Medienübergreifendes Monitoring in der Luftreinhaltung

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Luftmesstation Neuglobsow
Quelle: Umweltbundesamt

Inhaltsverzeichnis

 

ICP Integrated Monitoring

Das Internationale Kooperativprogramm zur integrierten, medienübergreifenden Beobachtung der Wirkungen von Luftverunreinigungen auf Ökosysteme

Das Programm „Integrated Monitoring“ untersucht an verschiedenen Standorten in Europa exemplarisch die Wirkung von (ferntransportierten) Luftschadstoffen auf Ökosysteme. Mit Hilfe umfassender Messungen werden Wasser- und Stoffhaushaltsbilanzen auf der Ebene von Wassereinzugsgebieten erstellt. Diese detaillierten Beobachtungen der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge fließen in die Erstellung und Validierung von Simulationsmodellen ein. Die Modelle werden genutzt, um die Auswirkungen zukünftiger Entwicklungen (Maßnahmen der Luftreinhaltepolitik, Veränderung der Deposition von Luftschadstoffen, Klimawandel) zu simulieren und um die Effekte von Luftschadstoffen auf die ökosystemaren Stoffkreisläufe auch an anderen Standorten einzuschätzen. Das Umweltbundesamt betreibt zwei Integrated-Monitoring-Messstellen in Deutschland.

Das Integrated Monitoring Programm (IM) ist eines von sechs internationalen Kooperativprogrammen (ICPs) der Genfer Luftreinhaltekonvention (CLRTAP), an dem sich Deutschland mit zwei Beobachtungsstationen beteiligt. Es befasst sich mit der umfassenden Beobachtung der Wirkungen von Luftverschmutzung auf Ökosysteme, die nicht aus lokalen Quellen, sondern aus dem großräumigen grenzüberschreitenden Transport von Schadstoffen stammen. Das internationale ICP Integrated Monitoring Programmzentrum hat seinen Sitz in Helsinki; das UBA nimmt die Aufgabe des nationalen Programmzentrums wahr. Jahresberichte und wissenschaftliche Stellungnahmen des ICP IM Programms werden an die Working Group on Effects (WGE) der CLRTAP weitergeleitet.

Das wesentliche wissenschaftliche Konzept des ICP IM ist die Aufstellung und Analyse von Wasser- und Stoffhaushaltsbilanzen auf der Ebene von Wassereinzugsgebieten. In geschlossenen Wassereinzugsgebieten wird der Eintrag von Luftschadstoffen gemessen bzw. mit Hilfe von Modellen bestimmt. Außerdem wird der Stoffaustrag an einer technischen Pegelanlage gemessen sowie der Verbleib von Stoffen im System – vorwiegend im Waldbestand und im Boden – bilanziert. Der Gebietsaustrag am Vorfluter integriert räumlich und zeitlich die anthropogenen Beeinflussungen (Input) und ihre (Wechsel-)Wirkungen in den biogeochemischen Kreisläufen. Stoffbilanzen auf Einzugsgebietsebene lassen Rückschlüsse auf biologische und geochemische Schlüsselprozesse zu und erlauben eine Bewertung des vergangenen und gegenwärtigen Zustands von komplexen Ökosystemen auf größerer Fläche. Der gemessene Wasser- und Stickstoffhaushalt findet in Modellsimulationen Verwendung, die die Beschreibung von Szenarien (Veränderung der Deposition von Luftschadstoffen, Klimawandel) zum Ziel haben.

Die UBA-Integrated-Monitoring-Messstelle am Forellenbach im Bayerischen Wald (DE01) und die Tiefland-Messstelle Neuglobsow-Stechlinsee des UBA-Luftmessnetzes (DE02) bieten ideale Voraussetzungen für Effektbeobachtungen von Luftschadstoffen auf Waldökosysteme. Der Forellenbach ist die bedeutendste Station des Programms in Mitteleuropa, die über lange Mess-Zeitreihen und ein umfangreiches Beobachtungsprogramm verfügt. Die Station ist repräsentativ für die Hintergrundbelastung im Mittelgebirgsraum (800 bis knapp 1 300 m Meereshöhe). Neuglobsow-Stechlinsee liegt im norddeutschen Flachland in einem großen Naturschutzgebiet. Die ehemalige DDR-Station wird seit 1998 vom UBA weiterbetrieben.

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Forellenbach

Die IM-Station Forellenbach ist im Nationalpark Bayerischer Wald gelegen. Sie wird vom UBA seit 1990 Jahren betrieben. Partner an der Station ist der Freistaat Bayern, vertreten durch die Nationalparkverwaltung Bayerischer Wald (NPV) und die Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF). Die NPV führt im Rahmen einer Verwaltungsvereinbarung die Beobachtung und die LWF die chemische Analytik durch.

Die Beobachtungen umfassen die Unterprogramme Meteorologie, Luftchemie, Niederschlagschemie in Freifläche und Wald, Stammabfluss, Bodenwasserchemie, Grundwasserchemie, Oberflächenwasserchemie, Blattchemie, Streufallchemie, Mikrobiologie, Waldwachstum und Kronenzustand, Fische, Vegetation, Vegetationsstruktur, Flechten, Vogelinventur und Phänologie.

