Critical Loads für Eutrophierung

Die Nährstoffbelastung von Landökosystemen durch Einträge aus der Luft stellt nach wie vor eine bedeutende Gefährdung der biologischen Vielfalt in Deutschland dar.

Eutrophierung

Unter Eutrophierung versteht man ganz allgemein die Anreicherung von Nährstoffen in Ökosystemen. In natürliche und naturnahe Landökosysteme gelangen Nährstoffe vor allem durch die Ablagerung (Deposition) von Stickstoffverbindungen aus der Luft. Menschliche Aktivitäten stellen eine entscheidende Quelle für diese Stickstoffverbindungen dar. Stickstoff wird aus der Atmosphäre über nasse Deposition (Regen, Schnee), trockene Deposition (Gase, trockene Partikel) und feuchte Deposition (Nebel, Raureif) in naturnahe Ökosysteme eingetragen. Die trockene und feuchte Deposition sind abhängig von der Landnutzung, das heißt verschiedene Vegetationstypen (Wald, Wiese, Acker) weisen aufgrund charakteristischer Oberflächenbeschaffenheiten unterschiedliche Depositionsraten auf. Die Trockendeposition ist meist höher als die Nassdeposition. Die Gesamt-Stickstoffeinträge sind deshalb deutlich höher als die durch die meisten Messnetze erfassten Stickstoffeinträge mit Regen und Schnee.

Eutrophierende Stickstoff-Einträge in naturnahe, terrestrische Ökosysteme bewirken langfristig chronische Schäden an Pflanzen, u.a. durch entstehende Nährstoffungleichgewichte und eine erhöhte Empfindlichkeit gegen Frost und Schädlinge. Darüber hinaus führen sie auch zu einem Verlust an biologischer Vielfalt. Pflanzen und Pflanzengesellschaften, die auf Magerstandorte angewiesen sind, stehen bereits auf der Roten Liste der gefährdeten Arten. Sie haben bei den derzeit auf sie einwirkenden Luftverunreinigungen (Depositionen) langfristig keine Überlebenschance: Stickstoffliebende (nitrophile) Arten werden sie verdrängen. Da viele Tierarten an spezielle Pflanzenarten gebunden sind, trifft der in Deutschland weiterhin beobachtete Rückgang bei der Vielfalt der Pflanzenarten auch die Vielfalt der Tierarten. Ökosysteme können Stickstoff über unterschiedlich lange Zeit speichern. Sind die Speicher - vor allem der Humus und die Vegetation - nach anhaltender Belastung nicht mehr aufnahmefähig („Stickstoffsättigung“), wird Stickstoff verstärkt aus dem Ökosystem ausgetragen. Eine Folge ist die gesteigerte Nitratauswaschung, die zu großflächigen Belastungen der Grundwasserspeicher und Oberflächengewässer führen kann. Eine andere Wirkung stellt die erhöhte Emission von klimawirksamem Lachgas (N₂O) dar.

Stickstoffdepositionen – Treiber für Biodiversitätsverlust

Die Stickstoffbelastung ist eine der Hauptursachen für den Rückgang der Biodiversität von Gefäßpflanzen in Europa. Die Critical Loads für Eutrophierung wurden deshalb in das Set von 19 Indikatoren aufgenommen, die im Rahmen der nationalen Strategie zur biologischen Vielfalt Auskunft über Zustand, Entwicklung und Belastung der biologischen Vielfalt in Deutschland geben. Auf europäischer Ebene wird ein vergleichbarer Indikator im EU-Projekt SEBI 2010 (Streamlining European Biodiversity Indicators 2010) als „headline indicator“ für das Risiko eines Verlusts von Biodiversität geführt.

Critical Loads für Eutrophierung

Critical Loads sind Stofffrachten. Sie geben an, welche Menge eines Schadstoffs pro Fläche und Zeitraum in ein Ökosystem eingetragen werden kann, ohne dass nach gegenwärtigem Wissensstand langfristig Schadwirkungen auftreten.

Critical Loads für Eutrophierung sind kritische Belastungsraten für luftgetragene Stickstoffeinträge, bei deren Einhaltung oder Unterschreitung es weder akut noch langfristig zu schädigenden Wirkungen auf empfindliche Ökosysteme wie Wälder, Heiden und Moore und angrenzende Systeme (zum Beispiel Grundwasser) kommt. Umgekehrt heißt das: Werden Critical Loads für Eutrophierung durch die tatsächlichen Stickstoffeinträge überschritten, besteht in dem betroffenen Gebiet ein Risiko für schädliche Wirkungen. Die Maßeinheit der Critical Loads für Eutrophierung ist Kilogramm Stickstoff pro Hektar Ökosystemfläche und Jahr oder, bei gemeinsamer Betrachtung mit Critical Loads für Säure, Äquivalente [1] pro Hektar Ökosystemfläche und Jahr.

