Ökosystem See

Was ist Ökologie?
Lehre vom Haushalt der Natur - Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Lebewesen
und ihrer Umwelt
Zukünftige Probleme durch
- überexponentielles Wachstum der Erdbevölkerung
- Nahrungsmittelverknappung
- Umweltbelastung (Klima, Wasser, Boden, Luft)
- Erschöpfung der Rohstoffe und Energiequellen
Auswirkungen und Rückwirkungen der menschlichen Tätigkeit?
4.1.1 Einwirken abiotischer und biotischer Faktoren
Umwelteinflüsse
belebte Umwelt
(biotisch)
Konkurrenz
- durch eigene Artgenossen
- durch andere Arten
Nahrung
Feinde
unbelebte Umwelt
(abiotisch)
Klima
- Licht
- Wärme
- Wasser
- Wind
Lage
- georg. Breite, Höhe
Boden
- Mineralsalze usw.
1
Einfluss abiotischer Umweltfaktoren
Adaptationen: erbliche Anpassungen
Modifikationen: nicht erbliche Abwandlungen
Licht, Strahlung
Anpassungserscheinung gegen Überhitzung
- Transpirationskühlung
- senkrecht stehende Blätter
- weisse Behaarung
Anpassung an die Wirkungen des Lichts
- Stark- und Schwachlichtpflanzen
- Lichtkeimer (Senf), Dunkelkeimer (Kürbis)
- Langtag-, Kurztagpflanzen
- Steuerung der Entwicklung bei Schmetterlingen
- Laubwald: Anpassungen der Bodenpflanzen
- Aktivitätsrhythmus der Tiere (Wachen, Schlafen)
- Phototaxis
Temperatur als ökologischer Faktor
Experimentelle Bestimmung: aktives Aufsuchen des Präferenzbereiches durch Tiere in der
Temperaturorgel (Skizze)
steno- = enger Toleranzbereich
eury- = weiter Toleranzbereich
Gegenüber jedem einzelnen der zusammen wirkenden ökologischen Faktoren hat jede Art eine
gewisse Reaktionsbreite oder ökologische Potenz.
Die dem Pessimum am meisten genäherten Umweltfaktoren begrenzen die Dichte einer Art in
ihrem Lebensraum.
(vergl. Liebigs Gesetz vom Minimum)
Wirkung der Temperatur allgemein:
2
RGT-Regel: Erhöhung der Temperatur um 10°C beschleunigt den Ablauf einer chemischen
Reaktion um das 2 - 3-fache
bei Organismen: Optimumskurve enzymkatalysierter Reaktionen
Beispiele:
- O2-Verbrauch von Forelle und Ratte bei verschiedenen Temperaturen
- Entwicklungsdauer (Insekten, Phänologie)
- Leitungsgeschwindigkeit der Nerven
Einfluss auf die Morphologie
Bergmannsche Regel: Tiere bilden in kalten Gebieten größere Individuen aus als ihre
Verwandten in wärmeren Gebieten
Beispiel: Körpergewicht beim Rotfuchs in Abhängigkeit vom Breitengrad, Diagramm
Allensche Regel: Tiere haben in in kalten Gebieten kürzere Extremitäten und Körperanhänge)
Beispiel: Eisfuchs (arktische Zone), Rotfuchs (gemäßigte Zone, Wüstenfuchs (subtropische Zone)
- Anpassungen bei Pflanzen (Laubfall, Geophyten)
Die ökologische Nische - Konkurrenz und Koexistenz
Beispiel: Einnischung der Wasservögel an den Innstauseen
Tauchenten, Höckerschwan, Gründelenten, langbeinige und kurzbeinige Limikolen,
Nahrungsaufnahme von der Wasseroberfläche
Vermeidung von Konkurrenz um Nahrung, Nistplätze usw.
ökologische Nische: Jeder Organismus nutzt in einem bestimmten Lebensraum ganz bestimmte
biotische und abiotische Faktoren in einer ganz bestimmten Weise („Beruf einer Art“)
- nicht mit dem Raum zu verwechseln, der zu besetzen ist!
- Triebfeder der Evolution (Aufspaltung in neue Arten)
3
