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Überblick

Erläutert werden die Grundlagen der vertikalen Kompartimentierung der Landschaft. Aus den USA kommend wird das Prinzip der „earth’s critical zone“ als wichtiger Landschaftsausschnitt, der die biogeochemischen Austauschprozesse zwischen den Kompartimenten bestimmt, dargestellt. Zudem ist es der Bereich mit der stärksten Beeinflussung aller biogeochemischen Prozesse durch den Menschen. Beispielhaft sind Landschaftselemente mit ihren zugehörigen geoökologischen Prozessen erläutert. Zur Analyse der Vertikalstruktur der Landschaft und ihrer Hauptumsatzprozesse wurde das Konzept der „komplexen Standortanalyse“ entwickelt. Unterschieden werden kann dabei in Grund- und Prozessgrößen des Naturhaushaltes.

Vertikalgliederung der Landschaft

In jeder räumlichen Dimension lässt sich der Landschaftskomplex vertikal in verschiedene Stockwerke bzw. Kompartimente unterteilen. Die grundlegenden Kompartimente leiten sich von der Zusammensetzung der Geosphäre ab, mit: Gestein, Boden, Relief, Wasser, Bios (Flora und Fauna) und Klima/Luft (s. Abb. 7).

Earth’s critical zone

Für den Lebensraum von Pflanze, Tier und Mensch ist die Vernetzung von bodennaher Luftschicht, Vegetation, Boden/Substrat und oberflächennahem Grundwasserkörper der Hauptaktionsraum für den Wasser-, Stoff- und Energieumsatz. Da dieser Schnittstellenbereich vom Menschen stark in Anspruch genommen bzw. verändert wird, wurde im angelsächsischen Raum in jüngerer Zeit der Begriff „earth’s critical zone“ eingeführt („die Zone, die das Leben auf der Erde bestimmt“, Abb. 8), was mit der „landschaftsökologischen Komplexanalyse“ in der topologischen Dimension bereits seit den 1980er Jahren begründet wurde (Leser 1997).

Abb. 7 Die Vertikalstruktur der Landschaft (am Beispiel eines Waldökosystems, verändert n. Abb. 5.1–1 und 5.1–2 in Steinhardt 2005)

Wie bei der horizontalen Gliederung hängt die vertikale Abgrenzung zur Atmosphäre und zur Lithosphäre von der Fragestellung ab, die es zu bearbeiten gilt. Dabei bedingt die vertikale Ausdehnung der Vegetationsdecke oder die anthropogene Oberflächengestalt (wie Stadtarchitektur) mit die zu betrachtende Reichweite der Austauschprozesse. So wurde in der Stadtklimatologie der „urban layer“ definiert, jener atmosphärische Bereich der Lufthülle, der durch Reibung und den vertikalen Strahlungs- und Wärmehaushalt der Stadt über den Häusern beeinflusst wird. Betrachtet man Pflanzenzusammensetzung und Produktivität des Weißdünenökotops mit Strandhaferbewuchs, so kann nach unten hin (Lithosphäre) die Untersuchung mit der Durchwurzelungstiefe in der ungesättigten Bodenzone abgegrenzt werden. Betrachtet man jedoch die Grundwasserneubildung der Süßwasserlinse unter der Insel Spiekeroog im Dünenbereich, so sind Wasserspeicherung und Tiefensickerung bis zur Grundwasseroberfläche zu analysieren.

Abb. 8 Biogeochemische Austauschprozesse in der „Entscheidenden Zone“ (Earth Critical Zone) (verändert n. NRC 2001)

Allgemeines Strukturmodell

Lässt sich in der topischen Dimension (s. Definition Ökotop) der Anspruch der Gleichartigkeit der Struktur über die Erfassung der Kompartimente und ihrer Grundelemente meist noch gut analysieren, so führt der gleiche Anspruch in Bezug auf das Prozessgeschehen (ökofunktionales Wirkungsgefüge) zu einer enormen Komplexität im vertikalen Umsatzraum und praktisch (messtechnisch) zum Problem der zeitlichen Variabilität und Frage der Repräsentanz sowohl von Messpunkten wie Messdauer. Ganz allgemein läßt sich ein Strukturmodell für ein Econ oder abstraktes Ökotop aufstellen, wie es in Anlehnung an Richter (1968) in Leser (1997, Abb. 62) abgebildet ist. Die Kompartimente der Geosphäre sind durch die Umsatzprozesse von 1) Strahlungsenergie und Wärme 2) biochemische Prozesse 3) Wasserumsatz 4) gelöster und gasförmiger anorganischer Stofftransport 5) organischer Stofftransport und -umsatz 6) Umsatz klastischer anorganischer Substanz miteinander verknüpft.

