§ Energieverteilungsspektrum der Sonnenstrahlung vor und nach dem Durchgang durch die Atmosphäre, sowie theoretische Energieverteilung für einen schwarzen Körper mit der Oberflächentemperatur der Sonne
à durch verschiedene Stoffe in der Atmosphäre (z.B. Wasserdampf, Ozon) wird Strahlung absorpbiert è Zackige Kurve
§Gesamtsumme der Strahlung: 1360 W/m2
à durch Absorption gelangen davon nur 47% zur Erdoberfläche
(ca. 650 W/m2)
§Schema der Strahlungsbilanz für das System Erde + Atmosphäre:
§wichtiger Faktor: Wolken, Wasserdampf
à reflektieren Teil der einfallenden kurzwelligen Strahlung
à z.T. Absorption è Licht fällt durch Streustrahlung ein (diffuse
Streustrahlung ist z.B „Licht im Schatten“)
§langwellige Strahlung von der Oberfläche der Erde
à wird in der Atmosphäre von Absorptionsbanden (CO2, CH4, N2O,H2O…) aufgenommenè verhindert, dass Erdwärme verloren geht
§Verdunstung
à der Phasenübergang von Wasser verbraucht einen großen Teil der
abgestrahlten Energie: „latente Wärme“
§in der Wüste keine Verdunstung
à alles in Wärme (nachts sehr kalt, da ohne Wolken keine Rückstrahlung)
§Pflanzen nehmen Wasser auf
à es kommt zur Abkühlung, d.h. die Vegetation dient als Puffer bezüglich der Strahlung (Taubildung bei Abstrahlung, wenn dies nicht durch Pflanzen verhindert wird)
§unterschiedliche theoretische Abstrahlung(Schwarzstrahlung) und tatsächliche Abstrahlung
à Lücken durch Stoffe ind er Atmosphäre, die reflektieren (viel CO2 => weniger Abstrahlung => Erwärmung)
§Strahlungsbilanz = Verrechnung von einfallender und ausfallender Strahlung
Bsp.: Ozeane kühl, da viel Strahlung absorbiert wird; Wüste warm, da viel Strahlung reflektiert wird
§Sichtbare Strahlung: 400- 700 nm
oPflanzen absorbieren hauptsächlich im roten Bereich, da dort der Phorphyrinring der Chlorophylle sein Absorptionsmaximum aufweist
§730nm wird vermehrt durchgelassen
§wenn Pflanze nicht im Schatten à von beiden Wellenlängen viel
§wenn Pflanze im Schatten einer anderen: höhere Pflanze absorbiert rotes Licht
à Schattenpflanze wird nur von Licht anderer Wellenlängen erreicht
à Abhängigkeit des Wachstums!
à wenn Verhältnis (über Phytochrome) zu 730nm verschoben ist à Längenwachstum, um aus Schatten zu gelangen
§Pflanzen erwärmen sich in der Strahlung à Kühlung durch Transpiration
§Angabe von Strahlung auch in mmol Photonen/m2s
à PFD = Einheit zur Angabe der Absorption von Strahlung durch Pflanzen (ca. 0-1800; bei höheren Intensitäten kaum noch Zunahme der Photosynthese- Aktivität)
§ Bei photosynthetisch aktiver Strahlung:
§Blattstellung
à große Einstrahlung à senkrechte Blattstellung
overtikales Blatt: Strahlen max. bei Sonnenauf- und untergang (ca.7.00 und 17.00)
ohorizontales Blatt: Max. um Mittagszeit (ca. 1.00 – 13.00 Uhr)
§Vegetationsformen:
§Taiga: sehr flacher Winkel der Strahlung, d.h. bei schräger Einstrahlung und sich die Bäume nicht gegenseitig beschatten à optimaler Strahlungsgenuss
àkein dichter Wald
§Bei gut mit H20 versorgtem Blattà theoret. Strahlung= tatsächlich Strahlungskonsum
§Gruppenweise Vegetationsanordnung v.a. wegen Ressourcen (Wasser)
à v.a. Savanne, Tundra
§schmale hohe Gestalt der Pflanze/Blätter à geringe Sonneneinstrahlung (weil sehr heiß)
Zypresse Besenginster
Strahlungsabschwächung
§Dichter Wald à Großteil im oberen Bereich absorbiert
Also: bei komplexer Vegetationsform kommen nur 2 % Licht unten an, da können Pflanzen eigentlich nicht überleben, da Licht nicht für C-Produktion ausreicht
à aber Moose können wachsen, da sie keine zu erhaltene Fläche (Stamm) haben, sondern nur grün.....
