Biogeochemische Kreisläufe

Die chemischen Elemente, die das Leben aufbauen, zirkulieren endlos zwischen Organismen, Boden, Wasser und Atmosphäre, und die Verfolgung dieser Kreisläufe zeigt, wie Ökosysteme und das Erdsystem miteinander verbunden sind.

Definition

Biogeochemische Kreisläufe sind die Wege, auf denen sich chemische Elemente zwischen den lebenden, boden-, aquatischen und atmosphärischen Kompartimenten von Ökosystemen und dem Erdsystem bewegen und umgewandelt werden.

Scope

Dieses Thema behandelt den globalen und ökosystemaren Kreislauf der für das Leben wesentlichen Elemente: den Kohlenstoffkreislauf und seinen Austausch zwischen Biosphäre, Atmosphäre und Ozeanen; den Stickstoffkreislauf mit Fixierung, Nitrifikation und Denitrifikation; den Phosphorkreislauf; den Schwefelkreislauf; und den Wasserkreislauf als Träger gelöster Nährstoffe. Es behandelt Pools und Flüsse, Verweilzeiten und wie menschliche Aktivitäten diese Kreisläufe verändert haben.

Core questions

• Wie bewegen sich Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor zwischen Organismen und der Umwelt?
• Welche Transformationen durchläuft jedes Element in seinem Kreislauf?
• Wie werden Pools und Flüsse quantifiziert und was bestimmt die Verweilzeiten?
• Wie haben menschliche Aktivitäten die globalen biogeochemischen Kreisläufe verändert?

Key theories

Pools, Flüsse und Verweilzeiten

Jeder Kreislauf wird durch Reservoire eines Elements und die Flüsse zwischen ihnen beschrieben, wobei das Verhältnis von Poolgröße zu Fluss die Verweilzeit definiert und aufzeigt, welche Kompartimente schnell oder langsam auf Störungen reagieren.

Menschliche Veränderung von Elementkreisläufen

Die industrielle Stickstofffixierung, die Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Einsatz von Düngemitteln haben die reaktiven Stickstoffeinträge ungefähr verdoppelt und die Kohlenstoff- und Phosphorkreisläufe erheblich gestört, mit weitreichenden ökologischen Folgen.

Mechanisms

Elemente bewegen sich durch biologische Transformationen und physikalischen Transport zwischen Reservoiren. Kohlenstoff wird durch Photosynthese fixiert, durch Respiration und Zersetzung zurückgeführt und mit der Atmosphäre und den Ozeanen ausgetauscht; Stickstoff wird von spezialisierten Mikroben aus der Atmosphäre fixiert, durch Nitrifikation und Assimilation umgewandelt und durch Denitrifikation in die Luft zurückgeführt; Phosphor, dem eine gasförmige Phase fehlt, zirkuliert langsam durch Verwitterung von Gestein, Aufnahme und Sedimentation. Die Größe jedes Pools im Verhältnis zu den Zu- und Abflüssen bestimmt, wie schnell er umgesetzt wird und wie empfindlich er auf Störungen reagiert.

Clinical relevance

Das biogeochemische Verständnis ist die Grundlage der Klimawissenschaft, des Managements der Eutrophierung durch Nährstoffverschmutzung, der Bodenfruchtbarkeit und des Düngemitteleinsatzes sowie der Gestaltung von Politiken zur Begrenzung der Störung globaler Elementkreisläufe. Dies ist ein Bildungsinhalt, keine Managementvorschrift.

History

Wladimir Iwanowitsch Wernadski formulierte die Biosphäre in den 1920er Jahren als geochemische Kraft, und George Evelyn Hutchinson entwickelte die quantitative Biogeochemie Mitte des 20. Jahrhunderts weiter. Die Besorgnis über menschliche Störungen wuchs mit Studien über sauren Regen, die von James N. Galloway beschriebene Stickstoffkaskade und die Rolle des globalen Kohlenstoffkreislaufs beim Klimawandel.

Key figures

• Vladimir Vernadsky
• G. Evelyn Hutchinson
• William Schlesinger
• James Galloway

Seminal works

• schlesinger2013
• chapin2011
• galloway2004

Frequently asked questions

Warum zirkuliert Phosphor anders als Kohlenstoff und Stickstoff?

Phosphor hat keine signifikante gasförmige Form, daher kann er nicht durch die Atmosphäre zirkulieren; stattdessen gelangt er langsam durch die Verwitterung von Gesteinen in Ökosysteme und geht schließlich in Sedimenten verloren, was ihn zu einem häufig limitierenden Nährstoff macht.

Was ist die Stickstoffkaskade?

Die Stickstoffkaskade ist die Abfolge von Umwelteffekten, die ein einzelnes Atom reaktiven Stickstoffs verursachen kann, während es sich durch Luft, Wasser und Boden bewegt und nacheinander zu Smog, saurem Regen, Eutrophierung und Treibhauserwärmung beiträgt, bevor es denitrifiziert wird.