Mensch und Umwelt – Warm-up

Ein Mischwald besteht aus verschiedenen Schichten, die von den Wurzeln bis zu den höchsten Baumkronen reichen. Diese Schichten sind:

1. Wurzelschicht: Die Wurzeln der Pflanzen reichen mehrere Meter tief in den Boden.
2. Moosschicht: Direkt am Boden wachsen Moose wie Frauenhaarmoos und Sternmoos, Pilze und einige Flechten. Diese Schicht ist etwa 10 bis 20 Zentimeter hoch.
3. Krautschicht: Zwischen 15 Zentimetern und etwa einem Meter Höhe wachsen Farne und viele Kräuter. Im Frühling blühen hier Buschwindröschen, Scharbockskraut, Leberblümchen, Maiglöckchen und Waldmeister. Im Sommer wachsen Sauerklee und Springkraut.
4. Strauchschicht: Zwischen zwei und etwa zehn Metern Höhe befinden sich Sträucher wie Hasel, Vogelbeere, Berberitze und Stechpalme. Auch junge Bäume gehören zu dieser Schicht.
5. Baumschicht: In einer Höhe von zehn bis 40 Metern befinden sich die Stämme und Kronen der höchsten Bäume wie Buche, Eiche, Esche, Ahorn, Tanne, Fichte, Kiefer und Lärche.

Diese Schichten führen zu einer Gliederung des Mischwalds in Stockwerke.

Die abiotischen Faktoren wie Licht, Temperatur, Wind und Luftfeuchtigkeit sind je nach Stockwerk unterschiedlich ausgeprägt und führen zu verschiedenen Umweltbedingungen:

• Licht: Auf das Blätterdach der höchsten Baumkronen trifft 100 Prozent des Sonnenlichts, während in der Krautschicht nur etwa zwei Prozent davon ankommen. Die Buche zeigt eine besondere Anpassung an das Licht. Im oberen Kronenbereich sind ihre Blätter klein, dick und dunkelgrün, um effektiv Fotosynthese zu betreiben. In den schattigeren Bereichen sind die Blätter größer, dünner und hellgrün.
• Temperatur: Unmittelbar über dem Waldboden sind die tageszeitlichen Schwankungen der Temperatur geringer als in den höheren Schichten. Tagsüber verhindert der Schatten der oberen Stockwerke eine starke Erwärmung und nachts schützt der dichte Bewuchs vor einer starken Abkühlung.
• Wind: Während die höchsten Baumwipfel stürmischem Wind ausgesetzt sein können, ist es in den unteren Schichten meist windstill.
• Luftfeuchtigkeit: Direkt über der Bodenoberfläche ist die Luftfeuchtigkeit durch die Wasserverdunstung aus der feuchten Walderde am höchsten und schwankt im Tagesverlauf kaum. Daher findet man hier oft Farne, die auf eine hohe Feuchtigkeit angewiesen sind.

Die Pflanzen im Mischwald sind also von zahlreichen abiotischen Faktoren abhängig, die sie wiederum selbst stark beeinflussen.

Ein See ist ein stehendes Binnengewässer mit einer Mindestfläche von etwa 10.000 Quadratmetern und einer Tiefe von mehr als zwei Metern. Seen können natürlichen Ursprungs sein, wie die Eifelmaare, oder künstlich angelegt, wie Stauseen oder Baggerseen. Ein See besteht aus einem Lebensraum (Biotop) und einer Lebensgemeinschaft (Biozönose). Der Lebensraum See umfasst den Seeboden und das Freiwasser. Mit zunehmender Tiefe verändern sich die abiotischen Umweltfaktoren, weshalb man den Seeboden in eine Uferzone und eine Tiefenzone unterteilt. Das Freiwasser wird in eine vom Licht durchflutete Oberflächenwasserzone und eine dunkle Tiefenwasserzone gegliedert.

Die Form und Tiefe des Seebeckens, die Beschaffenheit des Seebodens sowie die Wasserzufuhr und der Wasserabfluss beeinflussen weitere abiotische Umweltfaktoren wie Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt, Mineralstoffgehalt und pH-Wert des Wassers.

