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Nährstoffkreislauf
Der Nährstoffkreislauf ist in der Ökologie eine periodische Bewegung und der Austausch von organischer und anorganischer Materie. In einem recht komplexen …
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Grundprinzip und Ablauf
Ein Nährstoffkreislauf ist in der Ökologie die periodische Bewegung und der Austausch organischer und anorganischer Materie. Verschiedene Organismen bauen abgestorbene Blätter, Zweige, Früchte, Tierkadaver und andere organische Stoffe schrittweise ab. Dabei entstehen einfachere anorganische Verbindungen, die Pflanzen wieder aufnehmen und für ihr Wachstum verwenden können.
Das organische Material sammelt sich zunächst am Boden. Diese Schicht schützt ihn vor Sonneneinstrahlung und Erosion. Bodenlebewesen, Bakterien und Pilze zersetzen das Material; durch das allmähliche Verrotten entsteht nährstoffreicher Waldboden. Größere Tiere, die Mikroben fressen, können diese Abbauprozesse mitregulieren. Besonders wichtig sind der Kohlenstoffkreislauf, der Stickstoffkreislauf und der Phosphorkreislauf.
Stickstoff kann als Ammonium-Stickstoff (NH4-N) sofort von Pflanzen aufgenommen werden. Organisch gebundener Stickstoff muss dagegen erst durch Bodenlebewesen umgewandelt werden. Düngemittel führen dem Boden Stickstoff und Phosphate zu und können so das Pflanzenwachstum fördern. Werden die Stoffe nicht vollständig aufgenommen, können Überschüsse in Flüsse und Seen gelangen und dort Lebewesen sowie Stoffkreisläufe beeinträchtigen.
Formen des Kreislaufs
Bei einem kurzgeschlossenen Nährstoffkreislauf befindet sich ein Großteil der Nährstoffe in der lebenden Biomasse und nicht im Boden. Tote Biomasse wird sofort zersetzt; 80 Prozent der Nährstoffe werden wieder aufgenommen, etwa 20 Prozent gehen dem Ökosystem verloren. Deshalb sind die Böden sehr nährstoffarm und besitzen keine Humusschicht. Pflanzen können besondere Wurzeln entwickeln, um unter diesen Bedingungen zu leben. Ein Beispiel ist der tropische Regenwald.
Bei einem gebrochenen Nährstoffkreislauf wird abgestorbene Biomasse deutlich langsamer abgebaut. Dadurch kann sich eine Humusschicht bilden, in der Nährstoffe im Boden gespeichert werden.
Regenwald und Gewässer
Im tropischen Regenwald sind die Böden trotz der großen Artenvielfalt sehr nährstoffarm. Sie bestehen hauptsächlich aus eisen- und aluminiumhaltiger, wurzelfeindlicher Erde. Der Klimaboden behält seine eingeschränkt fruchtbare, ausgeglichene Oberflächenstruktur nur, solange er dauerfeucht bleibt, etwa im ständig beschatteten Urwaldboden. Nach Abholzung oder Brandrodung kann er austrocknen. Zurück bleiben harte, kräftig rotbraune Latsole, Oxisole oder Rotlehme.
Die Baumwurzeln wachsen sehr flach: Der Wald wächst überwiegend auf und kaum aus dem Boden. Im feuchtwarmen Klima wachsen Pflanzen ganzjährig und werfen ständig organisches Material ab. Dieses wird rasch zersetzt. Bis etwa zehn Zentimeter Bodentiefe erfolgt eine besonders schnelle Remineralisation, also die Rückführung organischer Stoffe wie Laub, Kot und Tierleichen in mineralische Nährstoffe. Flache Wurzeln stehen mit Mykorrhiza in Verbindung. Diese Pilze lösen Wasser und Mineralstoffe besonders gut aus dem Boden, liefern den Pflanzen Nährsalze und Wasser und erhalten dafür Stoffe aus der Photosynthese. Der Kreislauf ist nicht zu 100 Prozent effizient; die verlorenen etwa 20 Prozent der Nährstoffe müssen ausgeglichen werden.
In Gewässern erzeugen Pflanzen wie Makrophyten und Algen durch Photosynthese organische Stoffe und setzen Sauerstoff frei. Ihre wichtigsten Nährstoffe sind Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. Kleintiere wandeln gefressenes organisches Material durch ihren Stoffwechsel wieder in anorganische Stoffe um. Auch beim Abbau abgestorbener Pflanzen und Tiere werden Nährstoffe freigesetzt. Dafür muss genügend Sauerstoff vorhanden sein; bei Sauerstoffmangel stoppt der Prozess.
Ein Überangebot an Nährstoffen, beispielsweise durch abgeschwemmte Düngemittel, führt zu starkem Pflanzenwachstum. Dieser Vorgang heißt Eutrophierung. Besteht die zusätzliche Biomasse hauptsächlich aus kleinen Algen, trübt sich das Wasser und weniger lebensnotwendiges Sonnenlicht dringt hinein.
Landwirtschaft und Stickstoff
In der Landwirtschaft ist Stickstoff für das Pflanzenwachstum wichtig, kann bei Überversorgung aber Umweltprobleme verursachen. Bei der Mutterkuhhaltung werden 6 bis 9 Prozent des Futterstickstoffs verwertet, bei der Milchviehhaltung 15 bis 30 Prozent. Deshalb können bei der Mutterkuhhaltung deutlich höhere Stickstoffemissionen entstehen. Ist die Stickstoffzufuhr größer als der Verbrauch, kann Nitrat in Grund- und Oberflächenwasser ausgewaschen werden. Außerdem treten gasförmige Verluste als Ammoniak (NH3) oder Distickstoffmonoxid (N2O) auf.
