Grundzüge der Pflanzenökologie

Dieses einführende Kapitel gibt einen kurzen Überblick über die Entstehung und Entwicklung (pflanzen-)ökologischer Fragestellungen bis zu den Arbeitsgebieten der modernen Pflanzenökologie und nennt historisch wichtige Persönlichkeiten und die mit ihnen verbundenen Errungenschaften in diesem Bereich. Vor dem Hintergrund ökologischer Grundprinzipien werden die Ebenen pflanzenökologischer Forschung und wichtige Forschungsmethoden dargestellt. Darauf aufbauend werden die Anforderungen an eine wissenschaftliche Hypothese und das Standardverfahren ihrer Überprüfung kurz beschrieben. Dazu werden zentrale Begriffe und Verfahren der Statistik summarisch präsentiert. Auf der Basis statistischer Methoden werden abschließend wesentliche Kriterien der Planung und Durchführung ökologischer Untersuchungen benannt.

Der Bau der Pflanzen steht in unmittelbarer Wechselwirkung mit ihrem Funktionieren und ihren Anpassungsleistungen an die Umwelt. Daher ist ein Grundverständnis der pflanzlichen Strukturen wichtig, um ökophysiologische und ökologische Prozesse von der Ebene der Einzelpflanze bis zum Ökosystem zu verstehen. Dieses Kapitel vermittelt einen Überblick über die wichtigsten organischen Stoffgruppen und Strukturen der Pflanzen sowie deren Evolution bis hin zur nacheiszeitlichen Verbreitung der Vegetationsformen Mitteleuropas, unter Einschluss von Methoden zur Rekonstruktion von Klima und Vegetation. Wesentliche Anpassungsleistungen an das Leben auf Landoberflächen werden besonders berücksichtigt. Das Kapitel schließt ab mit einer Darstellung der pflanzlichen Wuchs- und Lebensformen.

Die Beschreibungen des pflanzlichen Wasser- und Kohlenstoffhaushalts und der damit verbundenen zentralen Lebensvorgänge der Pflanzen nehmen in diesem Kapitel einen besonderen Raum ein. Besonders betont werden dabei die Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion des Pflanzenkörpers und seiner Elemente. Ergänzend werden Methoden zur Messung von Stoffwechselvorgängen vorgestellt. Komplettiert werden diese Darstellungen durch eine Übersicht über den Mineralstoffhaushalt der Pflanzen. Vor dem Hintergrund der beschriebenen Mechanismen werden Angepasstheiten von Pflanzen an die zentralen Standortsfaktoren Licht, Temperatur, Feuchtigkeit und Bodenfaktoren einschließlich anthropogener Umweltveränderungen und die Eignung von Pflanzenarten als Bioindikatoren dargestellt.

Neben den Reaktionen auf Umweltbedingungen sind Wechselwirkungen mit anderen Lebewesen mitentscheidend für Entwicklung, Wachstum und Fortpflanzung der Pflanzen. Zu diesen Wechselwirkungen gehören sowohl fördernde Beziehungen wie zum Beispiel Mutualismus oder hemmende bis schädigende Beziehungen wie Fraß durch Pflanzenfresser (Herbivorie) oder Parasitismus. Konkurrenz ist eine Wechselwirkung, die in der Regel alle Beteiligten in ihren Lebensäußerungen einschränkt, doch kann sie sich für einen der Beteiligten wesentlich ungünstiger auswirken als für den jeweiligen Gegenspieler. Die genannten Wechselbeziehungen werden in diesem Kapitel anhand von Beispielen und unter Berücksichtigung von Methoden zu ihrer Quantifizierung dargestellt. Abschließend wird anhand der „Ameisenpflanzen“ auch eine symbiotische Pflanze-Tier-Interaktion beispielhaft präsentiert.

Unter Population versteht man die Gesamtmenge aller Lebewesen einer biologischen Art, die in einem bestimmten, zusammenhängenden Lebensraum vorkommen und ihre genetische Information über mehrere Generationen weitergeben können. In der Populationsökologie sind daher die Bedingungen, Prozesse und Mechanismen von großer Bedeutung, die für die Fortpflanzung und Vermehrung der Lebewesen wichtig sind. Fortpflanzung und Vermehrung wiederum sind – zusammen mit der Sterberate in der Population – entscheidend für die Ausbreitung einer Art und für mögliche oder tatsächliche Veränderungen der Populationsgröße. Dieses Kapitel beschreibt grundlegende populationsökologische Prozesse und Mechanismen sowie Ansätze zu ihrer Erfassung. Bestäubung, Befruchtung und Ausbreitung von Pflanzen werden dabei besonders berücksichtigt.