§bei zu dichter Vegetation = „Windeffekt“ d. h. Strömungsprofil wird geringer = hohe Windgeschwindigkeit à Turbulenzen entstehen (zuerst Widerstand, dann Turbulenz)
-besser bei lockerem Bestand: bessere Rückstrahlung
§Tageszeitliche Veränderungen im Verlauf der aerodynamischen Austauschprozesse in einem Getreidefeld in Abhängigkeit von der Höhe des Bestandes
Beugung der Linien nach links à negative Bilanz à Abgabe
Beugung der Linien nach rechts à positive Bilanz à Aufnahme
Kohlenstoffhaushalt der Pflanze
Photosynthese
Die Pflanze fixiert mit Hilfe von Licht in den Chloroplasten CO2, welches sie über die Spaltöffnungen aufnimmt.
Ein Laubblatt fixiert pro Vegetationsperiode ca. 3 g Kohlenstoff
↓
Das fixierte CO2 wird zur Synthese von Glucose verwendet. Die Glucose wird in
Form von Stärke gespeichert.
Zur Bildung von 1 g Glucose werden 1,47 g CO2 benötigt, die einem Luftvolumen
von 2500 l entzogen werden müssen
↓
Die Stärke wird in Energie umgewandelt und zum Aufbau von Biomasse
verwendet. Jährlich werden 100 Gigatonnen durch Vegetation der Erde fixiert.
§Diffusion zum Blatt
§Turbulenz macht ra kleiner à kleine Blätter
↑
Windgeschw. Stark vermindert
↑
ra= Grenzwiderstand
§Externe Diffusionswiderstand (ra, rg)
§Restwiderstand u. Nettophotosynthese von Blättern einer C3 Pflanze (Calopogonium mucunoides) und einer C4 Pflanze (Pennisetum purpureum) in Abhängigkeit v. d. Bestrahlungsstärke
§Bei intensiver Bestrahlung ist in C3 - Pflanzen rr wesentlich größer als rS bei C4- Pflanzen etwas kleiner
à Widerstände und PS bei zunehmender Strahlung in C3 und C4 Pflanzen
- bei beiden sinkt ra ab mit steigender Strahlung
à erwärmen sich stärker à Turbulenzen à ra kleiner
-rS bei beiden nimmt mit zunehmender Strahlung ab Spaltöffnungen zuerst zu, gehen dann immer mehr auf à am Ende alle offen
-rr nimmt auch m. zunehmender Strahlung ab, bei C4 relativ geringer rr am Ende, bei C3 wesentlich höher
§C3: primäre CO2 – Fixierung
Rubiscobisphosphatcarboxylase à Phosphoglycerinsäure (PGA) 3 C-Atome
§C4: primäre CO2 – Fixierung
Phosphoenolpyruvat à Oxalacetat 4 C-Atome
Photosynthese- Rate bei C4- Pflanzen höher, da sie mehr CO2 aufnehmen. Deshalb muss der Restwiderstand bei C4 viel geringer sein.
