaushalt → Geländepraktikum
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Feger 15.4.2009
Folie 3
Bachelor-Studium Forstwissenschaften
B5: Böden und Standorte
1. Semester
B7: Stoffhaushalt von Wäldern
2. Semester
B14: Klima und Standort
3. Semester
Landschaftsarchitektur: B5 + B7
(3./4. Semester)
(mit Geländepraktikum)
(ohne Seminar + ohne Geländepraktikum)
Klausur am Ende des Sommersemesters
Geographie:
B5 + B7 + B14
(Ergänzungsbereich „Boden“)
begrenzte Teilnehmerzahl !
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Feger 15.4.2009
Folie 4
Weitere Literatur:
Finck, A. (2007): Pflanzenernährung und Düngung
in Stichworten. – 6. Aufl., Borntraeger.
Larcher, W. ( 2001): Ökophysiologie der Pflanzen. –
6. Aufl. Ulmer-UTB
Weitere Hinweise in den speziellen Kapiteln
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 5
Bachelor-Studium Forstwissenschaften
B5: Böden und Standorte
1. Semester
B7: Stoffhaushalt von Wäldern
2. Semester
B14: Klima und Standort
3. Semester
(mit Geländepraktikum)
Master-Studiengänge
Forstwissenschaften
(ab WS 2009/10)
Profillinie: Forstliche Umweltsysteme im Wandel
Tropical Forestry and Management
(engl.)
Raumentwicklung & Naturressourcen-Management
Hydro Science & Engineering
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
(engl.)
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Folie 6
Standortsfaktoren
mittelbar wirksame
unmittelbar wirksame
sekundäre
primäre
Standortsfaktoren
Standortsfaktoren
einzelne
Einflussgröße
Wärmefaktor
Wärmeenergie, Temperatur,
Frost (abhängig vom
Auftreten in Vegetationsperiode)
Wasserfaktor
Luftfeuchte, Bodenfeuchte
Lichtfaktor
photosynthetisch aktive
Strahlung, UV-Strahlung
(Dauer, Periodizität)
Klima
Lage
chem. Faktoren
Boden
mechan. Faktoren
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Nährstoffangebot, pH-Wert,
Kalkgehalt,
Luftzusammensetzung,
Schadstoffe
Wind, Hagel, Reif, Schnee,
Feuer, Flut, Lawinen, Muren
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Folie 7
(Nähr)elemente in Ökosystemen
W = Lösungs-, Reaktions- und Transportmedium!
aus: Ellenberg (1986)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 8
Trophie als Komponente der Standortsklassifikation
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Feger 15.4.2009
Folie 9
Beispiel: Forstliche Standortskarte 1:10.000
Darstellung von „Standortsformen“ und „Standortsformengruppen“
•
•
•
•
Makroklima
Bodenform
Wasserhaushalt
Nährstoffversorgung
(Trophie)
• Auswahl und
Mischung von
Baumarten
• Bestandesbehandlung
• Düngung bzw.
Kalkung
100 m
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 10
Beurteilung des chemischen Bodenzustandes
und des Nährstoffhaushaltes
komplexe Zusammenhänge zwischen
Nährstoffvorräten (-mengen)
Verfügbarkeit
Gegenseitige Beeinflussung von Nährstoffen
(Antagonismus / Synergismus)
starke Kopplung an Wärme-/Wasserhaushalt
→ Konsequenzen:
• keine einfachen, allgemeingültigen Kennwerte!
• Betrachtung dynamischer Prozesse (Verständnis von
zeitlichen Entwicklungen und Regelkreisläufen)
• ökologische Bewertung: sinnvolle Verknüpfung versch.
Gelände- und Labormethoden
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 11
(Quelle: Kimmins)
Stoffhaushalt
Quantifizierung von Stoffflüssen
(d.h. Übergänge zwischen einzelnen Kompartimenten)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 12
(Quelle: Kimmins)
Stoffhaushalt/-kreisläufe
Material- bzw. Elementflüsse zwischen den
einzelnen Sphären und Kompartimenten der
Geosphäre (Flüsse in offenen Systemen)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
verschiedene Skalen:
• biochemischer Kreislauf
• biogeochemischer Kreislauf
• geochemischer Kreislauf
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Folie 13
Beispiel: 20-jährige Pinus taeda (Loblolly Pine)-Aufforstung USA
Switzer & Nelson (1972) Soil. Sci. Soc.Am. Proc.
