Das globale Ökosystem

Kern und Haut der Erde -
Gestein und Boden (Lithosphäre und Pedosphäre)

Die beiden innersten “Schalen” des Ökosystems Erde werden von den Gesteinen (Lithosphäre) und dem Boden gebildet (Pedosphäre): Die Gesteine sind wichtige Lagerstätten für mineralische und andere Rohstoffe, wie die fossilen Brennstoffe, und bilden bei ihrer Verwitterung gemeinsam mit totem organischem Material den Boden. Der Boden ist die Grundlage für die Erzeugung der allermeisten unserer Nahrungsmittel; als Voraussetzung für die Entstehung der Landwirtschaft ist er auch die Basis unserer Zivilisation.

Boden, eine Mischung aus anorganischen Mineralien
und totem organischem Material. Foto: U.S. Department
of Agriculture.

Die Erdkruste besteht aus Gesteinen (>> Die Erde), die die innerste “Schale” des Ökosystems Erde bildet; nach dem Schalenmodell “Lithosphäre” genannt. Darauf befindet sich eine dünne Schicht, in der zerbröseltes Gestein sich mit organischem Material, mit Wasser und Luft mischt - dem Boden (“Pedosphäre”). Der Boden ist wohl das verkannteste Ökosystem auf der Erde: Es ist ein unglaublich artenreicher, faszinierender Lebensraum, von dem unser aller Überleben abhängt. Böden wandeln tote organische Materie wieder in Mineralien um, die als Nährstoffe für Pflanzen dienen und so in den Kreislauf der Natur zurückkehren; mit wachsender Weltbevölkerung wird der Erhalt fruchtbarer Böden immer wichtiger, um unsere Ernährung zu sichern - aber in der Öffentlichkeit interessiert sich kaum jemand für den Boden, er kann weitgehend ungestraft immer weiter zerstört werden.

Böden wandeln tote organische Materie in Nährstoffe um
- sie schließen den Kreislauf des Lebens

Der Boden, von dem wir leben

Schon vor Milliarden Jahren, sobald die Gesteine fest wurden, begann unter dem Einfluss von Wind, Temperaturunterschieden und bald auch der ersten Niederschläge (siehe >> Die Erde) die Verwitterung der Gesteine: Temperaturunterschiede lassen das Gestein ausdehnen und wieder zusammenziehen; dabei entstehen Risse, in die Wasser eindringen kann, welches dann beim Gefrieren das Gestein auseinandersprengt oder durch gelöste Stoffe chemisch angreift. Dann löst es im Gestein enthaltene Stoffe und Mineralsalze heraus, wodurch das Gestein zerfällt. Als sich dann auch das Leben auf der Erde entwickelte (siehe >> Das Leben), verstärkten die Ausscheidungen der Organismen den Prozess der chemischen Verwitterung, vermischte sich organisches Material mit den anorganischen Gesteinsstückchen, mit Wasser und Luft: Es entstanden die ersten Böden.