Winterschichtung

Wenn im Winter die Lufttemperatur sinkt, kühlt sich das Oberflächenwasser eines Sees ab. Bei vier Grad Celsius hat Wasser seine größte Dichte. Vier Grad Celsius kaltes Wasser befindet sich im Tiefenbereich des Sees. Sinkt die Lufttemperatur unter null Grad, bildet sich an der Wasseroberfläche Eis. Eis hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und schwimmt deshalb oben. Bei anhaltender Kälte bildet sich eine dicke Eisdecke, die verhindert, dass das darunterliegende Wasser weiter abkühlt.

Direkt unter der Eisdecke hat das Wasser eine Temperatur von null bis einem Grad Celsius. Darunter folgen Wasserschichten mit Temperaturen zwischen einem und vier Grad. Diesen Zustand nennt man Winterschichtung. Wegen der Eisdecke und der unterschiedlichen Dichte des Wassers findet keine Durchmischung statt, man spricht von Winterstagnation. Die Lebewesen im See können unter der Eisdecke im flüssigen Wasser überleben, aber der Sauerstoffgehalt kann im Tiefenbereich abnehmen.

Frühjahrszirkulation

Im Frühjahr wird die Sonneneinstrahlung stärker und die Eisdecke schmilzt. Wenn sich das Oberflächenwasser auf vier Grad erwärmt, sinkt es nach unten. Da nun das gesamte Wasser im See die gleiche Temperatur und Dichte hat, durchmischt es sich vollständig. Wind verstärkt diesen Wasseraustausch. Diesen Prozess nennt man Frühjahrszirkulation. Dadurch gelangt sauerstoffreiches Wasser aus der oberen Schicht in den Tiefenbereich.

Sommerschichtung

Im Sommer kann sich das Oberflächenwasser auf über 20 Grad Celsius erwärmen. Da die Dichte des Wassers mit zunehmender Erwärmung abnimmt, bildet das warme Wasser eine obere Schicht, die Deckschicht. In ihr kann das Wasser zirkulieren. Ein Austausch mit dem kühleren Wasser darunter findet nicht statt, da dieses Wasser eine höhere Dichte hat. Zwischen der Deckschicht und der kühlen Tiefenschicht liegt die Sprungschicht, in der sich das Wasser schnell abkühlt. Im Sommer gibt es also wieder eine Schichtung des Wassers, man spricht von Sommerschichtung oder Sommerstagnation. Während die Deckschicht gut mit Sauerstoff versorgt wird, nimmt der Sauerstoffgehalt in der Sprungschicht stark ab und ist in der Tiefenschicht sehr gering.

Herbstzirkulation

Im Herbst kühlt sich das Oberflächenwasser eines Sees bis auf die Temperatur des Tiefenwassers ab. Dadurch findet erneut eine vollständige Durchmischung des Wassers statt, die Herbstzirkulation. Bei diesem Prozess gelangt sauerstoffreiches Wasser von oben in den Tiefenbereich des Sees.

Neu entstandene Seen haben oft sehr klares Wasser mit großer Sichttiefe und nur wenigen Pflanzen. Sie enthalten wenig Biomasse und Mineralstoffe und bleiben lange in diesem mineralstoffarmen Zustand. Oligotrophe Seen findet man zum Beispiel in den Alpen. Da den Pflanzen in diesen Seen nur wenig Mineralstoffe zur Verfügung stehen, können sie auch bei viel Sonnenlicht nur wenig Biomasse aufbauen. Dadurch bleibt auch die Biomasse der Tiere gering, und es gelangt nur wenig totes organisches Material in die Tiefe. Dieses Material wird von den Destruenten unter geringem Sauerstoffverbrauch vollständig abgebaut. Der Sauerstoffgehalt bleibt das ganze Jahr über hoch, und die Konzentrationen von Nitrat und Phosphat sind konstant gering.

Seen mit vielen Pflanzen enthalten mehr Biomasse und Mineralstoffe. Ihr Wasser ist im Sommer oft grün gefärbt und die Sichttiefe ist gering. Manchmal gibt es so viele Algen, dass man von Algenblüten spricht. Solche Seen sind oft flach und erhalten aus dem Umland viel organisches Material und Mineralstoffe. Man nennt sie eutroph. Die Pflanzen in eutrophen Seen bauen im Sommer viel Biomasse auf, und den Tieren steht viel Nahrung zur Verfügung. Dadurch gelangen große Mengen an totem organischem Material in die Tiefe, und die Destruenten verbrauchen viel Sauerstoff. Wenn zu viele Mineralstoffe eingetragen werden, kann der See umkippen und alle auf Sauerstoff angewiesenen Lebewesen sterben.

