Mit dem Begriff Stadtökologie (bzw. der engl. Entsprechung urban ecology) wird eine Reihe verschiedener Ansätze im Spannungsfeld Stadt und Ökologie bezeichnet.
die Erforschung urbaner Lebensräume mit den Ansätzen und Methoden der ökologischen Forschung. Stadtökologie bedeutet in diesem Zusammenhang die Untersuchung von Lebensräumen und Biotoptypen, die spezifisch in Städten vorkommen, speziell der städtischen spontanen Flora bzw. Vegetation und Fauna. Der Mensch und menschliche Einflüsse kommen im Zusammenhang mit den spezifischen Standortfaktoren vor, sind aber nicht selbst Gegenstand der Forschung. Anwendungen bestehen in Bezug auf Grünplanung und -gestaltung in Städten, auf Naturerfahren und Naturerlebnis sowie auf Naturschutz städtischer Lebensräume. die Erforschung von Städten als Ökosysteme, d. h. die Betrachtung ganzer Städte mit den Ansätzen und Methoden der Synökologie und Ökosystemforschung. Insbesondere, im Rahmen der Ökosystemforschung, Ermittlung der Energie- und Stoffflüsse und -bilanzen ganzer Städte. Populäres Konzept zur Veranschaulichung des Ansatzes ist ein „ökologischer Fußabdruck“ einer Stadt. Im Rahmen der Stadtplanung und -entwicklung: Das Ziel einer „ökologischen“ bzw. „nachhaltigen“ Stadt, insbesondere zur Verminderung des Flächen- und Energieverbrauchs sowie die Schaffung lebenswerter Stadtquartiere. Stadtökologie in diesem Sinne ist eine angewandte Sozialwissenschaft, die ökologisch definierte Ziele anstrebt, aber mit den Methoden und Forschungsprogrammen der Ökologie (als biologischer Teildisziplin) direkt nichts zu tun hat. Eine früher einflussreiche Forschungsrichtung innerhalb der Soziologie (die „Chicagoer Schule“), die ökologische Forschungsmethoden direkt auf die Erforschung soziologischer Phänomene in Städten angewendet hat („Sozialökologie“).
Verwandte und überlappende Forschungsrichtungen sind Landschaftsökologie, Humanökologie und Zivilisationsökologie.
Abiotische Aspekte Städte weisen gegenüber ihrem Umland eine Reihe von Besonderheiten in allen natürlichen Lebensbedingungen, z. B. im Klima auf (vgl. Stadtklima). Diese verändern die Lebensbedingungen nicht nur für Flora und Fauna im Allgemeinen, sondern auch für die hier lebenden Menschen.
Veränderung im Strahlungshaushalt Die Globalstrahlung ist in Städten durch erhöhte Trübung der Luft vermindert. Durch selektive Filterung der kurzen Wellenlängen (besonders stark: UV) erfolgt eine Rotverschiebung. Da durch die Trübung der Luft und Vielfachreflektionen an Gebäuden auch die Rückstrahlung verstärkt ist, ist die Wärmeeinstrahlung trotz verminderter Globalstrahlung aber erhöht. Die Baumaterialien haben im Allgemeinen eine geringere Albedo als Vegetation (Durchschnittswert ca. 0,15, damit im kurzwelligen ca. 10 % erniedrigt) und können sich dadurch bei Einstrahlung stärker aufheizen. Steine haben eine hohe Wärmekapazität, dadurch erwärmen sich Städte morgens langsamer, kühlen aber nachts nicht so stark ab. Die anthropogene Wärmeentwicklung durch Verbrennungsvorgänge kann zumindest im Winter dieselbe Größenordnung wie die Sonneneinstrahlung erreichen.
Veränderung in der Atmosphärenchemie In Städten liegen die Belastungen durch Feinstäube um ein Vielfaches über denjenigen im Umland. Dadurch werden neben den direkten Folgen Strahlung (über die Lufttrübung) und Wasserhaushalt (über den Einfluss von Kondensationskeimen) verändert. Viele Schadstoffe wie z. B. Cadmium sind als Bestandteil der Staubbelastung in Städten deutlich erhöht, sie erhöhen (nach ihrer Deposition) die Gehalte im Oberboden. Die Gehalte an Ozon sind dagegen niedriger, weil dieses erst durch atmosphärenchemische Reaktionen fernab der Emittenten gebildet wird. Der Gehalt an Kohlenstoffdioxid ist in der Stadtluft stark erhöht.