Eine enorme Vielfalt an Lebewesen

Während der Milliarden Jahre andauernden Evolution der Lebewesen entstand im Boden eine enorme Vielfalt an Lebewesen, von den Biologen “Edaphon” genannt - eine Vielfalt, die mindestens so groß ist wie die im Regenwald oder in Korallenriffen. Bekannt sind am ehesten noch die großen Bodentiere: Regenwürmer, Tausendfüßler oder Insektenlarven. Sie fressen Pflanzenreste und zerkleinern sie damit. Von ihrem Kot lebt viele Mikroorganismen, die erst ein genauer Blick mit dem Mikroskop erkennbar macht: Bakterien, Pilze und Algen. Sie zerlegen die organischen Stoffe in Kohlendioxid, Wasser, Stickstoffverbindungen und Nährsalze und schließen so den Stoffkreislauf des Lebens (>> mehr). Sie zersetzen auch die Körper abgestorbener Tiere - und dies sind nicht nur der abgestorbenen Pflanzenzerkleinerer, sondern auch der Tiere, die von diesen leben (etwa Maulwürfe, Spinnen, Hunderfüßler oder Insekten) oder von den Bakterien, Pilzen und Algen (zum Beispiel die einzelligen Geißel- und Wechseltierchen). Auch die lebenden tierischen Einzeller werden von Bakterien gefressen, und diese wiederum von Fadenwürmern. Milben jagen dagegen bevorzugt Pilze. Die im Boden lebenden Tiere und die Mikroorganismen lockern den Boden und sorgen für seine Durchlüftung - so kommt Sauerstoff in den Boden, der wiederum für viele Abbauvorgänge gebraucht wird. Dazu kommen Stoffwechselprodukte, die Gesteinspartikel und Humusteilchen zu “Bodenkrümeln” verkleben, in deren Hohlräumen ebenfalls Luft und Wasser gespeichert werden. Im Idealfall besteht ein Boden zur Hälfte aus Mineralstoffen und Humus, zu 30 Prozent aus Wasser und zu 20 Prozent aus Luft.

Anderes Ausgangsgestein, anderer Boden

Welche Böden sich bilden, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab, unter anderem vom Ausgangsgestein, welches die Verwitterungsgeschwindigkeit und die chemische Charakteristik des Boden bestimmt, vom Klima (heißes Klima und hohe Niederschläge fördern die Verwitterung), von der Vegetation und der Tierwelt ab, die wiederum vom Klima und der Bodencharakteristik beeinflusst werden. Auf kalkarmem Silikatgestein entsteht bei ausreichender Feuchtigkeit zum Beispiel die Braunerde, die braune Farbe entsteht durch durch aus dem Gestein gelöste Eisensalze. Auf Kalkgestein entstehen dagegen oft ein Rendzina-Boden, der meist reich an Steinen ist (Rendzina stammt von polnisch rzedzic = rascheln, weil der Pflug an den Steinen kratzt und daher raschelt). Ein besonders fruchtbarer Boden entstand auf vom Wind verfrachteten Mineralien, dem Löss: die Schwarzerde.

Die Basis der Landwirtschaft und der Zivilisationen

Die Bildung von Böden ist ein langwieriger Prozess, aber im Laufe der Zeit wurde nahezu die gesamte Erdoberfläche mit Böden bedeckt. Außerhalb der Gewässer hängt alles Leben vom Boden ab. Böden waren die Grundlage für die Entstehung der Landwirtschaft und damit der menschlichen Zivilisationen (>> Das Zeitalter der Landwirtschaft), er ist noch heute die Grundlage für unsere Ernährung: Über 90% aller Nahrungsmittel werden – direkt oder über den Umweg als Tierfutter – auf Böden erzeugt. Die Fruchtbarkeit von Böden wird wesentlich von der Verfügbarkeit wichtiger Nährstoffe für die Pflanzen bestimmt, wobei das Bodenwasser als Transporteur ebenfalls unverzichtbar ist: Pflanzen können Mineralien nur in gelöster Form aufnehmen. Eine wichtige Rolle spielt auch der Gehalt an Wasserstoffionen (H⁺): Sie bestimmen, ob der Boden sauer oder basisch reagiert; der pH-Wert (mit dem der Gehalt an Wasserstoffionen gemessen wird) beeinflusst die Lösbarkeit vieler Nährstoffe - kalkarme, saure Böden sind meist mineralarm.

Etwa 12 Prozent der Erdoberfläche werden für den Ackerbau genutzt, weitere 24 Prozent als Weideland. Von dieser Fläche, die nur in den Tropen (auf Kosten der Regenwälder) noch auszudehnen ist, muss eine wachsende Weltbevölkerung (siehe >> hier) ernährt werden. Die Methoden der >> industriellen Landwirtschaft gehen oft auf Kosten der Böden (siehe >> hier), jedes Jahr gehen ca. 23 Milliarden Tonnen Boden verloren. Dazu kommt die Bodenzerstörung durch Schadstoffe, durch Bebauung und anderes (>> mehr). Als Grundlage unserer Ernährung sind die Böden aber die Grundlage unserer Existenz. Wir sollten wohl anfangen, uns wieder mehr für unsere Böden zu interessieren.