Nettophotosynthese
§Brutto PS à im Blattinnern (Mitochondrien)
§Netto PS à an Oberfläche d. Pflanzen gemessen
CO2 Gaswechsel
§ Methode zu Infrarotabsorptionsmessung
à Infos über 1 Blatt in optimalen Bedingen
ABER:
§Wichtig ist wie viele Blätter die Pflanze ausbilden kann (m-2) und in welchem Zeitraum (s-1) diese aktiv sind à Gesamtbilanz d. des. Pflanze weniger als nur 1 Blatt
Faktoren der CO2-Aufnahme
à Sonnenblatt hat Stress à Ermüdung
§4 Parameter der Lichtkurve:
§Abhängigkeit der Nettophotosyntheseintensität senkrecht beleuchteter Blätter von der Photonenstromdichte bei optimaler Temperatur und genug CO2
Lichtabhängigkeit der PS von Son.....
§Verschiebung d. Temperaturoptimums der Photosynthese gegen höhere Temperaturen
Wasserversorgung
§zu homoiohydren Pflanzen:
oSucculenten haben sehr viel H2O gespeichert, reagieren als erste mit Schließen der Stomata
oimmer sehr hohe H2O-sättigung innen
oH2O-Haushalt hat höhere Priorität als Wachstum (da kaum PS)
§Xerophyten können sehr stark austrocknen (kleine Blätter)
oriskieren Austrocknung durch niedriges H2O-Potential
onehmen immer noch CO2 auf à Wachstum
§CO2-Gaswechsel bei CAM-Pflanzen
oOrchidee à nachts H2O- und CO2- Aufnahme, am Tag Stomata geschlossen
oAgave: in der Nacht CO2- Aufnahme, tagsüber Stomata nur kurz auf;
§ unter Trockenstress à Stomata bleiben auch nachts zu
Regelung der Wasserabgabe
§Pflanze besitzt Rezeptoren und viele verschiedene Regelkreise zur CO2-Abgabe, H2O-Aufnahme
§je mehr Licht, desto mehr CO2-Verbrauch à CO2 muss nachströmen
Faktoren nach Priorität
1. ψ : Wasserpotential der Blätter (wenn zu gering bleiben Stomata zu!)
à entscheidend für Zustand der Stomata
2. Licht
3. Luftfeuchtigkeit à Wasserdampfdruck à auch Minimierung der H2O-Abgabe
4. CO2à ci (CO2- Konzentration im Inneren d. Pflanze)
$
Pflanze wächst dann einfach nicht, alles andere wichtiger
2., 3. + 4. sind alle etwa gleich wichtig; auch abhängig von Pflanze und Standort
Wassernutzungskoeffizient:
à wie viel µmol CO2 nimmt die Pflanze pro mmol abgegebenen Wasserdampf auf
Wa.....
§NUE optimiert auf gegebene Wuchsbedingen (Licht)
§Parameter so aufeinander abgestimmt, dass nur sehr enge Nutzungseffizienz
§Stickstoffnutzungseffizienz der Photosynthese
Sonnenblätter meist niedrige N-Nutzung bei hohem N-Gehalt pro Fläche
Schattenblätter umgekehrt
jeweils hohe Effizienz
im spezialisierten Lebensraum besser als andere
§Konkurrenzstarke Arten haben eine hohe NUE bei relativ niedrigem N-Gehalt
stärkeres Wachstum à überwuchern andere
Zusammenfassung
§Faktoren der CO2 – Aufnahme:
Kohlenstoffhaushalt der Pflanze
§Wann macht Pflanze den häufigsten C-Gewinn à Überschuss?