Veränderung im Wasserhaushalt Durch die geringe Vegetationsdeckung, deren Transpiration damit entfällt, verdunstet in Städten ein viel geringerer Teil des Niederschlags als im Umland. Das meiste Wasser wird über die große Grundfläche der Gebäude, Straßen und andere befestigte Flächen in die Kanalisation geleitet und verstärkt damit den Oberflächenabfluss in den Gewässern, in die diese einleitet. Die Grundwasserneubildung bleibt in mäßig versiegelten Stadtquartieren zunächst beinahe unbeeinflusst, sie sinkt nur im stark verdichteten Zentrum ab. Der Grundwasserspiegel ist in Städten in der Regel aber durch den Einfluss der Kanalisation (die als Flächendrainage wirkt) abgesenkt. Obwohl wegen der geringeren Verdunstung die Luftfeuchte erniedrigt ist, kommt es wegen der Belastung mit Stäuben, die als Kondensationskeime wirken, häufiger zu Nebelbildung.
Stadtklima Im komplexen Zusammenspiel dieser Faktoren kommt es u. a. zu folgenden Auswirkungen: Die Durchschnittstemperatur in verdichteten Städten ist gegenüber dem Umland um durchschnittlich 0,5 bis 1,5 °C erhöht (städtische Wärmeinsel). Neben der Wärmerückstrahlung ist daran der ausfallende Wärmetransport durch die verminderte Verdunstung entscheidend beteiligt. Der Effekt ist in durchgrünten Vorstädten kaum nachweisbar. Städte erzeugen ein kleines, lokales Tiefdruckgebiet durch die aufsteigende erwärmte Luft und das durch die hohen Gebäude nach oben abgelenkte Windfeld (Aufwinde). Dadurch regnet es in Städten mehr als im Umland, und der Himmel ist deutlich (ca. 5–10 %) stärker wolkenbedeckt. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit ist in Städten durch die Wirkung der Gebäude gegenüber dem Freiland abgesenkt. Anders als z. B. in Wäldern kommt es aber zu verstärkten Turbulenzen. In engen Straßenschluchten mit hohen Gebäuden kann es durch Düsenwirkung unangenehm verstärkte Böen geben.
Stadtböden Die Böden in Städten sind trotz des erhöhten Niederschlags deutlich trockener als im Umland. Neben einer Absenkung des Grundwasserspiegels durch Entwässerung und Oberflächenversiegelung führen Bodenaufträge zu einem vergrößerten Grundwasserflurabstand. Zudem verringern die meist erhöhten Sand- und Kiesgehalte das Wasserhaltevermögen. Stadtböden bestehen durch die starken Baustofftransporte in die Städte hinein sehr häufig aus Anschüttungen ohne natürliches Bodengefüge. Die Schadstoffbelastung durch Deposition von Stäuben und Luftschadstoffen kann so hoch sein, dass in Stadtwäldern im Oberboden und Humus die Grenzwerte der Bodenschutzverordnung überschritten werden. Böden im Bereich von Industrie- und Gewerbegebieten sind häufig von anthropogenen Substraten wie Bauschutt, Schlacke und Asche durchsetzt und mit betriebs- und produktionsspezifischen Schadstoffen kontaminiert.Till Kasielke, Corinne Buch: Urbane Böden im Ruhrgebiet. In: Jahrbuch des Bochumer Botanischen Vereins. Band 3, 2012, S. 73–102. (PDF 6,3 MB) Stadtböden sind häufig stark verdichtet und weisen meist Nährstoffinbalanzen auf, d. h. die Gehalte an einigen Nährstoffen sind stark erhöht, die von anderen vermindert. Durch Beton- und Mörtelstaub ist der pH-Wert von Stadtböden meist in basische Bereiche verschoben. Auf Hochofenschlacken können extrem hohe pH-Werte auftreten, die in Mitteleuropa natürlicherweise nicht erreicht werden, während sich auf Bergematerial des Steinkohlenbergbaus in den ersten Jahren eine extrem saure Bodenreaktion einstellt. Auftragsböden sind aufgrund ihres meist jungen Entwicklungsstadiums häufig humusarm, wobei die Aufbringung und Einmengung kohlenstoffhaltiger Substrate Koks, Kohle oder unvollständig verbrannte Asche relativ hohe Kohlenstoffgehalte bewirken können. Hohe Humusgehalte sind charakteristisch für Gartenböden (Hortisole), die einen eigenständigen Bodentyp darstellen. Zu lokalen Veränderungen führen z. B. Tausalz an Straßen oder Erdgasaustritt an undichten Leitungen.