Abb. 9 Allgemeines Strukturmodell am landschaftsökologischen Standort (aus Leser 1997, S. 258)

Alle Kompartimente enthalten Landschaftselemente, die durch Beobachtungen und Messungen erfasst werden können. Auch hier gilt, die zu erfassenden Merkmale sind abhängig vom betrachteten Landschaftsausschnitt („Topos“) und der landschaftsökologischen Fragestellung. Die Elemente können Ausstattungsmerkmale (z.B. Hangneigung, Bodentextur, Humusgehalt, Temperatur) wie auch Prozessmerkmale (z.B. Niederschlag, Verdunstung, biotische Zersetzung) sein. Streng genommen im Hinblick auf die Entwicklung und Anwendung von Modellen zum Landschaftshaushalt (s. Kap. 8) sollte man unter Elementen nur Ausstattungsmerkmale verstehen, die über Beziehungen (Prozesse) untereinander vernetzt sind. Es gilt, je höher die Zahl der Elemente und ihrer Verknüpfungen (vor- und rückwärtskoppelnde Prozesse), desto vielfältiger ist die Landschaft und desto stabiler ist das System (Ökosystem). Der Stabilitätsbegriff der Landschaft wird in Steinhardt et al. (2005, Kap. 3.4) und Kap. 11 erläutert.

Landschaftselemente und Merkmale

Landschaftselemente an sich besitzen daher in ihrem räumlichen Kontext eine spezifische Bedeutung für das Prozessgeschehen und können zur quantitativen Beschreibung von Prozessen herangezogen werden. In Tab. 2 sind beispielhaft Reliefelemente in ihrer Bedeutung für bestimmte geoökologische Prozesse angeführt.

Leser (1997) unterscheidet in stabile und labile Merkmale (Landschaftselemente) oder Merkmalsgruppen des Landschaftsökosystems auf der Grundlage ihrer Veränderung über die Zeit, die noch in anorganische und organische Merkmale untergliedert werden können. Dies spielt eine wichtige Rolle bei der Planung praktischer Messkampagnen vertikaler oder lateraler Umsatzprozesse.

Tab. 2 Reliefelemente und ihre prozessuale Relevanz (verändert n. Dikau & Schmidt 1999)

Tab. 3 Stabile und labile Merkmale des landschaftlichen Ökosystems (verändert n. Leser 1997)

Komplexe Standortanalyse

Zur Analyse der Vertikalstruktur der Landschaft benutzt man das Konzept der Kompartimentierung und Analyse der wichtigsten vertikalen Umsatzprozesse. Leser (1997) und Mosimann (1984) haben methodisch dafür das Konzept der „komplexen Standortanalyse“ eingeführt. Da es um die Erfassung der vertikalen Wasser-, Stoff- und/oder Energieumsätze eines Ökosystems geht, kommt nur die topologische Dimension (Econ, Ökotop) dafür in Frage. Dieses Prinzip spielt auch in der Ökosystemforschung (s. Ellenberg et al. 1986, Müller & Fränzle 1991) eine wichtige Rolle, da damit methodisch verbunden ist: (1) Auswahl repräsentativer Messstandorte (Abb. 18), (2) Auswahl der zu analysierenden Kompartimente und Prozesse bzw. Flüsse zwischen den Kompartimenten und (3) zeitliche Differenzierungsdimension der zu analysierenden Prozesse/Flüsse. (1) erfolgt über die Differentialanalyse der Geokomponenten (s. Kap. 4) mit Erfassung der Horizontalstruktur der Landschaft (Abb. 19), (2) und (3) in Abhängigkeit von der Fragestellung über die komplexe Standortanalyse.

Stichwort

Fachbegriff KSA

Die komplexe Standortanalyse (KSA) ist ein Verfahren, bei dem unter Einbeziehung von Messdaten am Standort an ausgewählten flächenrepräsentativen Mess- und Aufnahmepunkten (s. Abb. 15) der vorwiegend vertikale Zusammenhang zwischen den Geokomponenten (Substrat, Boden, Wasserregime, Bios, Geländeklima, s. Abb. 8) ermittelt wird. Die Untersuchungsmethodik zielt auf die Erfassung des stofflichen und energetischen Umsatzes am Standort in der topischen Dimension. Die Untersuchungsmethodik besteht aus einer an den Standort angepassten vielfältigen Kombination geoökologischer Arbeitstechniken (s.z.B. Barsch et al. 2000).

