Die Auswirkung des Klimas auf die Vegetation

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Standortfaktoren für die Vegetation

3. Klimatische Standortfaktoren
3.1 Licht
3.2 Wärme
3.3 Wasser
3.4 Wind

4. Klimazonen
4.1 Polare/subpolare Zone
4.2 Boreale Zone
4.3 Feuchte Mittelbreiten
4.4. Trockene Mittelbreiten
4.5 Winterfeuchte Subtropen
4.6 Immerfeuchte Subtropen
4.7 Tropische und subtropische Trockengebiete
4.8 Sommerfeuchte Tropen
4.9 Immerfeuchte Tropen

5. Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

Wie kein anderer Faktor wirkt das Klima auf die Vegetation ein. Das Leben wäre ohne die Kraft der Sonne nicht möglich, geschweige denn vorstellbar. Nun stellt sich die Frage welche Faktoren überhaupt zum Klima gehören und wie sie sich im Raum auf die Vegetation auswirken. Diese Fragen sollen in dieser Ausarbeitung näher beleuchtet werden, um Licht ins Dunkle zu bringen. Dabei sollen die Bodenstandortfaktoren Nährstoffe, Bodenfeuchte und Luft außerhalb dieser Betrachtung stehen.

Zunächst wird auf die Standortfaktoren für die Vegetation eingegangen. Anschließend werden die einzelnen Klimazonen der Erde vorgestellt. Es soll gezeigt werden, welche Charakteristiken die Vegetation in den einzelnen Klimazonen vorhanden sind.

2. Standortfaktoren für die Vegetation

Es werden über 400.000 bis dato unterschiedliche Pflanzenarten unterschieden. Diese wiederum werden. Diese lassen wiederum unterscheiden Samenpflanzen mit 240.000 Arten, Farne mit 10.000 Arten, Moose mit 24000 Arten, Pilze, Algen und Flechten mit 150.000 Arten. Die Samenpflanzen machen ca. 2/3 des Artenbestandes aus. Die Zahlen entsprechen nicht einer hundertprozentigen Genauigkeit, da in der Natur alles in Kreisläufen geschieht und neue Arten entstehen und alte vergehen können. Auch müssen diese Arten überhaupt erst vom Mensch entdeckt werden, bevor sie hier aufgelistet werden können (vgl. Klink 2008, S.15f).

Damit nun die verschiedenen Arten gedeihen können, bedarf es einigen grundlegenden Standortfaktoren. Desweiteren richtet sich die Artenzusammensetzung von Pflanzen auf einer bestimmten Fläche nicht nur nach den Standortfaktoren, sondern auch nach Unverträglichkeiten zwischen den Pflanzen sowie der Nahrungskette zwischen Pflanze und Tier. Nach Walter (1961) ist der Standort „die Gesamtheit der an einem Wuchsort auf ein Lebewesen einwirkenden Außenfaktoren“. Für die Pflanzen ist nicht nur ein Standortfaktor entscheidend, sondern es fließen viele Faktoren in das Gedeihen und Vergehen einer Pflanze mit ein. Diese werden als direkt wirksame, also unmittelbar auf das Leben einer Pflanze Einflussnehmende, bezeichnet (vgl. Klink 2008, S.102f).