Ökosysteme sind räumlich abgrenzbare Funktionseinheiten der Biosphäre, also des belebten Bereichs der Erde. Sie sind gekennzeichnet durch eine große Vielfalt von Umweltfaktoren und deren Interaktionen. Die Hauptfunktionen von Ökosystemen sind die Umsätze von Stoffen einschließlich der Produktion von Biomasse und die damit verbundenen Energieumsätze. Die in ihnen ablaufenden Prozesse sind in der Regel nur über kurze Zeitabschnitte linear. Da sie im Lauf ihrer Existenz immer wieder Störungen unterworfen sind, befinden sich Ökosysteme meist auch nicht über lange Zeiträume dauerhaft in einem Gleichgewicht und ihre Stabilität ist zeitlich begrenzt. Dieses Kapitel beschreibt die wesentlichen Stoff- und Energieflüsse von Ökosystemen von der Produktion pflanzlicher Biomasse bis zum Abbau organischer Substanz und von der lokalen bis zur globalen Ebene, ergänzt durch die Darstellung von Methoden zu ihrer Erfassung. Dabei berücksichtigt es auch die Bedeutung pflanzlicher Diversität für Ökosystemprozesse. Das Kapitel schließt mit der Beschreibung von Veränderungen in Ökosystemen im jahreszeitlichen Wechsel (Aspektfolge) und in längeren Zeiträumen in Form von Sukzessionen.

Auf globaler Ebene wird die großräumige Verbreitung von Pflanzen und Pflanzengemeinschaften durch das Klima bedingt, wobei Temperatur und Niederschläge sowie deren jahreszeitliche Variabilität eine entscheidende Rolle spielen. Die Großklimate der Erde sind auch die maßgebliche Grundlage für die Einteilung der globalen Vegetation in Vegetationstypen. In den durch das Großklima bestimmten Regionen, den Biomen, kann die Vegetation allerdings auch entscheidend durch die Häufigkeit und Intensität des Auftretens von Feuer und Beweidung geprägt werden. Innerhalb der Biome wird die Vegetation durch das regionale Klima sowie durch verschiedene abiotische Faktoren wie Ausgangsgestein, Bodentyp, Höhenlage, Hangneigung in Gebirgsregionen und Exposition (Ausrichtung der Neigung auf eine bestimmte Himmelsrichtung) bestimmt. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren stellt das Kapitel die Floren- und Vegetationszonen auf globaler und, vertieft, auf europäischer Ebene dar. Berücksichtigt werden auch anthropogene Veränderungen durch eingeführte oder eingeschleppte Pflanzenarten. Grundlegende Methoden zur Erfassung von Pflanzengesellschaften werden ebenfalls vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer Übersicht über die einheimischen (mitteleuropäischen) Vegetationsformen.

Aufgrund geologischer, klimatischer und astronomischer Phänomene traten im Verlauf der Erdgeschichte mehrmals deutliche Veränderungen der Umweltbedingungen auf, die sich in Form von Aussterbeereignissen und Evolutionsprozessen auch auf Pflanzen und die Vegetation auswirkten. Anthropogene Veränderungen von Vegetation und Ökosystemen in Form von Landnutzungsänderungen in prähistorischer und historischer Zeit werden im Zusammenhang mit Ressourcenverbrauch und Nachhaltigkeit dargestellt. Besonders hervorgehoben werden Prozesse der Degradation von Boden und Vegetation und der Eutrophierung. Als Folgen der Industrialisierung werden Folgen der Emissionen von Schadgasen für die Pflanzen und des Anstiegs der atmosphärischen CO₂-Konzentration sowie des damit einhergehenden Klimawandels hervorgehoben. Berücksichtigt werden auch Ökosystemdienstleistungen für die Menschen und Maßnahmen zum Schutz von Pflanzen und ihren Lebensräumen einschließlich nachhaltiger Landwirtschaft.