- leistungsfähiger PS-Apparat
- wenig Atmung bei geringer Temperatur und bei einer kurzen + kühlen Nacht
- große Blattfläche (=> viele Stomata)
- Zeitspanne der Photosynthese
§tropische Systeme sehr leistungsfähig, da zeitsparend PS sehr lang
§bei uns z.B. durch kalten Winter eingeschränkt, im Sommer aber gr. Blattfläche à leistungsfähige PS
A= Blattfläche [g Trockensubstanz/ m2 Blattfläche und Tag]
§hohe Spanne der Assimilationsleistung der Blattfläche
§Bäume speichern im Winter Assimilate im Stamm
à im Frühling raus (Austrieb in die Blätter, im Herst wird es wie.....
oin den Tropen NPP sehr hoch
§Die Nettoprimärproduktion und der Fluss im Standesabfall hängen direkt zusammen:
B= Biomasse; V= Verlust
DB=0 à Gleichgewicht
DB >0 à Aufbau von Biomasse
DB<0 à Störung (z.B. Waldbrandà Biomasse sinkt)
§Durch verbrauchte Biomasse wird sehr viel Energie u. Nährstoffe freigesetzt
Konsumenten
1.) Plankton
§normales ungestörtes System: VK >> VA
§wenn die Konsumenten (Fische) entfernt und Nährstoffe zugeführt werden, wird der Standesabfall zunehmen
_ Störung –; Konsumenten +=> Vk ist niedrig, VA ist hoch à insgesamt steigt der O2- Bedarf
2.) Grasland
§normales System: VA hoch
§Wenn VK > 50 % von NPP à dann sinkt NPP (da C-Synthese durch geringe PS-Fläche zu gering zum Wachsen à Bsp. zu oft Rasen mähen à Moose können wachsen, da sie nicht von hohem Gras beschattet werden + somit viel Licht bekommen)
§je langlebiger + komplexer ein Vegetationssystem ist, desto komplexer wird es, wenn man Biomasse rausnimmt.
Wälder
Wie lange können die Systeme Biomasse anhängen?
§wenn die Bäume immer größer werden verändert sich das Verhältnis der Masse, die erhalten werden muss und der Blattmasse.
§die Langlebigkeit ist an ein lan.....
§Problem:
regionale/überregionale Verteilung
z.B. in OPEC-Länder (ölproduzierende) wird 200 mal soviel Energie verbraucht, als in Biomasse fixiert wird.
In Industrieländer ca. 20 – 60 mal so viel
außerdem kann nicht jährlich 1/10 d. Bäume gefällt werden à reicht nicht lange
durch hohen Verbrauch (Übernutzung) stützt die Biomasseproduktion völlig ab
Wasserhaushalt
Grundtypen:
Poikilohydre:Moose, Flechten, Pilze
§passen H20 Haushalt an Umgebung an à so kann Kampf um Licht nicht gewonnen werden
Homoiohydre:
§machen sich immer unabhängiger von limitierendem H2O
§Voraussetzung des Wasserhaushaltes
-Leitbahnen (Tracheen, Tracheiden)
-Störung der Abgabe durch aktives Öffnen + Schließen der Spaltöffnungen
-Cuticula à zur Dichtung
-Wurzeln zur Wasseraufnahme
-Vakuole als osmotisches Werkzeug, H2O-Speicher, Abfallaufnehmer
Wasserpotential
à Arbeit/Druck zur Bewegung des H2O in Pflanzen ; Druck [MPa]
DIA:
Wasserpotentialdiagramme für
a. eine vakuolisierte Pflanzenzelle in einem hypertonischem Medium
b. für Zellen eines in Luft austrocknenden Blattes
Mit zunehmendem Wasserentzug wird das osmot. Potential Ψp stärker negativ, das Druckpotentail Ψp fällt von pos. Werten auf Null
das H2O-Pot. der Zelle ergibt sich aus der Summe Ψp und Ψp
à positives Potential entspricht dem Turgor
§bei Austrocknung strebt die Zelle danach, H2O aufzunehmen
Öko Zusammenfassung - 1 Ökologie Definition: Die moderne Ökologie erforscht die Wechselwirkungen, welche die Verbreitung und Anzahl von Organismen bestimmen Ökologische Konzepte und Forschungsansätze: Haeckel: gesamte Wissenschaft von Beziehungen eines Organismus zu umgebenden Außenwelt Townsend:…
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