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AbituraufgabenBiomasse und Energiefluss

Energiebilanzen von Mastrindern, Ernteerträge je Hektar und eine Pyramide, die im Meer auf dem Kopf steht.

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Vom Acker auf den Teller

AFB I–III

Rund ein Drittel der Ackerfläche der Erde dient dem Anbau von Futterpflanzen für Nutztiere. M1 zeigt, was ein Mastrind aus seinem Futter macht, M2 vergleicht die Nahrungsenergie, die ein Hektar Ackerland je nach Nutzung für Menschen liefert.

M1Energiebilanz eines Mastrinds in einem Jahr
PostenEnergie in MJAnteil
mit dem Futter aufgenommen50 000100 %
unverdaut mit dem Kot ausgeschieden17 50035 %
mit Harn und Methan abgegeben4 0008 %
in der Zellatmung als Wärme frei25 50051 %
Zuwachs an Körpermasse3 0006 %
davon essbares Fleisch1 5003 %
Gerundete Modellwerte; Methan entsteht durch Mikroorganismen im Pansen.
M2Nahrungsenergie für Menschen je Hektar Ackerland und Jahr
Weizenbrot 100 000 Hähnchenfleisch 12 000 Schweinefleisch 10 000 Rindfleisch 3 000 Nahrungsenergie in MJ je ha und Jahr
Gerundete Modellwerte. Fleisch: Tiere werden mit Futtergetreide derselben Fläche gemästet. Ein Mensch benötigt etwa 3 650 MJ Nahrungsenergie pro Jahr.
  1. Stellen Sie die Energiebilanz des Mastrinds (M1) in einem beschrifteten Energieflussdiagramm dar.
  2. Erläutern Sie die Ursachen der einzelnen Energieverluste des Rinds, insbesondere des größten Postens.
  3. Berechnen Sie mithilfe von M2, wie viele Menschen ein Hektar Ackerland ein Jahr lang ernähren kann, wenn darauf Weizen für Brot bzw. Futter für Rinder angebaut wird.
  4. Eine Umweltorganisation fordert: „Eine Welt mit zehn Milliarden Menschen lässt sich nur ernähren, wenn weniger Fleisch gegessen wird.“ Beurteilen Sie diese Forderung aus ökologischer Sicht.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Zeichnen Sie ein Band für die aufgenommene Energie, von dem nacheinander Pfeile abzweigen; die Breiten sollen ungefähr den Anteilen entsprechen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Unterscheiden Sie: nicht aufgenommen, aufgenommen und wieder abgegeben, veratmet.
Hinweis zu Aufgabe c)
Teilen Sie die Nahrungsenergie je Hektar durch den Jahresbedarf eines Menschen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Beziehen Sie die Trophiestufen ein — und denken Sie an Flächen, auf denen kein Ackerbau möglich ist.Beurteilen: Zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Ein breites Band „Futter 50 000 MJ (100 %)“ tritt von links ein. Nacheinander zweigen ab: Kot 17 500 MJ (35 %) zu den Destruenten, Harn und Methan 4 000 MJ (8 %), Zellatmung 25 500 MJ (51 %) als Wärme. Übrig bleibt der Zuwachs an Körpermasse mit 3 000 MJ (6 %), davon essbares Fleisch 1 500 MJ (3 %); der Rest des Zuwachses (Knochen, Haut, Organe) wird nicht gegessen. Die Bandbreiten entsprechen etwa den Anteilen, der Wärmepfeil ist der breiteste.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Ein Teil des Futters, vor allem Cellulose und Lignin, wird trotz der Mikroorganismen im Pansen nicht abgebaut und mit dem Kot ausgeschieden; diese Energie wurde nie assimiliert und steht Destruenten zur Verfügung. Mit dem Harn gehen energiehaltige Abbauprodukte wie Harnstoff ab, Methan entsteht bei der Gärung durch Pansenmikroorganismen und wird ausgerülpst. Der größte Posten ist die Zellatmung: Das Rind oxidiert assimilierte Nährstoffe in den Mitochondrien zu CO₂ und Wasser und gewinnt ATP für Herzschlag, Atmung, Verdauung, Bewegung und Proteinumsatz. Als gleichwarmes Tier muss es außerdem ständig Wärme erzeugen, um seine Körpertemperatur zu halten. Die dabei frei werdende Energie wird als Wärme abgegeben und ist für die Nahrungskette verloren. Nur 6 % werden in Körpermasse festgelegt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Weizenbrot: \(100\,000\ \text{MJ} : 3\,650\ \text{MJ} \approx 27\) Menschen. Rindfleisch: \(3\,000\ \text{MJ} : 3\,650\ \text{MJ} \approx 0{,}8\) Menschen. Ein Hektar ernährt bei direkter pflanzlicher Nutzung also rund 33-mal so viele Menschen wie über den Umweg Rindermast. Grund: Beim Rindfleisch liegt eine zusätzliche Trophiestufe zwischen Pflanze und Mensch, und das Rind gibt nur etwa 3 % der Futterenergie als essbares Fleisch weiter.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Für die Forderung spricht: Jede zusätzliche Trophiestufe verringert die nutzbare Energie auf etwa ein Zehntel oder weniger (M1: 3 % beim Rind). Wird Futtergetreide direkt gegessen, kann dieselbe Ackerfläche ein Vielfaches an Menschen ernähren (c: 27 statt 0,8 je Hektar); weniger Fleischkonsum spart also Fläche, die sonst durch Rodung gewonnen werden müsste. Auch Hähnchen und Schwein sind deutlich weniger effizient als pflanzliche Nahrung (M2).