Ohne menschliche Einflüsse verläuft die Eutrophierung eines Sees allmählich. Im Laufe von Jahrtausenden werden oligotrophe Seen zu eutrophen und bilden Moore. Im eutrophen See lagert sich totes organisches Material als Faulschlamm am Seegrund ab. Der See wird flacher und Uferpflanzen wie Schilf breiten sich aus. Ihre toten Reste bilden Muddetorf. Unter anaeroben Bedingungen und niedrigen Temperaturen wird der Abbau weiter gehemmt, wodurch sich Kohlenstoff anreichert und dunkler Flachmoortorf entsteht. Der See verlandet und wird zum Flachmoor. Bei geringen Niederschlagsmengen breiten sich Bäume wie Moorbirken aus und bilden Bruchwaldtorf. Bei hohen Niederschlagsmengen breiten sich Torfmoose aus, die Regenwasser speichern und in Schichten übereinander wachsen. Sie überwuchern andere Pflanzen und bewirken eine Ansäuerung des Bodens, was die Tätigkeit der Destruenten hemmt. Mit der Zeit bildet sich Hochmoortorf und ein Hochmoor entsteht. In Hochmooren herrschen extreme Lebensbedingungen, und die meisten Tier- und Pflanzenarten sind seltene Spezialisten. Durch Entwässerung und Torfabbau ist das Ökosystem Moor stark gefährdet.

Im Verlauf eines Fließgewässers, wie einem Bach oder Fluss, verändern sich die abiotischen Faktoren wie Temperatur und Sauerstoffgehalt des Wassers. Diese Veränderungen führen dazu, dass man ein Fließgewässer von der Quelle bis zur Mündung in verschiedene Zonen gliedern kann.

Zonierung eines Fließgewässers

• Quelle: Nahe der Quelle ist das Gefälle groß. Die starke Strömung und Verwirbelung des Wassers führen zu einem hohen Sauerstoffgehalt und niedriger Temperatur. Im felsigen Bachbett finden nur wenige Lebewesen Halt.
• Oberlauf: Hier herrscht durch das hohe Gefälle eine starke Strömung. Das Wasser ist sauerstoffreich und kalt, das Flussbett grob steinig. Diese Zone nennt man Forellenregion, da hier die Bachforelle lebt.
• Mittellauf: Der Fluss wird breiter und fließt durch flachere Landschaften. Das Gefälle, die Strömung und der Sauerstoffgehalt nehmen ab. Es entstehen unterschiedlich stark durchströmte Bereiche, kleine Inseln und Kiesbänke. Diese Zone nennt man Barbenregion.
• Unterlauf: Das Wasser fließt langsam und wärmt sich durch die Sonne auf. Sand und feiner Kies setzen sich am Boden ab, sodass Wasserpflanzen Halt finden. Der Fluss fließt in flacheren Landschaften mit vielen Windungen, den Mäandern. Diese Zone nennt man Brachsenregion.
• Mündung: In der Nähe der Mündung ins Meer wird der Einfluss des Meerwassers stärker. Das Wasser ist warm und sauerstoffarm, der Bodengrund besteht aus Sand und Schlamm. Diese Zone nennt man Kaulbarsch-Flunder-Region.

Im Gegensatz zum Ökosystem See sind die abiotischen Faktoren Sauerstoffgehalt und Temperatur im Fließgewässer wesentlich von der Strömung abhängig. Je langsamer der Fluss fließt, desto feineres Material kann sich am Grund als Sediment absetzen.

Lebensraumvielfalt

Neben der groben Gliederung gibt es auch eine kleinräumige Gliederung eines Fließgewässers, die ebenfalls von der Strömung abhängig ist. Schnell und langsam durchströmte Bereiche oder tiefe und flache Bereiche wechseln sich ab. Kleine Inseln oder Totholz unterbrechen stellenweise den Lauf des Flusses. Jahreszeitliche Veränderungen wie Hoch- und Niedrigwasser oder Eisbildung tragen ebenfalls zur Vielfalt der Lebensbedingungen und Lebensräume in Fließgewässern bei. Diese Vielfalt führt zu einer besonders artenreichen Lebensgemeinschaft.