Auch bei den Pflanzen herrscht wie im derzeitigen Wirtschaftssystem eine Konkurrenz um verschiedene Standortfaktoren vor. Im Bereich der Biogeographie lassen sich direkte und indirekte Standortfaktoren unterscheiden. Direkte sind vor allem Licht, Wasser, , Boden, Nährstoffe, mechanische Einflüsse wie Wind, Tierverbiss und –tritt, Eistrieb und der Schwerkraft. Bei dem Boden ist dabei hauptsächlich der Kampf um den Raum gemeint. Die direkten werden durch die indirekten Standortfaktoren beeinflusst, wie z.B. durch das Mesoklima (regionale), die Lage des Standortes am Relief (Höhenlage, Hangneigung, Exposition), Bodeneigenschaften (Minerale, Art, Gefüge, Struktur, pH-Wert, sorptionsfähige Stoffe). Der Standort bestimmt also letztendlich die Anzahl der anzutreffenden Arten und die potenzielle Agrar- und Forstwirtschaftliche Nutzung. Das Zusammenwirken von Lebewesen und Umweltfaktoren wird schließlich als Ökosystem bezeichnet. Die Erde kann dabei als ein großes bezeichnet werden, mit durch klimatische Einflüssen jedoch unterschiedlich ausgebildeten Teilökosystemen in verschiedenen Räumen (vgl. Klink 2008, S.102f).

3. Klimatische Standortfaktoren

Im Folgenden sollen die Klimaspezifischen Klimafaktoren Licht, Wärme, Niederschlag, Luftfeuchte, Wind, Höhe und das Relief genauer untersucht werden. Die Standortfaktoren Wind, Höhe und Relief werden innerhalb der anderen klimaspezifischen Klimafaktoren eingegangen.

3.1 Licht

Das Licht auf der Erde ist in Raum und Zeit sehr unterschiedlich verteilt. Entsprechend ungleich ist auch die Vegetation verteilt. Die Ursache dafür ist die Kugelgestealt der Erde, ihre Erdrevolution, die Ekliptik sowie die Erdroation. Dadurch ergeben sich Unterschiede hinsichtlich der Sonnendauer und der damit zusammenhängenden Einstrahlungsintensität und –dauer. Desweiteren ergibt sich dadurch ein Jahres- und Tageszeitenklima (vgl. Baumhauer et al. 2008, S. 29f). Im Bereich des Äquators bis etwa 40° nördlicher und südlicher Breite herrscht ein Strahlungsüberschuss vor. Daraus ergibt sich ein ausgeprägtes Tageszeitenklima. Allerdings ergeben sich Abweichungen die die unterschiedliche Land-Wasser Verteilung. Auch hat der schwankende atmosphärische Wasserdampfgehalt sowie die Bewölkung Auswirkung auf die Strahlungsbilanz, da auch Land und Meer verschiedene Albedowerte aufzeigen. Weiter polwärts schließlich liegt dann ein immer weiter zunehmendes Strahlungsdefizit vor, mit zunehmenden Jahreszeitenklima (vgl. Lauer & Bendix 2006, S. 58f). Die folgende Abbildung zeigt dies noch einmal anschaulich.

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Abb. 1: Einfallswinkel der Sonnenstrahlung (Quelle: Baumhauer et al. 2008, S. 30)

Das Licht ist der sichtbare Anteil des Strahlungsspektrums. Der für den Menschen sichtbare Anteil liegt im Bereich von 400-780nm. Die folgende Abbildung veranschaulicht nochmal das vollständige elektromagnetische Strahlungsspektrum, welches von der Sonne ausgestoßen wird. Es setzt sich aus kurzwelliger (UV, sichtbares Licht, nahes Infrarot) und er langwelligen (thermales Infrarot, Mikro- und Radiowellen) zusammen. Augenscheinlich ist, dass davon nur der Bereich des sichtbaren Lichtes für die Photosynthese der Pflanzen verwendet wird (vgl. Lauer & Bendix 2006, S. 40). Abbildung 2 zeigt das volle Spektrum der elektromagnetischen Strahlung beginnend bei der Röntgen-Strahlung bis zur Radiowellenstrahlung. Für die Pflanzen ist jedoch wie bei den Menschen nur der Bereich des sichtbaren Lichts entscheidend.