Einschränkungen: Wiederkäuer können Gras von Weiden und Bergwiesen verwerten, auf denen kein Ackerbau möglich ist; dort erschließen sie Primärproduktion, die Menschen nicht direkt nutzen können. Tiere verwerten auch Nebenprodukte wie Kleie oder Rapsschrot. Tierische Lebensmittel liefern hochwertiges Eiweiß und Vitamine (z. B. B12), die bei rein pflanzlicher Ernährung ergänzt werden müssen. Die Werte in M2 sind Modellwerte.

Urteil: Aus ökologischer Sicht ist die Forderung gut begründet, soweit sie Tiere betrifft, die mit Ackerfutter gemästet werden; „nur“ ist zugespitzt, da auch Ertragssteigerung, weniger Lebensmittelverschwendung und die Nutzung von Grünland beitragen.

2

Plankton im Ärmelkanal

AFB II–III

Im Ärmelkanal zwischen England und Frankreich wurde die Biomasse der Lebewesen im offenen Wasser bestimmt. Das Phytoplankton besteht vor allem aus einzelligen Kieselalgen, das Zooplankton aus kleinen Krebsen wie Ruderfußkrebsen, die das Phytoplankton filtrieren. M3 zeigt die gemessene Biomasse, M4 die Produktion im Jahresverlauf.