Seit der Mensch sesshaft wurde, hat er Fließgewässer verändert. Flüsse und Bäche dienten neben der Trinkwassergewinnung auch dazu, Abfälle und Ausscheidungen aus den Siedlungen zu entfernen. Mit der Industrialisierung im 19. Jahrhundert kamen chemikalienhaltige Industrieabwasser hinzu. Durch die Intensivierung der Landwirtschaft entstehen düngemittelhaltige Abwasser. Diese Abwassereinleitungen schädigen viele Lebewesen im Wasser und erschweren die Trinkwassergewinnung.

Der Mensch hat viele Fließgewässer verändert, indem er Dämme und Stauwehre baute, Flussläufe begradigte und Ufer befestigte. Diese Begradigungen dienen zur Gewinnung von Siedlungs- und Ackerflächen und zur leichteren Befahrbarkeit der Flüsse. Begradigungen erhöhen jedoch die Fließgeschwindigkeit und zerstören Lebensräume. Das schneller fließende Wasser vermindert die Hochwassergefahr im Oberlauf, erhöht sie jedoch im Mittel- und Unterlauf. Freizeitnutzungen wie Wassersport können ebenfalls zur Belastung von Fließgewässern beitragen.

Selbstreinigung

In jedem Gewässer entstehen natürliche Verunreinigungen durch Ausscheidungen von Lebewesen, abgestorbene Pflanzenreste und tote Tiere. Die Lebewesen in einem intakten Fließgewässer können diese Verunreinigungen verarbeiten und beseitigen. Diesen Vorgang nennt man Selbstreinigung. Je stärker ein Fließgewässer belastet und verändert ist, desto schlechter laufen diese natürlichen Reinigungsvorgänge ab. Bei besonders stark belasteten Gewässern kann es dazu kommen, dass fast alle Lebewesen im Wasser sterben. Man spricht dann vom Umkippen des Gewässers.

Gewässergüte

Viele Tierarten in Fließgewässern kommen unterschiedlich gut mit Gewässerbelastungen zurecht. Steinfliegenlarven oder Köcherfliegenlarven benötigen einen hohen Sauerstoffgehalt und gute Wasserqualität, während Zuckmückenlarven oder Schlammröhrenwürmer auch in stark verschmutzten Gewässern überleben können. Solche Tierarten nennt man Zeigerarten. Mithilfe dieser Zeigerarten lässt sich die Qualität eines Fließgewässers, die Gewässergüte, bestimmen und bewerten. Die Gewässergüte wird in unterschiedliche Güteklassen eingeteilt: von „unbelastet“ bis „übermäßig verschmutzt“. Je stärker ein Gewässer verschmutzt ist, desto kleiner ist die Anzahl der Tierarten, die dort leben können.

Gewässerschutz

Um die Belastung von Fließgewässern zu verringern, können verschiedene Maßnahmen durchgeführt werden. Die Reinigung von Abwässern, die Abwasserklärung, ist besonders wichtig. In einer Kläranlage werden Abwasser durch verschiedene Verfahren gereinigt. In der mechanischen Stufe werden grobe Verunreinigungen entfernt. Gelöste Stoffe wie Fäkalien werden in der biologischen Stufe durch Bakterien abgebaut. In der chemischen Stufe werden Schadstoffe entfernt, die von den Bakterien nicht beseitigt werden können, wie Wasch- und Reinigungsmittel. Das geklärte Abwasser kann dann in das Fließgewässer eingeleitet werden. In Deutschland hat sich die Anzahl der Kläranlagen von den 1960er bis zu den 1980er Jahren beinahe verdreifacht, sodass heute fast 100 Prozent der Abwasser geklärt werden. Dadurch hat sich die Gewässergüte stark verbessert.

Renaturierung

Auch die durch Begradigungen verursachten Belastungen von Fließgewässern werden heute teilweise korrigiert. Man versetzt den Lauf eines begradigten Fließgewässers wieder in einen möglichst natürlichen Zustand mit Biegungen und Windungen. Durch Renaturierung können sich wieder viele Arten von Lebewesen ansiedeln, die im begradigten Gewässer wenig Lebensräume fanden. Die größere Artenanzahl und die vielfältige Aktivität der Lebewesen erhöht die Selbstreinigungskraft des renaturierten Fließgewässers. Auch Hochwassergefahren können durch Renaturierungsmaßnahmen reduziert werden, da die Fließgeschwindigkeit des Flusses verringert wird und mehr Raum für die Aufnahme von Hochwasser zur Verfügung steht.