Aufgaben: Stoffkreislauf und Energiefluss in Ökosystemen

Kohlenstoffkreislauf (vereinfachtes Modell)

Für die Landökosysteme der Erde (v. a. Wälder) werden folgende globale Kohlenstoffflüsse angegeben (Gt C pro Jahr, vereinfachtes Modell ohne Landnutzungsänderungen): Aufnahme von CO₂ durch Fotosynthese 120; Zellatmung der Pflanzen 60; Atmung der Destruenten im Boden 58. Ergänzend wird die Verbrennung fossiler Energieträger mit 9 Gt C pro Jahr angegeben. Die Atmosphäre enthält etwa 860 Gt Kohlenstoff.

1. a) Nennen Sie zwei Kohlenstoffspeicher und die Form, in der Kohlenstoff dort vorliegt.

1. b) Berechnen Sie die Differenz zwischen der Fotosynthese und der Summe der Atmungsflüsse und deuten Sie das Ergebnis im Hinblick auf Kohlenstoffsenke und Kohlenstoffquelle.

1. c) Beschreiben Sie die Rolle der Destruenten im Kohlenstoffkreislauf.

Energiefluss in einer Wiese

Für eine Wiese im Münsterland wurden die in den Trophiestufen gespeicherten Energiemengen pro Jahr bestimmt.

Trophiestufe	Energie in $\mathrm{kJ\cdot m^{-2}\cdot a^{-1}}$
Produzenten (Gräser, Kräuter)	12.000
Konsumenten 1. Ordnung (Heuschrecken, Mäuse)	1.080
Konsumenten 2. Ordnung (Feldlerche, Mauswiesel)	108

1. a) Nennen Sie je ein Beispiel für Produzenten, Konsumenten und Destruenten in diesem Ökosystem.

1. b) Berechnen Sie die Effizienz des Energieübergangs zwischen den Trophiestufen mit $\text{Effizienz} = \dfrac{E_{n+1}}{E_n}\cdot 100\,\%$.

1. c) Erläutern Sie, wohin die nicht in der nächsten Trophiestufe gespeicherte Energie gelangt.

Nahrungsnetz in einem Teich

In einem Teich bestehen folgende Fraßbeziehungen:

Fresser	frisst
Wasserfloh	Grünalgen
Kleinfisch (Rotfeder)	Wasserflöhe, Grünalgen
Libellenlarve	Wasserflöhe
Hecht	Rotfedern, Libellenlarven

1. a) Stellen Sie die Fraßbeziehungen als Nahrungsnetz dar (Beschreibung mit Pfeilen: „→ wird gefressen von“).

1. b) Nennen Sie die Trophiestufen, auf denen die Rotfeder stehen kann, und begründen Sie dies.

1. c) Unterscheiden Sie Stoffkreislauf und Energiefluss in diesem Ökosystem.

Primärproduktion verschiedener Ökosysteme

Ökosystem	Bruttoprimärproduktion	Atmung der Produzenten
Buchenwald	1.800	1.000
Maisacker	2.100	800
Nordsee-Schelf	400	160

Angaben in $\mathrm{g\cdot m^{-2}\cdot a^{-1}}$ Trockenmasse.

1. a) Berechnen Sie für jedes Ökosystem die Nettoprimärproduktion und deren Anteil an der Bruttoprimärproduktion in Prozent (auf eine Nachkommastelle gerundet).

1. b) Erklären Sie, wie die Nettoprimärproduktion mit der Energie für die Konsumenten zusammenhängt.

1. c) Erläutern Sie, weshalb die Nettoprimärproduktion des Ackers trotz geringerer Biomasse im Bestand höher als die des Waldes liegen kann, und nennen Sie einen Faktor, der in dieser Tabelle nicht berücksichtigt ist.

Eine „umgekehrte“ Biomassepyramide

In einem See wurden Biomasse und Jahresproduktion der unteren Trophiestufen bestimmt.

Trophiestufe	Biomasse in $\mathrm{g\cdot m^{-2}}$	Produktion in $\mathrm{g\cdot m^{-2}\cdot a^{-1}}$
Phytoplankton	4	600
Zooplankton	12	90

(Trockenmasse; Biomasse als Momentaufnahme im Sommer.)

1. a) Beschreiben Sie die Biomassepyramide und nennen Sie die Besonderheit.

1. b) Berechnen Sie für beide Stufen, wievielmal die Biomasse pro Jahr umgesetzt wird.

1. c) Erklären Sie mithilfe der Berechnung, warum in dieser Momentaufnahme die Biomasse der Konsumenten größer sein kann als die der Produzenten, obwohl der Energiefluss von unten nach oben abnimmt.