Die Pedosphäre im >> Konzert der Sphären

Auch die Böden stehen in ständiger Wechselwirkung mit den anderen “Sphären” des Ökosystems Erde. Hydrosphäre: Sie speichern Niederschlagswasser in ihren Poren, womit sie den Abfluss an der Oberfläche (und damit die Überschwemmungsgefahr) verringern; in den Poren steht das Wasser den Pflanzen zur Verfügung oder kann ins Grundwasser versickern (wobei es auf dem Weg dorthin Schad- und Nährstoffe umwandelt und abbaut). Sandstürme in den Wüsten, bei denen feiner Mineralstaub in die Atmosphäre gelangt, liefern Kristallisationskeime und beeinflussen damit die Wolkenbildung, die Eigenschaften von Wolken und vermutlich auch die Niederschlagsverteilung - die Zusammenhänge zwischen Staub und Wolken sind jedoch noch unzureichend verstanden.

Atmosphäre: Der Mineralstaub aus dem Boden ist die wichtigste natürliche Quelle von Aerosolen in der Atmosphäre. Durch ihren Anteil an organischem Material sind die Böden zudem ein Kohlenstoffspeicher und beeinflussen damit das >> Erdklima; das Auftauen von Permafrostböden durch den >> Klimawandel ist eine der gefürchteten positiven Rückkoppelungen, da dabei die im Permafrostboden gespeicherten Kohlenstoffmengen freigesetzt und den Klimawandel weiter verstärken könnten. Biosphäre: Der Boden stellt - wie oben beschrieben - einen Lebensraum für zahlreiche Bodenorganismen dar und stellt den Lebewesen Mineralstoffe zur Verfügung - über die Staubstürme und die Erosion selbst den Lebewesen im Süßwasser und im Meer.

Der Schatz im Gestein

Die Gesteine der Erdkruste - die Lithosphäre - sind mehr als nur das Ausgangsmaterial für den Boden. Sie stellen selber einen Lebensraum für Organismen dar - Bakterien findet man in Gesteinen vier Kilometer unter der Erdoberfläche! Lebende Organismen können aber auch Gesteine bilden: Kalkstein entsteht aus den Kalkschalen von Meeresorganismen, die nach dem Absterben auf den Meeresgrund sinken und durch geologische Vorgänge als Sedimentgestein emporgehoben werden (>> Der Kreislauf der Gesteine).

Durch verschiedenste geologische und geochemische Vorgänge - zum Teil in Wechselwirkung mit der Hydrosphäre, der Atmosphäre und Lebewesen - konzentrierten sich in der Gesteinsschicht an manchen Lagerstätten bestimmte Mineralien, darunter Metalle: Solche Lagerstätten stellen wertvolle Fundorte (nicht erneuerbarer) Rohstoffe dar, die die Basis unserer Wirtschaft bilden. Ein Beispiel: Wasser kann im Erdinneren unter großem Druck noch bei über 100 Grad Celsius flüssig bleiben und dann Minerale wie etwa Gold lösen und transportieren (“hydrothermale Lösung”); wenn das Wasser abkühlt, fällt die Mineralien aus und können im Falle des Goldes in Hohlräumen Goldadern bilden. Metalle werden seit tausenden von Jahren verwendet (>> mehr), die Nutzung von nichtmetallischen Mineralien zur Düngung und in der Chemie war eine wichtige Grundlage der >> Industriellen Revolution.

Ein Weg zur Entstehung von Lagerstätten mineralischer Rohstoffe
so können z.B. Lagerstätten von Gold oder Aluminium entstehen.