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Abbildung 2: Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung (Quelle: Lauer & Bendix 2006, S. 40)

Die UV-Strahlung ist auch für die Pflanzen schädlich. Während UV-A Strahlung noch weitestgehen absorbiert werden kann durch eine aus Wachs aufliegende Schutzschicht an den Epidermiszellen. Diese nimmt die UV-A Strahlen auf und schützt so die Pflanze vor der schädlichen Wirkung. Das Problem dabei ist die Aufnahme der kurzwelligen UV-Strahlung durch die Proteine und die Kernsäuren (DNA & RNA). Dabei kommt es zur Schädigung bzw. Veränderung der Moleküle durch die mutagene Strahlung (Frey & Lösch 2010, S. 181).

Die spektrale Energieverteilung ist neben der Erdrotation und Ekliptik entscheidend für die Herausbildung der einzelnen Ökozonen. Ein Teil des Lichtes wird reflektiert, d.h. zurück gestrahlt sobald es auf ein Objekt auftritt. Ein anderer Teil wird absorbiert, d.h. von dem Objekt aufgenommen.

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Abb. 3: Albedo- und Emissionsvermögenswerte (Quelle: Lauer & Bendix 2006, S. 44)

Abbildung 3 zeigt für verschiedene Oberflächen die Werte. Während Schnee und Wasser relativ viel reflektieren, zeigen sich für die Vegetation Werte von durchschnittlich 5-30% der Strahlung. Der bis zur Oberfläche ankommende Anteil ist stark abhängig von den Molekülen der Atmosphäre, durch Wolken und Aerosolteilchen. Zudem können Baumkronen die ankommende Strahlung reduzieren. Die Reflektion ist auch abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Blätter. Das sichtbare Licht sowie das nahe Infrarot können durch den Haarfilz oder auch die Wachsschicht an einem Blatt stark reflektiert werden. Hingegen können feine Epidermisstrukturen die Absorption wiederum fördern (Lauer & Bendix 2006, S. 40ff). Die nächste Abbildung veranschaulicht das soeben genannte am Beispiel eines Mischwaldes (oberes Bild) und einer Wiese (unteres Bild).

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Abb. 4: Lichtverteilung in einem Wald und einer Wiese (Quelle: Klink 2008, S 114)

Es wird ersichtlich, dass nur 2% der Strahlung die Bodenoberfläche erreicht, ca. 89% werden bereits in den oberen bzw. unteren Baumkronen reflektiert. Durch die Jahreszeiten ergibt sich jedoch ein schwankender Lichteinfall. Dies ist vor allem für die Ausbreitung Licht- oder Schattenpflanzen entscheidend.

Hingegen tritt bei einer Wiese bereits über 30% in Bodennahe Schichten vor, was Lichtpflanzen begünstigt, die oftmals eben mindestens 30% Lichteinfall benötigen um zu gedeihen.
Der Wald absorbiert 79% des Lichts mit Hilfe der Kronenschicht und reflektiert 10% direkt wieder zurück. Nur insgesamt 11% kommen so in den unteren Stockwerken an. Diese Wiese wiederum weißt einen höheren Reflexionsgrad von 20% auf. Dafür kommt der Großteil der Strahlung auch noch am Bodennahen Bereich an. Die restlichen 5% werden schließlich noch von der Bodenschicht absorbiert.