M3Biomasse im Ärmelkanal (Momentaufnahme im Winter)
TrophiestufeBiomasse (Trockenmasse)
Phytoplankton4 g/m²
Zooplankton und Bodentiere21 g/m²
Nach Messungen von HARVEY (1950), gerundet.
M4Umsatz und Produktion im Jahr
Trophiestufemittlerer BestandBestand erneuert sich pro JahrProduktion
Phytoplankton4 g/m²etwa 150-mal600 g/(m²·a)
Zooplankton und Bodentiere21 g/m²etwa 3-mal63 g/(m²·a)
Modellwerte. Annahme: Ein Gramm Trockenmasse enthält in beiden Stufen etwa gleich viel Energie.
  1. Zeichnen Sie mithilfe von M3 eine maßstäbliche Biomassepyramide und mithilfe von M4 eine Pyramide der Produktion.
  2. Erklären Sie, warum das Zooplankton mehr Biomasse haben kann als das Phytoplankton, von dem es lebt.
  3. Überprüfen Sie mithilfe von M4, ob die Daten der Faustregel von etwa 10 % ökologischer Effizienz entsprechen.
  4. Um mehr Menschen mit Meeresnahrung zu versorgen, wird vorgeschlagen, statt Thunfisch vermehrt Krill (kleine Planktonkrebse) und planktonfressende Kleinfische zu fangen. Bewerten Sie diesen Vorschlag.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Die Balkenbreiten müssen im Verhältnis 4 : 21 bzw. 600 : 63 stehen; wählen Sie einen Maßstab, der beide Fälle lesbar macht.
Hinweis zu Aufgabe b)
Unterscheiden Sie zwischen dem, was gerade da ist, und dem, was im Laufe eines Jahres entsteht.
Hinweis zu Aufgabe c)
Bilden Sie den Quotienten der Produktionen und beachten Sie die Annahme in M4.
Hinweis zu Aufgabe d)
Betrachten Sie den Ertrag für den Menschen und die Folgen für das Nahrungsnetz.Bewerten: Einen Sachverhalt an erkennbaren Wertkategorien oder an Beurteilungskriterien messen und ein begründetes Urteil abgeben.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Biomassepyramide: unten Phytoplankton, z. B. 4 cm breit (1 cm ≙ 1 g/m²), darüber Zooplankton und Bodentiere 21 cm breit — die Pyramide steht auf dem Kopf. Pyramide der Produktion: unten Phytoplankton 600 g/(m²·a), z. B. 12 cm (1 cm ≙ 50 g/(m²·a)), darüber Zooplankton 63 g/(m²·a), etwa 1,3 cm — sie ist nach oben deutlich schmaler. Beide Pyramiden sind mit Stufen, Werten und Maßstab beschriftet.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Biomasse in M3 ist ein Bestand zu einem Zeitpunkt, keine Produktion. Kieselalgen sind Einzeller, die sich unter günstigen Bedingungen etwa täglich teilen; ihr Bestand erneuert sich rund 150-mal im Jahr (M4). Sie werden aber fast ebenso schnell vom Zooplankton gefressen, sodass zu jedem Zeitpunkt nur wenig Phytoplankton vorhanden ist. Die Krebse leben dagegen Wochen bis Monate und speichern die aufgenommene Biomasse in ihrem Körper; ihr Bestand erneuert sich nur etwa dreimal im Jahr. Deshalb kann ein kleiner, schnell nachwachsender Bestand von Produzenten einen größeren, langsam umgesetzten Bestand von Konsumenten ernähren.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

\(\eta = \dfrac{63\ \text{g/(m²·a)}}{600\ \text{g/(m²·a)}} \cdot 100\,\% = 10{,}5\,\%\). Unter der Annahme gleichen Energiegehalts je Gramm entspricht das der Faustregel von etwa 10 %. Die Produktion — und damit der Energiefluss — nimmt von Stufe zu Stufe auf rund ein Zehntel ab; die umgekehrte Biomassepyramide widerspricht dem Energiefluss also nicht. Einschränkend ist zu beachten, dass die Produktionswerte Modellwerte sind und bezogen auf die Nettoproduktion des Phytoplanktons berechnet wurden.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Energetisch ist der Vorschlag sinnvoll: Krill und Planktonfresser stehen auf der ersten bzw. zweiten Konsumentenstufe. Thunfisch als Endkonsument erhält nur einen Bruchteil davon; bei etwa 10 % Effizienz steht auf jeder tieferen Stufe rund zehnmal so viel Biomasse für die Ernte zur Verfügung.

Dagegen spricht: Krill und Kleinfische sind die Nahrungsgrundlage vieler Arten (Wale, Robben, Pinguine, Seevögel, Raubfische). Werden sie in großen Mengen entnommen, fehlt diese Energie den höheren Stufen; deren Bestände können einbrechen, das Nahrungsnetz wird verändert. Ein großer Teil der gefangenen Kleinfische wird heute ohnehin zu Fischmehl für Aquakulturen verarbeitet, wodurch der Vorteil verloren geht. Außerdem sind Fang und Verarbeitung von Krill aufwendig.

Urteil: Unter dem Kriterium „Nahrung je Primärproduktion“ ist der Vorschlag überzeugend, unter dem Kriterium „Erhalt des Ökosystems“ nur mit streng begrenzten Fangmengen vertretbar. Am sinnvollsten ist es, Krill und Kleinfische direkt als menschliche Nahrung zu nutzen statt als Tierfutter.