Beispiele:
Unterschiedliche Nahrungsnischen von Vögeln des Nadelwaldes
Einnischung der Wasservögel an den Innstauseen
Konkurrenzausschlussprinzip: Zwei Arten mit gleichen Ansprüchen an die Umwelt können auf
Dauer nicht nebeneinander existieren.
Beispiel: Natürliche Verbreitung der Waldbäume (Lärche, Kiefer, Fichte, Rotbuche)
Vermeidung innerartlicher Konkurrenz durch große Unterschiede zwischen den Geschlechtern und
verschiedenen Altersstadien z.B. bei Mücken
Konvergenz: äußere Ähnlichkeit bei nicht näher verwandten Arten, entstanden durch konvergente
Entwicklung unter gleichen Umweltbedingungen
Beispiele: Kakteen, schwimmende Tiere
4.1.2 Entwicklung und Regulation von Populationen: Wachstumsphasen,
Bestandsregulierung
Lehrplan
- Entwicklung und Regulation von Populationen: Wachstumsphasen, Bestandsregulierung
Vorstellen dichteabhängiger und -unabhängiger Faktoren an Beispielen: Räuber-Beute-Beziehung und
andere; Eingehen auf die Notwendigkeit einer verantwortbaren Entwicklung der Erdbevölkerung (- Sk12; DW, P, FR) (ca. 4 Std.)
Literatur
Natura 12 S. 118-123
Odum/Reichholf:Ökologie S.116 [HR230 ODU(3]
Medien
Geräte
Chemikalien
Das Wachstum von Populationen
Hinführung: Wachstumsbegriff
Sparstrumpf: lineares Wachstum (Zuwachsrate konstant)
Bankeinlage: exponentielles Wachstum (Zuwachs mit ständig steigender Geschwindigkeit)
Unterschätzung des exponentiellen Wachstums
- persische Sage vom Schachbrett und den Reiskörnern
Absurditäten bei Hochrechnen der menschlichen Populationsentwicklung (im Jahr 2500:
Pausenhof; im Jahr 3000: Gewicht des Erdballs!)
Grundtypen des Populationswachstums
o exponentieller Verlauf
o sigmoider Verlauf mit Annäherung an die Kapazitätsgrenze K
o starke Oszillationen nach exponentiellem Anstieg
4
mathematisches Modell der Populationsentwicklung:
N/t = Geburten + Einwanderung - Todesfälle - Auswanderung
N/t =
B
+
E
-
D
-
A
Vereinfachung: Population nach außen abgeschlossen: E=0; A=0
Die Anzahl der Geburten B und Todesfälle D hängt von der Gesamtzahl der Individuen N ab:
B = b*N
D = d*N
b und d: durchschnittliche Geburts- und Sterberaten pro Individuum und pro Zeiteinheit
N/t = b*N - d*N
N/t = (b - d)*N
(b - d) = spezifische Zuwachsrate r
N/t = r*N
Zahlenbeispiel: nächstes N = gegenwärtiges N + r*gegenwärtiges N
Beispiel:
Kopfläuse r=0,11 pro Tag
Wie groß ist die tägliche Zuwachsrate bei einer Population von 100 Läusen?
r*N = 0,11*100 = 11 Läuse pro Tag
nach Integration:
logistische Wachstumskurve (begrenztes Wachstum):
sigmoider Verlauf
K: Kapazität der Umwelt für diese Population
5
Regulation der Populationsdichte
Dichteabhängige (Konkurrenz, Räuber) und dichteunabhängige Einflüsse (Vulkanausbruch,
Kälteeinbruch für Schwalben, strenge Winter für Mäusepopulationen) der Umwelt
Darstellung dichteabhängiger Faktoren in Form von Kausalkreisen:
Begrenzung des Populationswachstums durch Konkurrenz
Gause-Prinzip: Zwei Arten, die sich in ihren Bedürfnisssen zu ähnlich sind (die gleiche
ökologische Nische besetzen), können nicht nebeneinander koexistieren.
Begrenzung des Populationswachstums durch Feinde
Die Lotka-Volterra Gleichungen beschreiben das zahlenmäßige Verhalten von Räuber und
