E16 Transport von Masse und Energie im Ökosystem

Thema

Das terrestrische Ökosystem tauscht kontinuierlich Kohlenstoff, Wasser und Energie mit der Atmosphäre aus. Die Nettobilanz dieser Austauschprozesse ergibt sich zu jedem Zeitpunkt aus den Stoffflüssen vom Ökosystem in die Atmosphäre und umgekehrt.

Im Fall von Kohlenstoff quantifiziert die Brutto-Primärproduktion, wie viel Kohlenstoff die Vegetation durch Photosynthese bindet, während die Ökosystemrespiration quantifiziert, wie viel Kohlenstoff durch die Atmung von Pflanzen und Bodenorganismen wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Differenz zwischen diesen beiden Prozessen bestimmt den Netto-Kohlenstoffaustausch des Ökosystems. Übersteigt die Brutto-Primärproduktion die Ökosystemrespiration, überwiegt die Kohlenstoffbindung, und das Ökosystem fungiert als Kohlenstoffsenke; überwiegt die Respiration die Brutto-Primärproduktion, überwiegt die Kohlenstofffreisetzung, und das Ökosystem fungiert als Kohlenstoffquelle.

Im Fall von Wasser quantifiziert die Evapotranspiration den Wasserverlust des terrestrischen Ökosystems an die Atmosphäre. Dieser umfasst hauptsächlich die Transpiration der Vegetation und die Verdunstung vom Boden und von feuchten Vegetationsoberflächen. Auf diese Weise verbindet die Evapotranspiration das Ökosystem direkt mit dem Wasserkreislauf: Der an die Atmosphäre abgegebene Wasserdampf wird Teil der atmosphärischen Wasserzirkulation und kann später als Niederschlag zur Erdoberfläche zurückkehren, entweder über demselben Gebiet oder in anderen Regionen.

Diese Austauschprozesse lassen sich auf Ökosystemebene mithilfe der Turbulenten-Wirbelkovarianz-Technik untersuchen, die in Flux-Türmen eingesetzt wird. Ein solcher Turm misst kontinuierlich schnelle Schwankungen der vertikalen Luftgeschwindigkeit sowie die CO₂- und Wasserdampfkonzentrationen. Dies ermöglicht die Bestimmung der Netto-Kohlenstoff- und Wasserflüsse zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre. Zudem können Komponenten des Energieaustauschs, wie beispielsweise fühlbare und latente Wärmeflüsse, quantifiziert werden.

Im Fall von Kohlenstoff ist es wichtig, zwischen den direkt vom Turm gemessenen Werten und den daraus abgeleiteten Werten zu unterscheiden. Der Turm ermittelt den Netto-CO₂-Austausch des Ökosystems. Dieser Austausch ist jedoch das Ergebnis zweier gegenläufiger Prozesse: der Kohlenstoffaufnahme durch Photosynthese und der Kohlenstoffabgabe durch Atmung. Daher werden die Brutto-Primärproduktion und die Ökosystematmung nicht direkt und unabhängig voneinander vom Messturm erfasst, sondern durch anschließende Aufteilung des beobachteten Nettoaustauschs mittels Partitionierungsverfahren geschätzt. Der große Vorteil der Wirbelkovarianz liegt darin, dass sie die Austauschprozesse in einem großen Gebiet um den Messturm integriert und so die Beobachtung des gesamten Ökosystemverhaltens ermöglicht, ohne jede Pflanze, jedes Bodenfragment oder jeden einzelnen Prozess, der zum Gesamtfluss beiträgt, separat messen zu müssen.

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