Die Globalstrahlung bezeichnet die Strahlung die nach dem Durchgang der Atmosphäre noch den Boden erreicht. Dies kann ein Blatt oder auch der Boden sein. Sie besteht aus der direkten Strahlung und der diffusen kurzwelligen Strahlung (vgl. Frey & Lösch 2010, S. 173). Wie Frey & Lösch (2010) schreiben, ist in Bezug auf die Schwarzkörperstahlung „jeder Körper ein Sender und Empfänger“, d.h. jeder emittiert Strahlung und gibt sie im physikalischen Sinne ab. So zum Beispiel bei der elektromagnetischen Strahlung, bei der Wärme abgegeben wird. Dies geschieht in Abhängigkeit von der Temperatur des Körpers. Die Sonne ist bekanntlich sehr heiß, deshalb ist das Maximum in den Bereich der kurzwelligen Strahlung verschoben. Die von der Erdoberfläche abgehende Strahlung ist langwellig. Für die Pflanzen ist die Nettostrahlung bedeutsam. Sie setzt sich zusammen aus „der Summe aufgenommener direkter reflektierter und gestreut auftreffender kurzwelligen Strahlung, von der Atmosphäre und dem Boden reflektierter und gestreuter, vom Pflanzenorgan aufgenommene langwellige Strahlung und der von der Pflanze an die Atmosphäre und dem Boden abgegebene langwellige Strahlung.“ (vgl. Frey & Lösch 2010, S.174) Etwa die Hälfte der Strahlung von der Sonne erreicht die Biosphäre unverändert. Der Blattflächenindex gibt an um wie viel Prozent die Blätter überdecken. Werte kleiner als 1 bedeuten, dass der Boden überwiegt. Werte größer 1 geben ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen Vegetation und Boden an. Schlussendlich geben Werte über 1 eine Dominanz der Blätter an. Dieser Wert ist wichtig für die Betrachtung der einzelnen Ökozonen, um einen Indikator zur schnelleren Analyse zu besitzen (vgl. Frey & Lösch 2010, S. 176f).

Licht hat verschiedene Aufgaben und Funktionen für das Gedeihen einer Pflanze. Zu allererst ist es für das Wachstum allgemein wichtig, auch hinsichtlich der Wuchsrichtung und der Geschwindigkeit. Die Pflanzen richten ihre Blüten im Tagesverlauf zur Sonne hin aus. Das hat bestäubungs-biologische Vorteile. Denn dadurch erhöht sich ihre Blütentemperatur. Desweiteren ist es ausschlaggebend für die Blüten- und Sprossbildung. Nicht zu vergessen ist auch die Struktur und Pflanzendecke (Schichtung). Das Licht bestimmt teilweise auch die Artenzusammensetzung, da Pflanzen um Licht konkurrieren (vgl. Klink 2008, S. 110). Der zentrale Prozess für die Pflanzen ist dabei die Photosynthese. Dabei wird Kohlendioxid und Wasser durch die Lichtenergie unter Zuhilfenahme des Chlorophylls zu Glukose umgewandelt. Die folgende chemische Summenformel gibt den genauen Prozess dabei wieder (vgl. Klink 2008, S.110):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der für die Photosynthese nutzbare Anteil am Wellenspektrum liegt im Bereich von 380-710nm. Dieser Bereich liegt also im wesentlich im sichtbaren Bereich des Elektromagnetischen Spektrums. Dieser für Pflanzen nutzbare Bereich wird auch als Photosynthetisch wirksame Strahlung bezeichnet (vgl. Klink 2008, S.111). Die nächste Abbildung zeigt das Absorptions-, Transmissions- und Reflexionsverhalten der Strahlung auf einem Blatt. Auffällig ist die erhöhte Reflexion im grünen Bereich. Dadurch erscheinen auch die Blätter der Pflanzen grün. Die Reflexion ist im weiteren Verlauf immer weiter abnehmend. Hingegen steigt die Absorptionsrate mit steigender Wellenlänge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Wechselwirkung elektromagnetische Strahlung mit einem Blatt (Quelle: Lauer & Bendix 2006, S. 43)