Beute.
idealisierte Kurve: Computersimulation
1. Lotka-Volterra Regel: periodische Zyklen
6
Ernährt sich eine Art von der anderen, so ergeben sich für Räuber und Beute phasisch gegen einander
verschobene Häufigkeitskurven.
2. Lotka-Volterra Regel: Erhaltung der Durchschnittszahlen
Trotz periodischer Schwankungen liegen bei gleichbleibenden Bedingungen die Populationen von Räubern
und Beute konstant bei einem Durschschnittswert.
3. Lotka-Volterra Regel: Störung der Durchschnittszahlen
Werden Räuber- und Beutepopulation um den gleichen Prozentsatz vermindert, so nimmt die Zahl der
Beuteorganismen zunächst schneller zu als die der Räuber.
Folgen für die Praxis: Bei Mitvernichtung der natürlichen Feinde  noch höherer Anstieg der
Schädlingspopulation als zuvor
Übergangsmodell der Bevölkerungsentwicklung
Phase I
- hohe Geburtenrate und hohe Sterberate (Säuglingssterblichkeit, Infektionskrankheiten) - in Europa bis ins
Mittelalter - heute noch bei isoliert lebenden Naturvölkern - geringes Bevölkerungswachstum, da sich
Geburt und Tod die Waage halten
Phase II
- zunächst sinkende Sterberate (verbesserte hygienische Verhältnisse, medizinische Entwicklung, z.B.
Impfprogramme, verbesserte Nahrungsmittelversorgung) - Geburtenrate bleibt hoch (Traditionen) - starker
Bevölkerungszuwachs
Phase III
- mit Verzögerung sinkt die Geburtenrate (Familienplanung, Zugang der Frauen zum Arbeitsmarkt, späteres
Heiratsalter) - Sterberate nimmt auch noch ab - sehr hoher Bevölkerungszuwachs
Phase IV
- Sterberate auf niedrigem Niveau bei weiter sinkender Geburtenrate - immer noch deutliches
Bevölkerungswachstum Phase V
7
Geburten- und Sterberate auf niedrigem Niveau - Stillstand oder Rückgang der Bevölkerung
Idealtypische Grundformen von Bevölkerungspyramiden
Pagodenform
Dreiecksform
Glockenform
Entwicklungsländer
Deutschland 1919
Europa heute
relativ hohe Sterblichkeit
im Kindes- und
Jugendalter
Urnenform
Deutschland 2030
Geburten- und Sterberate
Geburtendefizit
halten sich die Waage
Ökosystem See
Lehrplan
(- U)
Der See - ein vielfach gegliederter Lebensraum
exemplarische Behandlung eines großflächigen Gewässers; Freilandarbeit an beliebigen Gewässern
im Nahbereich der Schule;
- Gliederung in verschiedene Lebensräume
Charakterisierung unter Erweiterung der Artenkenntnis; Aufzeigen jahreszeitlicher Änderungen von
Temperatur, Sauerstoff- und Mineralstoffgehalt sowie ihrer Folgen (ca. 4 Std.)
Literatur
Natura 12 S.124-139
Schroedel: Mat.f.d.Sekundarbereich II - Ökologie
Medien
Geräte
Chemikalien
Einteilung der Gewässer
unterirdisch: Grundwasser und Höhlengewässer
oberirdisch:
fließend
 - Quellen und Quellabflüsse
 - Gebirgsbäche
 - Flüsse, Ströme
stehend
 Seen, Weiher (ohne Tiefe): natürlich, ständig Wasser führend
 Teiche, Stauseen: künstlich
 Tümpel: nur zeitweilig Wasser führend (z.B. Schmelzwassertümpel)
Uferzonierung eines Sees
 Erlenbruchwald, Streuwiesen
 Röhrichtzone
 Schwimmblattzone
 Tauchblattzone
 Tiefenalgenzone
Sauerstoffhaushalt
8
Zufuhr durch
 Atmosphäre
 Photosynthese
Verbrauch durch
 Atmung
 Destruktion
Der See im Jahreslauf