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 14
Nährstoffe
• von der Pflanze aufnehmbare und ihrer Ernährung
dienende Stoffe:
- ungeladene Moleküle (CO2, O2, H20)
- elektrisch geladene Teilchen (Ionen)
- „Nähr“-Kationen bzw. -Anionen (z.B. K+, NO3-)
Wichtige Gruppen:
- mineralische (anorganische) Nährstoffe
- organische Nährstoffe
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 15
Einteilung nach Nährelementen
•
in Nährstoffen enthaltene chemische Elemente
•
chemische Elemente, deren Fehlen oder Mangel das
Wachstum von Organismen beeinträchtigt
nicht-mineralische Nährelemente (C, O, H)
13 mineralische Nährelemente:
- Makronährstoffe (Hauptnährelemente):
N, P, S, K, Ca, Mg (Si)
- Mikronährstoffe (Spurennährelemente):
Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, B, Cl
außerdem Einteilung nach dem chemischen Charakter:
- Nichtmetalle (N, P, S, Cl, B)
- Alkali-/Erdalkali-Metalle (Na, K, Ca, Mg)
- Schwermetalle (Fe, Mn, Zn, Cu, Mo)
Spurenelemente Na, Co: nur für Tiere und Bakterien
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 16
Bioelemente
• chemische Elemente, die von Pflanzen aufgenommen
werden und in den biologischen Stoffkreislauf
einbezogen werden
• wesentliche quantitative Beteiligung im Stoffhaushalt
von Ökosystemen
Schadstoffe(-elemente)
• Verbindungen oder chemische Elemente, die durch
erhöhte Gehalte/Konzentrationen Schäden bzw.
Störungen in physiologischen Prozessen hervorrufen
Beispiele:
- bestimmte Schwermetalle (Cd, Pb, Ni, Hg …)
- Gase (SO2, NH3…)
- organische Verbindungen (CKWs*, PAKs**, Dioxine …)
*chlorierte Kohlenwasserstoffe, **polyzyklische Kohlenwasserstoffe
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 17
Schadstoffe(-elemente)
Dosis facit venenum…
Alle Ding' sind Gift
und nichts ohn' Gift;
allein die Dosis macht,
das ein Ding kein Gift ist.
Paracelsus (1493 - 1541)
(eigentlich Theophrastus Bombastus Philippus von Hohenheim)
Quelle: wikipedia.de
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 18
Wichtige Begriffe und Einheiten
Feststoffe (Boden-/Pflanzenmaterial):
Gehalt:
Elementmenge
Feststoffmenge*
gängige
Einheiten:
g/kg
= mg/g
mg/kg = µg/g, (ppm)
µg/kg = ppb
%
‰
g/100g
bei Ladungen (KAK): molc/kg
* meist bezogen auf Trockenmasse
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
englisch: content, concentration
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Folie 19
Typische Elementgehalte
in Böden
angegeben sind
Gesamtgehalte
entscheidend für
Wirkungen sind die
(bio)verfügbaren Anteile
Blum (2006)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 20
Typische Elementgehalte in Pflanzen
Bezogen auf Trockensubstanz
Hauptnährelemente
N
P
K
S
Ca
Mg
5 … 50
mg/g
1…5
5 … 50
0,5 … 5
0,5 … 50
1 … 10
Spuren-
Fe
Mn
Zn
Cu
Mo
50 … 1000 µg/g
20 … 200
10 … 100
2 … 20
0,2 … 10
nährelemente
Finck (2007)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 21
Wichtige Begriffe und Einheiten
Lösungen (z.B. Zellsaft, Bodenlösung, Niederschlag):
Konzentration:
Elementmenge
Lösungsvolumen
gängige
Einheiten:
mg/L
µg/L
= ppm
= ppb
bei Ionen: mmolc/L
(„Ladungsäquivalente“)
englisch: concentration
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 22
Gegenüberstellung der Ladungsäquivalente
in Lösungen aus einem Waldökosystem (Fichte, Südschwarzwald)
Anionen (µmolc/L)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Kationen (µmolc/L)
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Folie 23
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 24
Lebenszyklus einjähriger Pflanzen und
Umwelteinflüsse auf ihre Entwicklung
aus LARCHER (1994) nach EVENARI (1984)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
I
Lichteinwirkung
(Qualität, Intensität, Dauer)
IP
Photoperiode
T
Temperatur
TP
Thermoperiode
MS
Mineralstoffe
MO
Einwirkung von Mikroorganismen
auf Keimsperren
ψBo
Wasserpotential des Bodens
ψPf
Wasserpotential der Pflanze
ψP
Turgorpotential
A
Assimilatbildung und -verteilung
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Folie 25
(Quelle: Kimmins)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
versch. Skalen:
• biochemischer Kreislauf
• biogeochemischer Kreislauf
• geochemischer Kreislauf
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Folie 26
Beispiel: 20-jährige Pinus taeda (Loblolly Pine)-Aufforstung USA
Switzer & Nelson (1972) Soil. Sci. Soc.Am. Proc.
Biochemischer
Kreislauf:
→ Stoffwechsel von
Einzelorganismen
→ physiologische
Prozesse
„interner“ Kreislauf
(‘internal‘ cycling)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 27
Generelles Schema des pflanzlichen Stoffwechsels
• Aufnahme
• Assimilation
• Transport
• Speicherung
• Energieumsatz
aus Finck (2007)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
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Folie 28