So funktioniert ein See Grundbegriffe der Seen-Oekologie Peter Bossard EAWAG Forschungszentrum für Limnologie 6047 Kastanienbaum

So funktioniert ein See a) Der See als Oekosystem b) Morphologische Gliederung eines Sees, Oekosystem See = Biotop + Biozoenose; Verlinkung/Austausch mit Atmosphäre (Wind,Wetter, Gase), mit Wasser (Zu- und Abfluss) und mit Energie (Sonneneinstrahlung, Wärmeaustausch) c) Energiehaushalt eines Sees im Jahresverlauf; Einstrahlung, Temperatur, Zirkulation, Stagnation, vertikale Schichtung. d) Inhaltsstoffe des Seewassers: gelöste Gase, gelöste Stoffe, (lebende, tote) Partikel

e) Phytoplankton als Nahrungsgrundlage für die Lebensgemeinschaft im See: Photosynthese, Primärproduktion, Nährstoffaufnahme f) die Rolle des Phosphors als wachstumsbegrenzender Nährstoff im See g) Beziehungsgefüge: Nahrungskette, Nahrungsnetze, Nahrungspyramide h) Dynamik biologischer Prozesse und ihre Auswirkung auf die Verteilung von Inhaltstoffen im See i) See-interne Phosphor-Selbstdüngung h) Oligotrophie – Eutrophie: Zustandsbeurteilung von Seen So funktioniert ein See

Oekologie Wasser Sand, Kies, Geröll unbelebter Lebensraum heisst „Biotop“

Oekologie Lebensgemeinschaft heisst „Biozoenose“

Oekologie Biozoenose Biotop + Oekosystem = Wasser

Der See als offenes Oekosystem Sediment Zuflüsse: Wasser und Inhaltstoffe Ausfluss Sonnenenergie: Licht, Wärme Algen gelöste Stoffe Tiere Bakterien Atmosphäre Windenergie O 2 CO 2 Partikel Oekologie

Geschlossene Oeko- systeme existieren eigentlich nicht. Energie-Import von der Sonne Oekologie

Tiefe in Metern 0 m 10 m Morphologische Gliederung eines Sees 20 m maximal bis 20 m UferUferzone Litoral Freiwasserzone - Pelagial Oekologie

Tiefe in Metern 0 m 10 m Morphologische Gliederung eines Sees 20 m maximal bis 20 m UferUferzone Litoral Freiwasserzone - Pelagial Nährschicht - trophogene Schicht Zehrschicht-tropholytische Schicht Tiefenwasser - Profundal Seegrund - Benthal Seesediment Licht dunkel Oekologie

Einfluss der Sonnenstrahlung auf die Wassertemperatur in einem See mittleren Breitengrades (47°N) JanuarJuniDezember Durchschnittstemperatur des Wasserkörpers 4°C °C Oekologie

Auswirkung der Sonneneinstrahlung auf einen See Oekologie

Temperatur in o C spezifisches Gewicht (Dichte) des Wassers Wasser ist bei 4 o C am schwersten. - Wird Wasser kälter so wird es leichter. (Eis schwimmt auf dem Wasser) -Wird Wasser wärmer, wird es ebenfalls leichter Dichte-Anomalie des Wassers

Zirkulation Schichtung WinterSommer Schichtung Durchmischung von Wasser und Inhaltstoffen O2O2 O 2, CO 2, N 2 20°C 18°C 16°C 5°C 4°C 6°C 10°C Oekologie

Stagnation - Zirkulation FrühjahrSommer Herbst Winter Oekologie

INHALTSTOFFE IM SEE: a) Partikel: (Durchmesser in µm-mm) Autochthone Partikel: Plankton Phytoplankton Zooplankton Detritus (z.B. abgestorbenes Plankton) Allochthone Partikel: Eingeschwemmtes Material Tonmineralien etc. b) gelöste Stoffe:Konzentration in mg/l Karbonat/Bikarbonat (HCO 3 -, CO 3 2- ) Kalzium (Ca 2+ ) Magnesium (Mg 2+ ) Sulfat (SO 4- ) Nitrat (NO 3- ) Phosphat (PO 4- ) Kieselsäure (SiO 2 ) versch. Spurenelemente:ng - µg/l Fe, Mn, Al, Hg, Cu, Cd, Zn, etc. c) gelöste Gase:mg/l Kohlensäure (CO 2 ) Sauerstoff (O 2 ) Stickstoff (N 2 ) ca. 15

Plankton lebt im freien Wasser von Seen, Weihern und Flüssen. Die Grösse von Planktonorganismen wird in Mikrometern (  m) bis Millimeter (mm) gemessen “Plankton” heisst auf griechisch “das Schwebende” Plankton Oekologie Plankton besteht aus mikroskopisch kleinen Pflänzchen, Bakterien und Tierchen.