Es besteht dabei der Anspruch, am Standort/Messplatz die strukturellen Grundgrößen des Landschaftshaushaltes mit seinen wichtigsten Prozess- und Bilanzgrößen zu erfassen. Was versteht man dabei unter Grundgrößen, Prozess- und Bilanzgrößen? (s. dazu Steinhardt et al. 2005, Kap. 5.2.4) Unter Grundgrößen versteht man die strukturellen Ausstattungsgrößen, die sich im Normalfall nur langsam verändern und sich aus stabilen Einzelmerkmalen oder Kombinationen von Einzelmerkmalen zusammensetzen (Tab. 4). Wichtige im Landschaftshaushalt zu betrachtende Prozesse beschreiben den Umsatz von Energie, Wasser, gasförmigen, gelösten und festen Stoffen in der Landschaft. Die Prozesse in ihrem Ausmaß (Quantität) und Zeitablauf (Variabilität) bestimmen die ökologischen Funktionen wie Lebensraumfunktion (z.B. biotische Produktivität), Regulationsfunktion (z.B. Bodenfilterfunktion gegenüber Schadstoffen) und die Entwicklung (Evolution) von Ökosystemen. Prozesse lassen sich in ihrer Einzelwirkung (z.B. Infiltration/Tiefensickerung und Grundwasserneubildung) oder in ihrem Prozessgefüge (z.B. Nettoprimärproduktivität NPP der Pflanze aus Bruttoprimärproduktivität (Photosynthese) und Pflanzenrespiration (CO₂-Abgabe)) betrachten. Bilanzgrößen erfassen das zeitliche Integral ökologischer Prozessgefüge, die Teile des Landschaftshaushaltes ausmachen (z.B. NPP des immergrünen Regenwaldes = 2200 g m^-2 a^-1; Nettobiomproduktivität Regenwald = 0; jährliche C-Speicherung des immergrünen Regenwaldes = 0,5 Mg C ha^-1 a^-1; vertikale Wasserbilanz des immergrünen Regenwaldes mit Verdunstung = 1800 mm pro Jahr aus 3000 mm Niederschlag minus 1200 mm Tiefensickerung).

Stichwort

Fachbegriffe bei Landschaftshaushalt und „Earth Critical Zone“

Grundgröße: Strukturelle Ausstattungsgröße aus stabilen Einzelmerkmalen (s. Tab. 4), sich nur langsam verändernd.

Prozessgröße: Beschreiben den Umsatz von Energie, Wasser, gasförmigen, gelösten und festen Stoffen in der Landschaft.

Bilanzgröße: Zeitliches Integral verknüpfter ökologischer Prozesse (z.B. Wasserbilanz).

Earth Critical Zone: Entscheidende Zone horizontaler und vertikaler biogeochemischer Austauschprozesse in der Landschaft.

Intensive biogeochemische Umsatzprozesse („hot spot“): Dreidimensionaler Landschaftsausschnitt, in dem zeitlich variabel biogeochemische Austauschprozesse ein relatives Maximum gegenüber der Umgebung besitzen.

Biogeochemische Prozessbarriere: Dreidimensionaler Landschaftsausschnitt, an dem zeitlich variabel biogeochemische Austauschprozesse stark vermindert bzw. der Energie-/Wasser- oder Stofffluss gestoppt wird.

Tab. 4 Strukturelle Grundgrößen, Prozess- und Bilanzgrößen des Naturhaushaltes (Beispiele n. Steinhardt et al. 2005)

Die komplexe Standortanalyse erfasst am Standort/Messplatz die strukturellen Grundgrößen und analysiert die wichtigsten Prozessgrößen in ihrer zeitlichen Varianz, um daraus Bilanzen zur Charakterisierung des naturhaushaltlichen Wirkungsgefüges des Ökotops abzuleiten. Während die eher statischen Grundgrößen (stabile Merkmale) einmalig erfasst werden können, stellt sich immer bei den Prozessgrößen im Verhältnis von Zeitaufwand und Ergebnisaussage die Frage nach der Messhäufigkeit (Messintervalle) und Messdauer. Aus Gründen der Praktikabilität (Zeitbudget, Finanzierung) muss meist ein Kompromiss zwischen Aussagegenauigkeit und Messgenauigkeit getroffen werden. Es ist jedoch nicht nur eine Praktikabilitätsfrage, sondern auch einzuordnen in die zeitliche Dimension der Prozesse mit ihrer Varianz, Intensität, Frequenz und Andauer/Reichweite pro Zeiteinheit. Landschaftshaushaltliche Prozesse sind in Bezug auf die Zeit in eine zeitliche Hierarchie der Prozesse einzuordnen (kurzfristige oder längerfristige Prozesse), nach der sich die Messhäufigkeit mit bestimmt (zeitliches Skalenkonzept s. Tab. 5).