Entstehung von Kohle

Auch durch biologische Vorgänge können Rohstoffe entstehen: Wenn pflanzliches Material nicht komplett zerfällt, wie es z.B. in Sümpfen und Mooren unter Sauerstoffabschluss geschehen kann, entsteht Torf, und wenn dieser über Millionen von Jahren durch übergelagerte Sedimente immer weiter zusammengedrückt wird, entsteht schließlich Kohle: So entstanden die Kohlelager, deren Nutzung als Brennstoff der wichtigste Auslöser der >> Industriellen Revolution war.

Entstehung von Kohlelagerstätten aus pflanzlichen Resten unter dem Einfluss
von Zeit und Druck. Abb. nach Barbara Murck, Environmental Science 2005.

Entstehung von Erdöl und Erdgas

So ähnlich, aber aus Meeresorganismen, entstanden auch die anderen fossilen Brennstoffe wie Gas und Öl. Das Sedimentgestein mit organischen Resten sinkt im Laufe der Erdgeschichte ab, wobei durch die Temperaturen und den Druck in 2.300 bis 4.400 Meter Tiefe Erdölvorläufer (sogenannte “Kerogene”) gebildet werden. Da diese leichter als Wasser sind, wandern sie nach oben. Damit sich Erdöl bilden kann, muss über dem Muttergestein, in dem die Vorläufer entstehen, ein poröses Speichergestein liegen, in dem sich die eigentlichen Erdöle bilden können. Liegt dann über dem Speichergestein ein undurchlässiges Deckgestein, kann das Erdöl nicht austreten; für förderbare Mengen muss jedoch zudem eine “Falle” vorhanden sein, eine geologische Struktur, in der sich das Erdöl sammelt - etwa kuppelförmige Auffaltungen (sogenannte “Antikline”). Bilden sich im Laufe der Erdgeschichte Verwerfungen (Spalten) in diesen Strukturen, kann das Erdöl durchsickern - trotz vielversprechender geologischer Strukturen findet sich dann hier kein Erdöl. Wo sich Erdöl bildet, findet sich zumeist auch Erdgas (meist über dem Erdölvorkommen). Erdöl ohne Erdgas ist selten, umgekehrt jedoch nicht - Erdgas ist beweglicher als Erdöl und kann sich daher an Stellen sammeln, wohin das Öl nicht gelangt.

Typische Fundstelle von Erdöl und Erdgas: Über einem Muttergestein mit organischen Resten,
die unter Druck und bei erhöhten Temperaturen zu Erdölvorläufern werden, liegt ein poröses
Speichergestein, in dem sich Erdöl und/oder Erdgas in “Fallen” (hier: eine Aufwölbung) ansammeln.
Abb. nach Barbara Murck, Environmental Science 2005.

Kohle, Gas und Öl stellen somit aus ökologischer Sicht (in Pflanzen) gespeicherte Sonnenenergie dar; allerdings wird bei ihrer Nutzung auch der aus der Atmosphäre entzogene Kohlenstoff wieder freigesetzt - Jeffrey Dukes hat errechnet, dass der Verbrauch an fossilen Brennstoffen von 1997 der Produktion von 422 Jahren “fossiler Sonnenenergie” entsprach; damit einher geht die Freisetzung enormer Mengen an fossilem Kohlenstoff (>> Klimawandel).

Mehr hierzu auf Ökosystem Erde:
Zur Rohstoffnutzung im Industriezeitalter siehe >> hier, zur Nutzung fossiler Brennstoffe im Industriezeitalter >> hier.

Empfehlenswerte Websites:

>> bodenwelten.de: Ein Internet-Portal rund um den Boden und den Bodenschutz

Weitere Seiten zu “Das globale Ökosystem”:
>> Die Erde als Ökosystem
>> Wasser
>> Luft
>> Klima
>> Lebensraum Ozean
>> Lebensräume des Festlandes

Weiter zu:
>> Die Gefährdung der Böden

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© Jürgen Paeger 2006 - 2008

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