Phytoplankton heisst “pflanzliches Plankton” Phytoplankton besteht aus Algen Zooplankton heisst "tierisches Plankton" Unter dem Zooplankton finden sich von einfachen Einzelzellern bis zu Kleinkrebsen eine Vielfalt von tierischen Organisationsstufen. Oekologie

Phytoplankton (Algen) Beispiele

Phytoplankton Beispiele

Zooplankton Beispiele Einzeller: Urtiere Mehrzeller: Kleinkrebse, Rädertiere

Zooplankton: Kleinkrebse

Schliessnetz Konventionelles Netz Planktonnetze

Algen bilden die Nahrungsgrundlage für andere aquatische Organismen Mit Hilfe der Photosynthese nehmen sie anorganische Stoffe auf und wandeln sie in energiereichere organische Algenbiomasse um Summenformel der Photosynthese 6 CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O Algenbiomasse Licht Oekologie

Sonnenlicht Sauerstoff Kohlendioxyd Spurenelemente Phosphat Nitrat Alge Silizium Oekologie

Wassertiefe im See Vertikale Verteilung der Primärproduktion des Phytoplanktons (Algen) im See Wasser oberfläche

für Algen NPSiC 106 : 17 : 16 : 1 optimales molares (stöchiometrisches) Nährstoffverhältnis Oekologie

Phosphor Stickstoff Phosphor ist meistens der wachstums- begrenzende Nährstoff für Algen

Nährstoffangebot im Seewasser: Elementare Zusammensetzung in der Alge: P P Angebot und Nachfrage von Nährstoffen für das Algenwachstum in einem Schweizer See: Deshalb ist Phosphor (als Phosphat) sehr oft der wachstumsbegrenzende Nährstoff in Gewässern Oekologie

Primärproduzent Primärkonsument Sekundärkonsument Tertiärkonsument Endkonsument In jeder Stufe werden 9/10 der gefressenen Substanz in Energie umgesetzt (Betriebsstoff). Nur je 1/ 10 kann als Biomassezuwachs verbucht werden

Gefüge: Netzwerk von Ursachen und Wirkungen Kausalnetz ABCD Kausalkette A B C D Kausalkreis Recycling „Einbahnstrasse“ Oekologie

Kausalnetz A B C D E F G H I K komplexe Vernetzung von K-Ketten und K-Kreisen Oekologie

Beispiel eines Nahrungsnetzes in der Freiwasserzone eines Sees Oekologie

Energie Phytoplankton Algen Primärproduzenten Kreisläufe im See Zooplankton Wasserflöhe, Insektenlarven Primärkonsumenten Fische, Invertebraten Folgekonsumenten Bakterien Destruenten Nährstoffe (CO 2, PO 4, NO 3 ) Mensch Endkonsument O2O2 O2O2 O2O2 O2O2

Sediment Algen PO 4 Tiere Mineralisation Oekologie Sedimentation Thermische Schichtung Sommer-Stagnation Nährschicht Zehrschicht PO 4 X Diffusionsbarriere Primärproduktion - Photosynthese O2O2 O2O2

Vertikale Umschichtung von Phosphor im See während der Sommer-Stagnation O2O2 Phosphat Temp O2O2 Phosphat Nährschicht Zehrschicht

Phosphor-Kreislauf im See FrühjahrSommer Herbst Winter Oekologie PO 4 - gelöst Phosphor Winter Sommer Phosphat wird während der Winterzirkulation im ganzen See von unten bis oben gleichmässig verteilt Phytoplankton Das Wachstum des Phytoplanktons vermindert die Phosphatkonzentration sukzessive in der trophogenen (oberen) Schicht in organischen Partikeln gebundener Phosphor sedimentiert in das Tiefenwasser und auf den Seegrund Winterzirkulation: Sommerstagnation:

Vertikale Verteilung gelöster Stoffe im eutrophen See im Spätsommer Sauerstoff Phosphat Nitrat (ox.) Ammonium (red.) Sulfid (red.) Sulfat (ox.) Methan (red.) Sauerstoff Anaerob reduktive Verhältnisse Gärungs- prozesse Aerob oxidative Verhältnisse Nährschicht Zehrschicht Nährschicht Zehrschicht

Fe II + Ion Fe III + Ion + PO 4 - Ion Fe (II) PO 4 Fe (II) S Fe (II) PO 4 Fe (III) PO 4 anaerob - reduziert O 2 < 3 mg/L O 2 > 4 mg/L aerob - oxidiert Sauerstoffkonzentration Sediment Wasser Phosphor – Eisen Umsatz in der Wasser-Sediment Kontaktzone eines Sees Oxidation Ausfällung und Sedimentation Rücklösung PO 4 - Phosphat-Selbstdüngung des Sees vom Sediment

Trophiegrad von Seen: Oligotrophie – Eutrophie Oligotroph:Eutroph: Definition:nährstoffarmnährstoffreich Im oberflächennahen Wasser: (Lichtschicht, Nährschicht) Phosphat:tiefe Konzentrationenhohe Konzentrationen Produktion:geringes Algenwachstumstarkes Algenwachstum Biomasse:wenig Biomasseviel Biomasse Artenvielfalt:viele verschiedene Artenwenige Arten

Trophiegrad von Seen: Oligotrophie – Eutrophie Oligotroph:Eutroph: Im Tiefenwasser: (Dunkelschicht, Zehrschicht) Belastung mitgeringhoch organischen Stoffen Sauerstoffzehrunggeringhoch durch Bakterien Sauerstoffkonzentrationhochtief bis null Bakterielleaerobe Mineralisationanaerobe Fäulnisprozesse AbbauprozesseOxidationReduktion des organischen - Stickstoffeszu NO 3 - (Nitrat)zu NH 4 + (Ammonium) - Schwefelszu SO 4 2- (Sulfat)zu H 2 S (Schw-Wass-stoff) - Kohlenstoffeszu CO 2 (Kohlendioxid)zu CH 4 (Methan)