Unter den klassischen Luftschadstoffen kommt derzeit dem anorganischen Stickstoff aus Verbrennungsprozessen und landwirtschaftlicher Produktion die größte Bedeutung zu, da er bei Überangebot zu gravierenden Systemveränderungen vor allem in stickstofflimitierten Pflanzengesellschaften wie bodensauren Wäldern führt. Das ICP IM hat die Aufgabe, über die Entwicklung der Stickstoffflüsse und der Stickstoffspeicherung in den Einzugsgebieten des IM-Netzwerks zu berichten und die vom ICP Modelling and Mapping bereitgestellten kritischen Belastungen und deren Überschreitungen mit den an den Untersuchungsstandorten gewonnenen Ergebnissen zu vergleichen. Auch nach einigen Erfolgen bei der Emissionsminderung liegt nach wie vor die messbare Stickstoffbelastung im Forellenbachgebiet deutlich über den langfristig tolerierbaren kritischen Einträgen. Die Beobachtungen sollen zur Verbesserung von Simulationsmodellen beitragen. Darüber hinaus unterstützen die Beobachtungen die Erstellung der Karten der Kritischen Eintragsraten (Critical Loads) und der Stickstoffdepositionen und ermöglichen deren exemplarische Validierung.

Im Kontext dieser spezifischen Aufgabenstellung wurde ein Simulationsmodell an die naturräumlichen Gegebenheiten des Forellenbachgebiets angepasst. Da im Integrated Monitoring Programm bislang nur Erfahrungen mit der Modellierung von Säureeinträgen existieren, hat das Vorhaben zur Stickstoffmodellierung Pilotcharakter für das gesamte Untersuchungsprogramm. Mit der Zielstellung späterer Szenariosimulationen (Deposition, Klimawandel) soll der gemessene Wasser- und Stickstoffhaushalt in Abhängigkeit vom Klima und von den Veränderungen der Vegetationsdecke deterministisch und zutreffend durch das Modellsystem reproduziert werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Waldbestände des Untersuchungsgebiets seit 1994 auf etwa 40 % der Gebietsfläche durch Borkenkäferbefall abgestorben sind. Daher überlagern die durch das Absterben induzierten biochemischen Prozesse die immissionsgetriebenen Entwicklungen und die durch den Klimawandel verursachten Veränderungen.Durch das Absterben werden biochemische Prozesse induziert, beispielsweise die Überschussproduktion von Nitratstickstoff, welche die immissionsgetriebenen Entwicklungen vorübergehend überlagern.

Es ergeben sich jedoch auch Veränderungen im Wasserhaushalt, welche den Veränderungen durch den aktuellen Klimawandel vorübergehend entgegenwirken. Diese Wechselwirkungen und die Effekte der in Szenarien gefassten Klimaänderungen auf den Gebietswasserhaushalt zum Ende des 21. Jahrhunderts sind Gegenstand laufender Untersuchungen.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Luftmessstation in einem vom Wind zerstörten Wald
Forellenbach_Fichte F1 liegend tot mit Depo- und Streusammler
Quelle: Umweltbundesamt
 

Neuglobsow - Stechlinsee

An der Tiefland-Messstelle Neuglobsow-Stechlinsee des UBA-Luftmessnetzes werden seit 1998 Daten zu Niederschlägen, Bodenwasser, Grundwasser, Oberflächenwasser, Klima und Wetter erhoben. Seit 2004 werden die ökosystembezogenen Untersuchungsprogramme ausgebaut. Im Rahmen eines Untersuchungsauftrags, der an die Universität Göttingen (Prof. Beese) vergeben ist, werden die Unterprogramme Streufall, Stammablauf, Baumwuchsaktivität, Vegetation, mikrobielle Zersetzungsaktivität, Blatt- und Nadelanalysen, Baum-Bioelemente durchgeführt. An der Station besteht außerdem eine Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB, Prof. Nützmann).

Die Untersuchungen belegen sowohl sehr geringe atmosphärische Stoffeinträge wie auch geringe Verluste mit dem Sickerwasser, was vor allem an den Elementen Schwefel und Calcium, aber auch an Stickstoff deutlich wird. So lagen die mittleren Stickstoffeinträge im Freilandniederschlag der Jahre 1998 bis 2007 bei 6,5 kg ha-1 a-1 und damit noch unterhalb der an Level II Stationen in Nordbrandenburg gemessenen Werte. Die mittleren jährlichen Stickstoff-Einträge liegen damit in einer Größenordnung, die die im Biomassezuwachs festgelegte N-Menge unterschreitet. Dies zeigt an, dass der Waldbestand in Teilen von seinen Reserven lebt. Von den seit Jahren rückläufigen Schwefeleinträgen verbleibt ein Großteil im System Boden – Pflanze.

Anhand der bisherigen Untersuchungen muss die Einmaligkeit des Standorts betont werden. Diese gründet sich auf die besonderen Bedingungen des Einzugsgebiets, in dessen Zentrum ein oligotropher (nährstoffarmer) Klarwassersee liegt. Seine Existenz ist von gleichbleibend geringen Nährstoffzufuhren abhängig. Bei den prognostizierten Veränderungen des Niederschlagsregimes in Folge des Klimawandels und einer damit verbundenen Verringerung der Grundwasserspende und ‑qualität könnte dies in Zukunft negative Folgen für die Hydrodynamik des Sees sowie die Gewässerchemie und ‑biologie haben. Darüber hinaus dienen die Kiefern-Buchen-Mischwälder im Untersuchungsgebiet als Beispiel für Waldbestände auf Moränenstandorten Norddeutschlands. Die gewonnenen Erkenntnisse geben Hinweise auf die erwartete, zukünftige Waldentwicklung an vergleichbaren Standorten bei verändertem Niederschlagsregime und als Folge des Klimawandels.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Neuglobsow Streusammlung
Streusammlung von Daten in Neuglobsow
Quelle: Umweltbundesamt