Tab. 5 Zeitkategorien und Messprinzipien (verändert n. Lang 1984)

Ziel der KSA

Die komplexe Standortanalyse (KSA) ist somit eine zentrale Methodik geoökologischer und landschaftsökologischer Feldforschung an einem ausgewählten Standort, der im Rahmen der Differentialanalyse (Kap. 4) oder Vorerkundung der landschaftsökologischen Komplexanalyse (Kap. 5, Tab. 7) ausgewählt wird. Ziel der KSA ist die Erfassung der geoökologischen Prozessgrößen in deren vertikalem Funktionszusammenhang. An entsprechenden Messpunkten oder Messfeldern (s. Abb. 15) werden Stoffeinträge und -austräge sowie die grundlegenden Umgebungsbedingungen (z.B. Bodenprofileigenschaften) und die klimatologischen und hydrologischen Prozesse (Strahlung, Wind, Niederschlag, Verdunstung etc.) gemessen. Die einzelnen Messreihen werden im Hinblick auf wechselseitige Beziehungen und Abhängigkeiten analysiert („korreliert“), um dieses Wirkungsgefüge als Prozess-Response-System abbilden zu können (Bsp. Abb. 35). Mittels dieser Modellierung sollen die Ergebnisse auf die repräsentierte räumliche Einheit (Ökotop) übertragen werden. Ein ganz entscheidendes methodisches Problem besteht darin, die gewonnenen punkthaften Daten auf die Fläche zu übertragen und den räumlichen Bereich abzugrenzen, für welchen diese Daten Gültigkeit besitzen. Somit kommt der Auswahl des repräsentativen Standortes eine entscheidende Bedeutung zu (zu KSA s. auch Martin & Eiblmaier (Hrsg.) 2003, Lexikon der Geowissenschaften; www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/).

Abb. 10 Kompartimente, Parameter, Instrumentierung zur Bestimmung der vertikalen Wasser- und Nährstoffflüsse von Agroökosystemen im ecuadorianischer Amazonastiefland (n. Lanter 2003, s. auch Abb. 14.2.3 farbig in Gebhardt et al. 2011)

Im Unterschied zur ökosystemaren Grundlagenforschung steht bei der komplexen Standortanalyse nicht unbedingt das Detailwissen um den Einzelprozess im Vordergrund, sondern der Versuch, im standörtlichen Vergleich die wichtigen Prozessgrößen zu erfassen und über ökologische Funktionen oder Bilanzgrößen die Unterschiede zwischen den Landschaftseinheiten (Ökotope) oder deren Veränderung durch anthropogene Eingriffe abzuschätzen. Dabei werden und müssen spezifische Methoden der ökologischen Grundlagenwissenschaften zum Teil in vereinfachter Form mit angewandt werden.

Grundlage für die In-/Outputbilanzierung von Nährstoffumsätzen ist der vertikale Wasserumsatz. Dabei sind die in Abb. 11 dargestellten Einzelprozesse zu erfassen, die für die vertikalen Nährstoffflüsse entscheidend sind:

Abb. 11 Wasser- und Nährstoffumsatz in Regenwaldökosystemen (verändert nach Proctor 1987 und Nicklas 2006)

Bestandsniederschlag, Bodeninfiltration, Tiefensickerung über die Durchwurzelungszone hinaus, atmosphärischer Wasseraustrag über Evapotranspiration (Summe aus Interzeptionsverlust und Transpiration).

Abb. 10 zeigt den prinzipiellen Aufbau von Messstandorten mit der Erfassungsmethodik der vertikalen Kompartimentierung für Messung, Berechnung und Abschätzung vertikaler Wasser- und Stoffflüsse.

Zusammenfassend lässt sich die komplexe Standortanalyse in Anlehnung an die ersten Definitionen von Haase (1967, 1979) charakterisieren als:

„Von einer komplexen Standortanalyse wird gesprochen, wenn an einem Geländepunkt die Geoökofaktoren Relief, Boden, Bodenwasser, Mikroklima, Vegetation messend und beschreibend unter besonderer Berücksichtigung des zeitlichen Ganges untersucht werden, um die Art und das Maß ihrer Korrelation festzustellen.“

Das bedeutet, die vertikalen Strukturen und Prozesse werden nach kausalen Beziehungen überprüft. Dies geschieht an vorher durch die Differentialanalyse ausgewählten Standorten der zu untersuchenden Landschaft.

Wissens-Check

1. Betrachten Sie das Beispiel eines Buchenwaldökosystems (Landschaftsausschnitt Buchenwald in Plateaulage) und geben Sie stichwortartig an, welche Kompartimente und vertikalen Flüsse zur Analyse des Wasserumsatzes im Sinne der KSA zu erfassen sind.

2. Warum stellt die Pedosphäre eine komplexe Veerschneidung der Umweltkompartimente dar?

3. Überlegen Sie anhand von Abb. 8 und Abb. 30, wo ein „hot-spot“ des Wasser- und Stoffumsatzes sich befindet und warum?

4. Welche vertikalen Nährstoffflüsse bedingen im Regenwaldökosystem eine positive Nährstoffbilanz?