Auf Schnittgrünland, also regelmäßig zur Futtergewinnung gemähten Wiesen, ist nur ein kleiner Teil der Stickstoffdüngung auswaschungsgefährdet. Nach dem Ausbringen von Mist gehen etwa 1 bis 10 Prozent des Gesamtstickstoffs verloren. Auf Weiden beeinflussen die Exkremente der Tiere den Nährstofffluss. Kot-Stickstoff besteht zu etwa 78 Prozent aus nicht wasserlöslichen Stickstoffverbindungen. Urin besteht dagegen bis zu 90 Prozent aus Harnstoff (CH4N2O) und ist daher für die Eutrophierung des Bodens besonders bedeutsam. Die Auswaschung hängt von Zahl und Lage der Exkrementstellen sowie von der Beweidungsdauer ab. In gemäßigten Breiten können bei Urin Emissionen von 7 bis 15 Prozent und bei Kot von 1 bis 5 Prozent auftreten. In kühleren Jahreszeiten sind sie geringer als in heißen Monaten.
Wichtige Verbindungen sind Ammoniak (NH3), Ammonium (NH4+), Distickstoffmonoxid (N2O), molekularer Stickstoff (N2) und Nitrat (NO3−). Pflanzen nehmen Stickstoff hauptsächlich in mineralischer, wasserlöslicher Form als Ammonium oder vor allem als Nitrat auf. Mineraldünger enthalten Nitrate, Ammoniak, Ammonium oder Harnstoff. Harnstoff wird innerhalb von Tagen zu Ammonium vergoren, sodass Pflanzen den Stickstoff leicht aufnehmen können.
Tiere nehmen über pflanzliche Nahrung Stickstoff auf, der vor allem in Proteinen enthalten ist. Einen Teil scheiden sie als Harnstoff oder Harnsäure aus. Im Boden werden diese Stoffe zu Ammonium umgesetzt; dabei kann Ammoniak in die Luft entweichen. Ein weiterer Teil bleibt in Produkten wie Fleisch oder Milch. Bei der Nitrifikation, der bakteriellen Oxidation von Ammonium zu Nitrat, entstehen Distickstoffmonoxid und molekularer Stickstoff als Nebenprodukte. Sie werden teilweise ausgewaschen und teilweise an die Luft abgegeben. Durch Stickstofffixierung, beispielsweise mithilfe von Leguminosen, gelangt molekularer Stickstoff aus der Luft wieder in den Boden.
Umweltgefahren und politische Regeln
Nitrat kann durch Auswaschung in das Grundwasser und damit in das Trinkwasser gelangen. Ammoniak trägt über die Nitrifikation zur Versauerung des Bodens bei und kann dadurch das gesamte Ökosystem langfristig schädigen. Distickstoffmonoxid wirkt am Treibhauseffekt mit und trägt zum Abbau der Ozonschicht bei. Phosphor, Kalium und Magnesium gelten als weniger problematisch, ihre Mengen sollten jedoch ebenfalls beachtet werden. Umweltbilanzen landwirtschaftlicher Betriebe können helfen, Stickstoffemissionen zu erkennen und zu verringern.
Die Europäische Union verabschiedete am 12. Dezember 1991 die Richtlinie 91/676/EWG, die sogenannte Nitratrichtlinie. Sie soll verhindern, dass zu viele landwirtschaftlich erzeugte Stickstoffverbindungen in Boden und Grundwasser gelangen. Der Nitrat-Grenzwert liegt bei 50 mg pro Liter, wird aber teilweise überschritten. Nach Darstellung der Europäischen Kommission können Nitratkonzentrationen über 50 mg/l erhebliche gesundheitliche Auswirkungen haben, insbesondere auf schwangere Frauen und Kleinkinder. Wegen der Nichteinhaltung der Richtlinie verklagte die Europäische Kommission die Bundesrepublik Deutschland vor dem Gerichtshof der Europäischen Union.
Bedeutung der Tiere
Insekten sind für biologische Vielfalt, Nahrungsketten sowie Struktur, Fruchtbarkeit und räumliche Dynamik des Bodens besonders wichtig. Vor allem in Agrarökosystemen unterstützen sie den Nährstoffkreislauf durch Bestäubung, Nährstoff- und Energiekreisläufe, Schädlingsbekämpfung, Samenverteilung und die Zersetzung organischer Stoffe, von Kot und Aas. In der Landwirtschaft versucht man deshalb, durch Habitatmanagement natürliche Kreisläufe mithilfe dieser Funktionen wiederherzustellen.
Über die genauen Aufgaben vieler Insektenarten in Ökosystemen ist noch wenig bekannt; ihre Bedeutung wird jedoch als möglicherweise größer eingeschätzt als bisher angenommen. Zahlreiche Tiere sind außerdem auf Insekten als Nahrung angewiesen. Störungen des Nährstoffkreislaufs wirken sich daher zunächst auf Pflanzen und Insekten und anschließend auch auf weitere Tiere aus. Lebensraumverlust, Umweltverschmutzung, schädliche landwirtschaftliche Methoden, Klimawandel, die Ausbeutung landwirtschaftlicher Flächen und das Aussterben abhängiger Arten tragen zum Rückgang und Aussterben von Insekten bei.