Lebensgemeinschaften in Städten Flora mini|Mauerfugenvegetation: Chelidonium majus|399x399px Für Pflanzenarten, die in Städten leben, stellen die oben genannten Veränderungen im Standort und Lokalklima selbstverständlich limitierende Faktoren dar. Allerdings sind andere Faktoren noch wichtiger. Die Flora der Städte ist charakterisierbar durch: Heterogenität: Städte, vor allem die Bereiche außerhalb der hochversiegelten und lebensfeindlichen Zentren, bieten auf engstem Raum eine Vielzahl unterschiedlicher Standorte. Obwohl auch natürliche und Agrarlebensräume heterogen sind, erwiesen sich urbane Habitatmosaike als vielfältiger und kleinräumiger. Städte weisen typischerweise Fragmente natürlicher Lebensräume auf, gemischt mit Gärten, Parks und Grünflächen, Säumen, Brachen und Abstandsgrün, die alle ihre charakteristische Artenausstattung aufweisen. Dynamik: Städtische Lebensräume sind typischerweise oft gestört und kurzlebig. Neben wiederkehrenden Störungen wie Trittbelastung sind Nutzungswechsel, vollkommene Zerstörung der Vegetationsdecke, möglicherweise gefolgt von jahrzehntelangen Ruheperioden, jederzeit möglich. Arten, die auf Habitatkontinuität und ungestörte Habitate mit langer Entwicklungszeit angewiesen sind, fehlen deshalb. schneller Artenwechsel: In Städten werden mit den ständigen Materialströmen ständig Samen von Pflanzenarten eingetragen. Tausende von Arten werden absichtlich in Gärten und Grünanlagen angepflanzt und kultiviert, von denen einige in freier Wildbahn überleben können, dies betrifft sowohl eingeschleppte Arten (Neophyten), die in Städten besonders häufig sind, wie auch indigene. Im Ergebnis ist die (spontane, wild wachsende) Flora fast aller untersuchter Städte tendenziell etwas artenreicher als diejenige ihres Umlands. Außerdem ist ihre Artenzahl umso höher, je größer die Stadt ist. Dieser Artenreichtum ist allerdings nicht gleichmäßig über die Gesamtflora verteilt. Die Vegetation der Städte wird überwiegend aus kurzlebigen Ruderalfluren, stickstoffbedürftigen Hochstaudenfluren, verschiedenen Wiesen- und Rasengesellschaften und Gebüschen und Vorwäldern aufgebaut. Im verdichteten Zentrum finden sich am ehesten an ständiges Betreten angepasste Trittgesellschaften sowie Ritzen- und Mauerfugenvegetation. Arten anderer Vegetationseinheiten, wie z. B. naturnaher Wälder, Sümpfe, Moore, Magerrasen finden in Städten nur selten Lebensmöglichkeiten, sie sind stadtmeidend („urbanophob“ im Sinne von Wittig).
Für einen detaillierten Vergleich sind die Ergebnisse von Chocholousková und Pysek aus Pilsen, einer mittelgroßen tschechischen Industriestadt mit ca. 170.000 Einwohnern, interessant, aus der drei zeitlich getrennte Untersuchungen (um 1900 um 1970, um 1990) vorliegen.Zdena Chocholousková, Petr Pysek: Changes in composition and structure of urban flora over 120 years: a case study of the city of Plzen. In: Flora. 198, 2003, S. 366–376 Sie beobachteten folgendes: Die Artenzahl in der Stadt ist in dieser Zeit deutlich angestiegen (478, 595, 773 Arten). Gleichzeitig ist die Artenzahl im Umland stark gefallen (1112, 768, 745 Arten), so dass insgesamt (Stadt und Umland zusammen) die Artenzahl um gut 10 % abgefallen ist. Der Anteil der konstant nachgewiesenen Arten lag bei lediglich 57 %, wobei der Artenwechsel in der Stadt wesentlich höher lag. Der Anteil der Neophyten ist in der Stadt stark gestiegen (von 6,2 % auf 17 %), während er im Umland fast konstant blieb. Das bedeutet: Die Artenverteilung in der Stadt hat sich drastisch verändert, etwa 30–40 % der indigenen Arten wurden durch Neueinwanderer ersetzt. Durch verwildernde kultivierte Bäume und Sträucher ist die Artenzahl der Holzgewächse in der Stadt von 26 (davon 2 Neophyten) auf 117 (davon 33 Neophyten) angestiegen. Ähnliche Veränderungen sind für zahlreiche mitteleuropäische Städte anzunehmen. So ist z. B. die Gesamtartenzahl in Bochum (Ruhrgebiet, Nordrhein-Westfalen) heute höher als im Jahr 1887 und der Anteil der eingebürgerten Neophyten ist seitdem von 4 % auf 16 % gestiegen.Armin Jagel, Peter Gausmann: Zum Wandel der Flora von Bochum im Ruhrgebiet (Nordrhein-Westfalen) in den letzten 120 Jahren. In: Jahrbuch des Bochumer Botanischen Vereins. Band 1, 2010, S. 7–53 (PDF 9 MB)