Die Aufgabe des Chlorophylls besteht im Wesentlichen in der Filterung der gelbroten und blaugrünen Anteile aus dem Lichtspektrum heraus. Es lässt dabei die grünen und dunkelroten Anteile passieren. Die Schattenblätter erhalten im Gegensatz zu den Sonnenblättern Quantitativ und Qualitativ weniger Licht (vgl. Klink 2008, S. 112). Als Folge der unterschiedlichen Lichtmenge haben sich Licht- und Schattenpflanzen gebildet. Durch Selektion hat eine Anpassung an die Jahreszeitlichen Lichtverhältnisse stattgefunden. Als Beispiele können hier die Frühlingsblüher (Frühlings-Geophyten) herangeführt werden, die im Bodennahen Bereich der Laubwälder blühen, bevor die Bäume ihre Blätter entfalten. Es lassen sich dabei verschieden Abstufungen nach dem Ellenberg’schen Zeigerwerten vornehmen. Diese nimmt eine Unterteilung der Pflanzen in stark Sonnenliebende und stark Schattenliebende vor. Dazwischen gibt es noch verschiedene Abstufungen (vgl. Frey & Lösch 2010, S. 178).

Eine weitere wichtige Eigenschaft bei der Belichtung ist die Zeit und Dauer, in Fachkreisen auch Photoperiodismus genannt. Auch die Strahlungsintensität hat einen wesentlichen Einfluss auf die Keimvorgänge bei Samen. Es werden bei den Samenkeimern Licht- und Dunkelkeimer unterschieden. Lichtkeimer reagieren positiv auf Lichteinfluss, so sind die Keimvorgänge bei diesen darauf angewiesen. Ein heimisches Beispiel ist dabei die Hängebirke. Bei den Dunkelkeimern unterdrückt Licht die Keimung, d.h. sie benötigen einen Lichtgeschützten Ort (vgl. Klink 2008, S.110). Ein weiterer Einfluss des Lichtes auf die Pflanzen zeigt sich hinsichtlich der Pflanzengestalt. Schatten fördert hier bei den Sprossachsen das Streckungswachstum in die Höhe. Das Ziel ist die Gipfelknospen ans Licht zu bringen. Es zeigen sich dabei Unterschiede zwischen Sonnen- und Schattenblättern. Beispielsweise liegen in einer Baumkrone durch die Schichtung der Blätter die äußeren Blätter in der Sonne. Das sind also die Sonnenblätter. Die darunter im Schatten liegenden Blätter werden als Schattenblätter bezeichnet. Sonnenblätter sind in der Gestalt eher klein und dick. Sie sind auch durch die stärkere Bestrahlung mit Licht stärker an Trockenheit angepasst. Augenscheinlich dafür ist eine dichtere Leitbündelstruktur und mehr Spaltöffnungen für die Transpiration an der Blattunterseite. Die Schattenblätter hingegen sind eher groß und dünn in der Form. Schattenblätterweisen zudem eine niedrigere CO2 Abgabe auf als die Sonnenblätter (vgl. Walter & Breckle 1999, S.343).

Für die Struktur des Pflanzenbestandes ist die Lichtintensität entscheidend. Die Pflanzen passen sich dabei den lokalen Gegebenheiten an. Es wird zwischen vertikaler (Schichtung betreffend) und horizontaler (Artenverteilung betreffend) Struktur unterschieden (vgl. Klink 2008, S.110f).

Die Entstehung von Licht- und Schattenpflanzen resultiert aus der unterschiedlichen Beleuchtung. Deshalb versuchen die Pflanzen ökologische Nischen zu besetzen, um in den Genuss von Licht zu kommen. Markante Beispiele finden sich dafür im Tropischen Regenwald. Es gibt dort mehrere Baumstockwerke, sodass Schlinggewächse und Aufsitzerpflanzen begünstigt werden. Auch das Relief hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Lichtgenuss. Dieses bestimmt auch maßgeblich den relativen Lichtgenuss.

Relativer Lichtgenuss: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten(vgl. Klink 2008, S.112)

Der Photoperiodismus, d.h. die Länge von Tag und Nacht, nimmt einen erheblichen Einfluss auf die Pflanzen- und Blütenentwicklung. Es werden dabei Langtag- und Kurztagpflanzen unterschieden. Langtagpflanzen stehen unter dem täglichen Lichteinfluss von 9-14 Stunden. Diese nutzen auch die geringe Strahlungsenergie am Morgen und am Abend zur Assimilation aus. Im Gegensatz dazu die Kurztagpflanzen in den Tropen und Subtropen, wo die Tage zwar eher kurz sind, dafür die Bestrahlung konstant ist. Eine dritte Gruppe stellt noch die tagesneutralen Pflanzen dar (vgl. Klink 2008, S. 115).

