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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)
Feger 15.4.2009
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.)
Feger 15.4.2009
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
Feger 15.4.2009
Folie 7
(Nähr)elemente in Ökosystemen
W = Lösungs-, Reaktions- und Transportmedium!
aus: Ellenberg (1986)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
Folie 11
(Quelle: Kimmins)
Stoffhaushalt
Quantifizierung von Stoffflüssen
(d.h. Übergänge zwischen einzelnen Kompartimenten)
Einführung, Stoffkreisläufe (Übersicht)
Feger 15.4.2009
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
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
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)
Feger 15.4.2009
Folie 28