Eutrophierung eines Baggersees

Ein Baggersee am Niederrhein liegt neben intensiv gedüngten Ackerflächen. Über Jahre wurden Messwerte erhoben.

	Jahr 0	Jahr 5	Jahr 8 (nach Anlage von Pufferstreifen)
Phosphat in mg/L	0,01	0,08	0,03
Chlorophyll in µg/L	4	45	15
Sichttiefe in m	5,0	1,2	3,0
Sauerstoff am Seegrund in mg/L	8	1,0	5

1. a) Beschreiben Sie die Veränderungen der Messwerte und berechnen Sie, um welchen Faktor Phosphat und Chlorophyll von Jahr 0 zu Jahr 5 zugenommen haben.

1. b) Analysieren Sie die Ursache-Wirkungs-Kette von der Düngung bis zum Sauerstoffmangel am Seegrund.

1. c) Erläutern Sie die Wirkung der Maßnahme und nennen Sie einen Grund, warum die Werte von Jahr 0 nicht sofort wieder erreicht werden.

Moor als Kohlenstoffsenke oder -quelle

Ein Moorgebiet in Norddeutschland wurde über Jahrzehnte entwässert und als Grünland genutzt. Auf einer Teilfläche wurde der Wasserstand wieder angehoben. Gemessen wurden die jährlichen Kohlenstoffflüsse (Emission positiv, Aufnahme negativ).

	CO₂-Kohlenstoff	CH₄-Kohlenstoff
entwässert, Grünland	+5,6	+0,1
wiedervernässt	−0,9	+0,4

Angaben in $\mathrm{t\,C\cdot ha^{-1}\cdot a^{-1}}$.

1. a) Berechnen Sie die Gesamtbilanz des Kohlenstoffs für beide Flächen und ordnen Sie jede als Quelle oder Senke ein.

1. b) Berechnen Sie, wie viel Kohlenstoff pro Jahr durch die Wiedervernässung von 250 ha im Vergleich zum entwässerten Zustand eingespart wird.

1. c) Erklären Sie die Befunde mit den Prozessen Fotosynthese, Zersetzung und Torfbildung unter Sauerstoffmangel und beurteilen Sie, was die Angabe in Kohlenstoff-Masse über die Klimawirkung nicht berücksichtigt.

Energie auf dem Acker: Getreide oder Fleisch

Ein Hektar Futterweizen im Münsterland liefert in den Körnern pro Jahr etwa 150.000 MJ Energie. Wird das Getreide an Schweine verfüttert, werden etwa 12 % der Energie im verwertbaren Fleisch gespeichert, bei Rindern (Futtergetreide) etwa 5 %. Ein Erwachsener benötigt im Mittel 10 MJ Nahrungsenergie pro Tag (365 Tage).

1. a) Berechnen Sie die Energiemengen im Fleisch pro Hektar und Jahr bei Schwein und Rind sowie die Zahl der Personen, die jeweils bei direkter Verwertung des Getreides bzw. über Fleisch ernährt werden könnten (jeweils ganze Personen, abgerundet).

1. b) Erklären Sie die Verluste mit dem Energiefluss durch Trophiestufen und nennen Sie die Form, in der die Energie das Ökosystem verlässt.

1. c) Beurteilen Sie anhand von mindestens zwei Kriterien (z. B. Flächenbedarf, Nährstoffbedarf, Ernährung, Tierwohl, Wirtschaftlichkeit) die Aussage „Weniger Fleisch zu essen ist die nachhaltigere Ernährung“ und unterscheiden Sie dabei beschreibende und bewertende Aussagen.

Biomanipulation eines Sees

Ein stark eutrophierter Stadtsee im Ruhrgebiet hatte trübes, algenreiches Wasser. Als Maßnahme wurde ein Teil der Weißfische abgefischt und Hechte wurden besetzt.

	vor der Maßnahme	3 Jahre danach
Weißfischbiomasse in kg/ha	120	45
Hechtbiomasse in kg/ha	4	25
Zooplankton in mg/L	0,4	1,6
Chlorophyll in µg/L	60	18
Sichttiefe in m	0,8	2,4

1. a) Berechnen Sie die prozentuale Veränderung der Weißfischbiomasse und des Chlorophyllgehalts.

1. b) Analysieren Sie die Wirkungskette der Maßnahme im Nahrungsnetz bis zur Sichttiefe.

1. c) Beurteilen Sie, warum der Erfolg der Maßnahme dauerhaft nur gesichert ist, wenn auch der Nährstoffeintrag verringert wird, und stellen Sie eine Hypothese zur Entwicklung bei erneut steigendem Phosphateintrag auf.