Dichteanomalie des Wassers: Wasser hat bei 4°C die größte Dichte. Es wird bei Abkühlung
unter 4°C spezifisch leichter.
Ursache: Beim Schmelzen des Eises Volumenverminderung durch Auflösung der lockeren
Gitterstruktur und Aggregatbildung: engere Packung durch frei bewegliche Cluster. Bei weiterer
Erwärmung überwiegt die thermische Ausdehnung.
Bedeutung:
 Tiefenwasser des Sees kann nicht kälter sein als 4°C (wegen Dichtemaximum)
 Gewässer frieren von der Oberfläche her zu, die Eisdecke schützt die tieferen Partien vor dem
Zufrieren (das Eis würde sonst auch im Sommer nicht tauen wegen geringer
Wärmeleitfähigkeit)
 Stabilität thermisch geschichteter Wassermassen
Temperaturschichtung im See im Lauf eines Jahres
9
Bedeutung für den Stoffhaushalt (z.B. Sauerstoffhaushalt)
Nährstoff- und Stoffverteilung im See
Grundlegende Vorgänge:
 Rhythmus von Zirkulation und Stagnation
 Bioaktivität der Organismen (Produktion, Konsumtion, Destruktion)
 Deportation von Stoffen in das Sediment
Trophie: Intensität der organischen Produktion
oligotroph: schwach produktiv
eutroph: hoch produktiv
Bei Vollzirkulation gelangt sauerstoffreiches Wasser bis auf den Grund.
Messung der Produktion
a) Messung der Sauerstoffproduktion bei der Photosynthese mit Licht-(Nettoproduktion) und
Dunkelflaschen (Respiration)
Nettoproduktion = Bruttoproduktion - Respiration
b) Radiokarbon-Methode (ist empfindlicher)
Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration von Zirkulation und Stagnation:
Vollzirkulation
10
Im Zustand der Vollzirkulation eines holomiktischen Sees gelangt sauerstoffreiches Wasser bis auf
den Seegrund. Am Ende der Zirkulationsperiode tritt im gesamten Wasserkörper eine annähernd
gleiche Sauerstoffkonzentration auf.
Stagnation
Während der Stagnationsphase ist kein vertikaler Stoffaustausch zwischen Epilimnion und
Hypolimnion möglich.
Biogene Einflüsse auf die Sauerstoffkonzentration während der Stagnationsphase
Das Epilimnion nimmt auch während der Stagnationsphase laufend Sauerstoff aus der Luft auf.
- Photosynthese als Sauerstoffquelle
- tagsüber können Sauerstoffübersättigungen bis 150% auftreten
Im Hypolimnion gibt es nur sauerstoffzehrende Vorgänge, die den Sauerstoffvorrat aus der Zeit
der Vollzirkulation stark angreifen. Sauerstoffverbrauch durch Abbau organischer Pflanzen- und
Tierreste (Detritus)
- Sedimentbildung (abhängig von der Primärproduktion im Epilimnion)
Sprungschicht: absinkendes Plankton wird gebremst (Dichte und Viskosität (Zähigkeit) des
Wassers nehmen stark zu.
Die gegenseitige Abhängigkeit der Organismen in der Lebensgemeinschaft - die Nahrungskette
Der biogene Stoffumsatz spielt sich auf drei Ebenen ab:
Produzenten bauen aus anorganischen Verbindungen (Kohlenstoffdioxid, Wasser) mit Hilfe von
Strahlungsenergie (oder chemischer Energie) organische Materie auf.
Konsumenten gewinnen Energie durch Umbau organischer Materie (alle Tiere und parasitisch
lebende Pflanzen)
Destruenten gewinnen Energie aus dem Abbau toter organischer Materie bis zu anorganischen
Bestandteilen (die meisten Bakterien)
11
pelagische Konsumentenkette
Produzenten
Primär-Konsumenten
Phytoplankton

