Eine systemische Beschreibung der gekoppelten biologischen, geologischen, chemischen und physikalischen Prozesse, die den Transfer, die Umwandlung und die Speicherung chemischer Elemente und Verbindungen (z. B. C, N, P, S) zwischen Organismen, Böden, Gewässern, Atmosphäre und Erdkruste steuern.

Prinzip

Biogeochemische Kreisläufe funktionieren über Reservoirs und Flüsse, in denen biologische Aufnahme und Freisetzung, abiotische Reaktionen, physikalischer Transport und geologische Prozesse interagieren; elementspezifische Chemie (Redoxzustand, Löslichkeit, Speziation) bestimmt Pfade und Verweilzeiten.

Demonstration

Beispiel: Der Schwefelkreislauf umfasst vulkanische Emissionen von SO2, Oxidation zu Sulfat in der Atmosphäre, Ablagerung in Böden und Gewässern, mikrobielle Reduktion zu H2S unter Anoxie, Einbau in Biomasse und schließlich Ablagerung in Sedimenten.

Fehlanwendung

Alle Elementkreisläufe als strukturell identisch zu behandeln, ignoriert wesentliche Unterschiede (z. B. fehlt Phosphor ein bedeutender gasförmiger Pool, während Stickstoff und Kohlenstoff große atmosphärische Reservoirs besitzen) und führt zu ungeeigneten Managementstrategien ressortübergreifend.

Konsequenz

Die Anerkennung biogeochemischer Kopplungen ermöglicht realistischere Ökosystem- und Erdsystemmodelle, bessere Prognosen von Rückkopplungen (z. B. Nährstofflimitierung der Primärproduktion) und fundierte Eingriffe, die Mehrfachelement-Interaktionen und unbeabsichtigte Folgen berücksichtigen.

Umkehrung

Die Umkehrung würde Elemente als isolierte, nicht interagierende Pools mit unabhängigen Dynamiken ansehen und damit Kopplungen wie Nährstoff-Co-Limitierung, redoxgetriebene Mobilisierung oder Klima–Biogeochemie-Rückkopplungen eliminieren — entgegen Beobachtungen.

Abgrenzung

Der Umfang umfasst Elementkreisläufe über biologische, hydrologische, atmosphärische und geologische Komponenten auf Skalen von Mikrohabitaten bis zum globalen System; ausgenommen sind rein soziopolitische oder ökonomische Systeme, es sei denn, sie verändern Flüsse und Speicher materiell (z. B. Bergbau, Landnutzungsänderung).

Semantische Spannung

Es besteht Spannung zwischen reductionistischen Ansätzen, die molekulare Mechanismen in den Mittelpunkt stellen, und holistischen Ansätzen, die Systeminteraktionen und Rückkopplungen betonen; beide sind notwendig, priorisieren jedoch unterschiedliche Unsicherheiten und Handlungsfelder.

Synthese

Ein biogeochemischer Kreislauf ist die integrierte Menge elementspezifischer Wege und Kreuzkopplungen, durch die Chemie, Biologie, Physik und Geologie Elemente räumlich und zeitlich umverteilen und so das Funktionieren von Ökosystemen und das Verhalten des Erdsystems bestimmen.