Zusammenfassend soll zum Ende dieses Abschnitts der Strahlungshaushalt dargestellt werden. Wie Lauer & Bendix (2006) schreiben, gilt die Bilanz der Solarstrahlung für die Tagesseite der Erde. Die Bilanz der terrestrischen Strahlung gilt aufgrund der Wärmeabgabe in der Nacht wieder für die komplette Erde. Der Strahlungshaushalt entspricht dabei dem ersten Gesetz der Thermodynamik. Nach diesem Gesetz muss so viel Energie rausgehen wie reingeht. Der Sachverhalt lässt sich mit der Strahlungsbilanzgleichung beschreiben: S = (I+D)*(1-α)-(A-G)

S= Strahlungsbilanz, I= Direkte Sonneneinstrahlung, D= Diffuse Sonneneinstrahlung, α=planetare Albedo, A=Terrestrische Ausstrahlung (Infrarot), G= Atmosphärische Gegenstrahlung (Infrarot) (vgl. Lauer & Bendix 2006, S.51f). Nach der Abbildung 6 kommen nur ca. 50% der ursprünglich ausgesendeten Strahlung von der Sonne auf der Erdoberfläche und bei den Pflanzen an. Wobei auch schädliche Anteile des Wellenspektrums direkt von der Atmosphäre gefiltert werden um für die Lebewesen geeignete Bedingungen zu schaffen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Strahlungsbilanz der Erde (Quelle: Lauer & Bendix 2006, S. 51)

3.2 Wärme

Der nächste Faktor für die Pflanzenentwicklung ist die Wärme. Für alle Pflanzen gemein ist ein optimaler Bereich für das Wachstum. Bedeutend sind dabei die Tageszeiten- und Jahreszeitenklimate. Es gibt dabei artspezifische Werte für den Minimal- und Maximalbereich. Oftmals ist ein Mangel an Wärme über Gedeih und Verderb entscheidend (vgl. Klink 2008, S.115f).

Wärme wird prinzipiell in allen Wellenbereichen abgebeben, wobei der langwelligen Strahlung mehr zugerechnet werden kann als der kurzwelligen. Die Solarkonstante, d.h. die Sonneneinstrahlung an der Oberseite der Atmospäre, beträgt 1390W/m². Diese varriiert um etwa 3,5%, in Abhängigkeit von der Entfernung von Sonne und Erdeim Laufe des Jahres. Die konkrete Einstrahlung auf einer Fläche ist abhängig von der Geographischen Breite, der Höhe, der Exposition (Relief) sowie der Bewölkung (vgl. Frey & Lösch 2010, S. 173).

Negative Einflüsse nehmen dabei Hitze und Kälte. Der Hitzestress führt zu einer Membranschädigung und zu einer Eiweißdenaturierung bei einer Temperatur von über 40°C. Letztendlich würde dies zum Hitzetod der Pflanze führen. Diese haben jedoch für solche Situationen eine Schutzfunktion entwickelt. Sie schützen sich durch die Ummantelung mit abgestorbenen Teilen (Strohtumba), Haaren und Korkschichten. Diese Funktion stellt auch gleichzeitig ein Verdunstungsschutz dar (vgl. Klink 2008, S.116). Kältestress wiederum führt zu Erkältungserscheinungen (Temperatur noch über 0°C). Die Frostschäden treten bei Temperaturen unter 0°C auf. Gründe sind Eisbildung sowie Wasserentzug aus dem Protoplasma. Die Folge davon ist die Dehydrierung und die Schädigung des Enzymsystems.

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