herbivores
Zooplankton
SekundärKonsumenten
SekundärKonsumenten

karnivores
Zooplankton

pelagische
Friedfische
Endkonsumenten

Raubfische
Regulierung von Fließgewässern
Beispiel: Salzach bei Eham vor und nach der Verbauung (1835 - 1980)
nach Regulierung:
 Fehlender Uferbewuchs (=>Erwärmung des Wassers) oder standortfremde Bäume, die nichts
zur Uferbefestigung beitragen
 Hochwässer fallen aus (=>fehlende Düngung)
 Wasser fließt schneller => Eintiefung, Grundwasserabsenkung
 verringerte Selbstreinigung
12
Vorteile natürlicher Uferbefestigung durch Erlen und Weiden:
 Schatten (Temperatur, Sauerstoffgehalt)
 Lebensraum für Tiere (Wurzeln, Startplatz)
 Ufer wird nicht unterspült
 erneuert sich selbst
Wurzelausbildung am Gewässerrand
Nahrungsbeziehungen
exemplarische Besprechung eines Nahrungsnetzes unter Nennung eingebundener Pflanzen- und Tierarten
Eingriffe des Menschen in Ökosysteme und Maßnahmen des Natur- und
Umweltschutzes
Lehrplan
LZ: Aufzeigen der Vielfalt anthropogener Umweltbelastungen unter Einbeziehung aktueller Beispiele; ggf.
Unterrichtsgänge und praktische Untersuchungen; Erkennen von Handlungsmöglichkeiten, auch im privaten
Bereich; Einbeziehen ethischer und ästhetischer Aspekte des Naturschutzes; Berufsfeld Umweltschutz
Literatur
Medien
Geräte
Chemikalien
4.3.1 Selbstreinigung der Gewässer, Gewässerbelastung und Abwasserreinigung
Lehrplan
Zufuhr von Mineralstoffen und organischen Stoffen; Eutrophierung; Prinzip der dreistufigen Kläranlage; ggf.
Hinweis auf die Problematik der Klärschlammentsorgung
Literatur
Medien
Geräte
Chemikalien
Eutrophierung
Abwasserreinigung durch Kläranlagen
Abwässer:
 Kommunale Abwässer
 landwirtschaftliche Abwässer
 industrielle Abwässer
13
1. Mechanische Klärung
 Grob-, Feinrechen
 Sandfang
 Ölabscheider
 Vorklärung
2. Biologische Reinigungsstufe (Belüftung und oxidativer mikrobieller Abbau organischer Stoffe)
 Belebtschlammverfahren
 (oder Tropfkörperverfahren)
 (oder Kreisscheibenverfahren)
 Nachklärung
3. Chemische Reinigungsstufe
Ausfällung von Phosphat (mit Eisen(III)-salzen: Fe3+ + PO43- zu FePO4)
Im Faulturm: anaerobe Zersetzung des Klärschlamms zu CO2 und Methan (Energiequelle für den Betrieb der
Anlage)
Klärschlammentsorgung? Problematik des Schwermetallgehalts
Überprüfung des Reinigungsgrades durch chemische Analysen und Bioindikatoren (Nilhechte u.a. Fische,
Daphnien); E.coli-Titer: Wasservolumen, in dem eine Coli-Zelle enthalten ist.
Vorfluter: Gewässer in welches das vorgeklärte Abwasser geleitet wird
Abwasserabgabengesetz (1976): Es verpflichtet den Einleiter (i. allg. die Kommune) je nach
Verschmutzungsgrad des Abwassers zu Abgaben. Dadurch soll ein Anreiz zum Bau von Kläranlagen und
zur Verminderung von Schadstoffeinleitungen geschaffen werden.
EGW: Einwohnergleichwert = Abfallmenge, die ein Mensch pro Tag produziert
BSB5: Biochemischer Sauerstoffbedarf während 5 Tagen
Regulierung von Fließgewässern
Beispiel: Salzach bei Eham vor und nach der Verbauung (1835 - 1980)
nach Regulierung:
 Fehlender Uferbewuchs (=>Erwärmung des
Wassers) oder standortfremde Bäume, die
nichts zur Uferbefestigung beitragen
 Hochwässer fallen aus (=>fehlende Düngung)
 Wasser fließt schneller => Eintiefung,
Grundwasserabsenkung
 verringerte Selbstreinigung
Vorteile natürlicher Uferbefestigung durch Erlen
und Weiden:
 Schatten (Temperatur, Sauerstoffgehalt)
 Lebensraum für Tiere (Wurzeln, Startplatz)
 Ufer wird nicht unterspült
 erneuert sich selbst
14
Wurzelausbildung am Gewässerrand
Erlen und Weiden dringen mit ihren Wurzeln in
das Wasser vor und festigen dadurch das Ufer
(Erosionsschutz).
Die Wurzeln der meisten anderen Baumarten
(z.B. Fichten) weichen vor der Staunässe und
bieten damit keinen Erosionsschutz
(Unterspülung des Ufers).
4.3.2 Landwirtschaft und Waldbau: Düngemittel- und Pestizideinsatz, integrierter
Pflanzenschutz
Düngemittel
mineralische Ernährung der Pflanze:
Gesetz des Minimums (LIEBIG): Derjenige Nährstoff, der im Verhältnis zum Bedarf in der
geringsten Menge verfügbar ist, begrenzt das Pflanzenwachstum und damit den Ertrag.
Veranschaulichung durch das Minimumfass (FOLIE, Skizze)
Es gilt aber auch das Gesetz vom abnehmenden Ertragszuwachs:
Stickstoffdünger: Kalisalpeter KNO3, Ammonsalpeter NH4NO3, Kalkstickstoff CaCN2, Harnstoff
CO(NH2)2
Phosphatdünger: Superphosphat
Problematik der Überdüngung:
 Eutrophierung der Gewässer (verstärktes Algenwachstum)
 Geringere Widerstandskraft der Pflanzen
 Nitratbelastung des Trinkwassers
Organische Dünger
- Bodenleben
- Bodenstruktur
- Bodenbelastung
15
Notwendigkeit und Gefährdung von Monokulturen
Auslese nach Ertrag und nicht nach Konkurrenzfähigkeit
Folgen:

ständige Eingriffe des Menschen
notwendig

Schädlinge finden ideale
Bedingungen vor

für natürliche Feinde oft kein
Lebensraum

einseitige Ausnutzung des Bodens Bodendegradation -> Erosion

Schädlings- und Unkrautverbreitung
Chemische Schädlingsbekämpfung
Einsatz von Chemikalien zur Bekämpfung von Schadorganismen
Pestizide:



Herbizide
Fungizide
Insektizide
Problematik des Pestizideinsatzes

Breitbandwirkung (auch
Nutzinsekten, z.B. Bienen, Marienkäfer werden vergiftet

Rückstandsproblem (viele Insektizide
sind schwer abbaubar)

Resistenzentwicklung (
traditionelle Methode der Unkrautbekämpfung: Hacken?
Biologische Schädlingsbekämpfung
Einsatz von Lebewesen zur Bekämpfung von Schadorganismen
- Marienkäfer gegen Blattläuse
- Schlupfwespen, Erzwespen
- Bakterien und Viren
Vorteile:

gezielte Wirkung auf bestimmte Arten
(keine Breitbandwirkung)

kein Rückstandsproblem
Biotechnische Methoden
Eigenschaften der zu bekämpfenden Organismen selbst werden zu ihrer Vernichtung eingesetzt
- Sterilmännchenmethode
- Häutungshormone
- Pheromone (Sexuallockstoffe)
Integrierter Pflanzenschutz
wirtschaftliche Schadensschwelle zu beachten;
kombinierte Anwendung der verschiedensten Verfahren
- Resistenzzüchtung
- Fruchtfolge
- Sterilmännchenmethode
- Pheromonfallen (auch zur Kontrolle und Diagnose der Schadensschwelle)
- Sexuallockstoffe (verursachen Desorientierung)
- Förderung natürliche Feinde
4.3.3 Luftverschmutzung und Luftreinhaltung
16