Globale Ökologie

Kohlenstoffkreislauf Wintersemester 2009/2010 Heute: Christoph Müller Wolfgang Cramer Univ. Potsdam, Geoökologie, Globale Ökologie http://www.pik-potsdam.de/~cramer -> „Lehre“ / "Teaching„

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Warum Kohlenstoff? • Stöchiometrie: H2960 O1480 C1480N16P1,8S • Kohlenhydrate – Energie (Zucker, Stärke, Fette) – Struktur (Cellulose, Chitin)

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffpools Pools

Menge [Gt]

Atmosphäre

720

Ozeane

38400

Lithosphäre

>75000000

Landbiosphäre

Süßwasser Kohle, Öl, Gas, Torf

2000 Lebende Biomasse

800

Tote Biomasse

1200 1.5 4130 (nach Falkowski 2000)

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Warum Kohlenstoff? • Stöchiometrie: H2960 O1480 C1480N16P1,8S • Kohlenhydrate – Energie (Zucker, Stärke, Fette) – Struktur (Cellulose, Chitin)

• Treibhausgase

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Kohlenstoffkreislauf

6.11.2009

Ohne Treibhauseffekt: -18°C

Kohlenstoffkreislauf

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Kohlendioxyd

Methan

Lachgas

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

[Tausend Jahre vor heute] 6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

CO2-Konzentration in der Atmosphäre

CO2

So

uth

Equ

ato r

No rt

h S

6.11.2009

t. ep

’88

Se

’89 . t p

Se

’90 p t.

S

’91 . t ep

’9 pt. e S

2

Kohlenstoffkreislauf

Biosphäre im Erdsystem

Klimasystem Atmosphäre Ozean Biosphäre (Land und Ozean)

Anthroposphäre

Lithosphäre Kryosphäre 6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Das “Atmen der Atmosphäre” Atm. CO2 (ppmv)

Mauna Loa 370 360 350 340 330 320 310 1975

1980

1985

1990

1995

2000

Respiration

6.11.2009

Photosynthese Ju n Ju l Au g Se p O ct N ov D ec

358 356 354 352 350 348

Ja n Fe b M ar Ap r M ay

Atm. CO2 (ppmv)

Jahre

Monat

Kohlenstoffkreislauf

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Grüne Biosphäre

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Fotosynthese

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

20 μm

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Kohlenstoffkreislauf

Fotosynthese NADP: Nicotinsäureamid-AdeninDinucleotid-Phosphat ATP: Adenosintriphosphat

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Kohlenstoffkreislauf

Fotosynthese • 2 Prozessteile – lichtabhängig – lichtunabhängig

• C4 vs. C3 – Trennung Energiegewinnung und C-Assimilation – Benötigt mehr Energie – Spart Wasser

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Kohlenstoffkreislauf

Stomatale Kontrolle von CO2-Aufnahme und H2O-Abgabe AET

Ci

AET

Ci

“Canopy Conductance” (Conductance=Leitfähigkeit, Reziprokwert des Widerstands, Einheit: mm/s) 6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Transpiration

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Wasserkreislauf

Precip 9

Evap 9

Precip 458

Precip 110

Evapo 23 Transp 42

Evap 503

Runoff 45 Wasserfllüsse 1.000 km3/a 6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

H2O & C • Wasser- und C-Kreislauf sind über die Stomata der Pflanzen gekoppelt – ca. 42.000 km3/a Transpiration – Ca. 120 GtC/a Kohlenstoffaufnahme

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Globale NPP (g C m-2 d-1)

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Respiration • Dient der Energiegewinnung – – – – –

Photosynthese Wachstum Nährstoffaufnahme Abwehr Reparatur

• ca. 50% der Assimilate wird wieder durch die Pflanze selbst veratmet

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Heterotrophe Respiration

6.11.2009

Kuyzakov 2006

Kohlenstoffkreislauf

Heterotrophe Respiration

0 6.11.2009

500

1000

1500

gC/m2/year Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffflüsse zwischen Atmosphäre und Biosphäre • Bruttoprimärproduktivität (GPP): Aufnahme der Pflanzen durch Photosynthese ca 120 Gt/Jahr • autotrophe Respiration (Ra): Pflanzen-Atmung ca 60 Gt/Jahr • Nettoprimärproduktivität (NPP): Aufnahme der Pflanzen durch Photosynthese minus Atmung ca 60 Gt/Jahr • Nettoökosystemproduktivität (NEP): NPP minus Zersetzung der Streu im Boden ca 6 Gt/Jahr

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Entwicklung der atmosphärischen Quellen und Senken von CO2

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Einfluss des Menschen auf den Kohlenstoffkreislauf

Δ C in Vegetation

Δ C im Boden Bondeau et al. 2007 6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Einfluss des Menschen II

6.11.2009

Bondeau et al. 2007

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffflüsse zwischen Atmosphäre und Biosphäre • Bruttoprimärproduktivität (GPP): Aufnahme der Pflanzen durch Photosynthese ca 120 Gt/Jahr • autotrophe Respiration (Ra): Pflanzen-Atmung ca 60 Gt/Jahr • Nettoprimärproduktivität (NPP): Aufnahme der Pflanzen durch Photosynthese minus Atmung ca 60 Gt/Jahr • Nettoökosystemproduktivität (NEP): NPP minus Zersetzung der Streu im Boden ca 6 Gt/Jahr • Nettobiomproduktivität (NBP): NEP minus Verluste durch Ernte, Feuer und Schädlinge ca 1-2 Gt/Jahr

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Globale NBP (g C m-2 d-1)

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffkreislauf

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

“Take home messages” • Der C Kreislauf ist… – der Antrieb des Klimasystems – vor allem durch die Biosphäre beeinflusst

• Der Wasserkreislauf ist eng mit dem C-Kreislauf verbunden • Die C-Bilanz zwischen Atmosphäre und Biosphäre ist… – das Ergebnis zweier sehr grosser, entgegengesetzter Flüsse – vom Menschen beeinflusst

• Der C-Kreislauf ist maßgeblich vom Menschen beeinflusst – Emissionen aus Energieerzeugung – Veränderungen der Biosphäre

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf

Nächstes Mal • Andere globale Stoffkreisläufe

• HEUTE 11:00 – Ausgewaehlte geooekologische Modelle und deren Anwendungen – Freitags, 11.00 bis 12.30 Uhr in Haus 5, Raum 1.05

6.11.2009

Kohlenstoffkreislauf