Die Höhe der jeweils tolerierbaren Deposition richtet sich allein nach den Eigenschaften des betrachteten Ökosystems. Critical Loads werden demnach ökosystemspezifisch entweder mit einer einfachen Massenbilanz (simple mass balance – SMB) oder auf der Grundlage empirischer Werte (Düngungsexperimente und Wirkungsmonitoring bei bekannten Eintragsraten) berechnet. Sie erlauben eine räumlich differenzierte Gegenüberstellung der Belastbarkeit eines Ökosystems mit den aktuellen Luftschadstoffeinträgen.

In der Massenbilanz zur Berechnung der Critical Loads für den eutrophierenden Stickstoffeintrag in Böden werden die Stickstoffeinträge den Prozessen gegenübergestellt, die Stickstoff im Ökosystem binden oder unschädlich entfernen. Berücksichtigt werden dabei zum Beispiel die Biomasseernte, die langfristige Bindung von Stickstoff in der Humusschicht, die Denitrifikation sowie der unbedenkliche Austrag über das Sickerwasser. Die kartographische Darstellung der räumlichen Verteilung der Critical Loads und ihrer Überschreitungen erfolgt über ein geographisches Informationssystem (GIS). Eine ausführlichere Methodenbeschreibung enthält das international abgestimmte Methodenhandbuch (Modelling and Mapping Manual) auf www.icpmapping.org.

Das durch Critical Loads-Überschreitungen angezeigte Risiko bedeutet nicht, dass in dem betrachteten Jahr tatsächlich schädliche chemische Kennwerte erreicht oder biologische Wirkungen sichtbar sind. Es kann Jahrzehnte dauern, bis Ökosysteme auf Critical Loads-Überschreitungen reagieren. Diese starke Verzögerung von Schadstoffwirkungen ist abhängig von Stoffeintragsraten, meteorologischen und anderen Randbedingungen sowie Ökosystemeigenschaften. Die Verzögerung bedingt umgekehrt, dass die Erholung selbst bei nachfolgender Unterschreitung von Critical Loads mehrere Jahrhunderte dauern kann. Ist bereits eine irreversible Schädigung eingetreten, so kann sich das Ökosystem auch langfristig nicht mehr erholen.

Dynamische Stoffhaushaltsmodelle beziehen im Gegensatz zu den oben beschriebenen Gleichgewichtsmodellen zeitlich variable Randbedingungen, Verzögerungseffekte und Rückkopplungen ein. Sie können daher unter verschiedenen Belastungs-Szenarien den zeitlichen Ablauf der weiteren Eutrophierung oder aber der Erholung von Standorten prognostizieren.

Critical Loads als Bewertungsgrundlage

Ein langfristiges Ziel der EU und der UNECE-Luftreinhaltekonvention (UNECE Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, CLRTAP) ist die dauerhafte und vollständige Unterschreitung der kritischen Belastungswerte (Critical Loads) für Eutrophierung. Die räumlich differenzierte Gegenüberstellung der Belastbarkeit eines Ökosystems mit aktuellen Luftschadstoffeinträgen dient als wirkungsbasierte Grundlage für die Festlegung von Maßnahmen – das bedeutet, der Emissionsminderungsbedarf richtet sich nach den Risiken von Wirkungen. Dieser Politikansatz wird als „wirkungsbasierter Ansatz“ bezeichnet.

In der EU-Richtlinie zu Emissionsobergrenzen (NEC) sowie dem Multikomponenten-Protokoll zur UNECE-Luftreinhaltekonvention wird als Zwischenziel bis 2010 eine europaweite Verringerung der Fläche von Ökosystemen, in denen die kritischen Belastungsgrenzen für Eutrophierung überschritten werden, um 30 % gegenüber 1990 angestrebt. Daraus ergeben sich für Deutschland folgende Emissionsminderungsziele für 2010 gegenüber 1990: Ammoniak (NH₃): -28 %, Stickstoffoxide (NO_x): -60 % (siehe „Ammoniak (NH₃)-Emissionen“ und „Stickstoffoxid (NO_x)-Emissionen“).Diese Ziele werden möglicherweise nicht erreicht. Daher hat Deutschland in einem Nationalen Programm weitere Maßnahmen zur Einhaltung der Emissionshöchstmengen festgelegt.

Im Jahr 2007 wurden die Critical Loads für eutrophierenden Stickstoff in Deutschland noch auf etwa 77 % der Flächen empfindlicher Ökosysteme überschritten (siehe Abb. „Überschreitung der Critical Loads für Eutrophierung“). Besonders drastisch sind die Überschreitungen in Teilen Nordwestdeutschlands, wo auf empfindlichen Böden intensive Tierhaltung betrieben wird und die Deposition von Stickstoff besonders hoch ist. Zwischen 1990 und 2007 nahm der Anteil der Flächen, auf denen keine Überschreitung der kritischen Belastungsraten zu verzeichnen war, von unter 1 % auf 25 % zu. Ein Eutrophierungsrisiko besteht daher noch immer auf über 70 % der Fläche sensibler Ökosysteme. Auf den belasteten Flächen nahm der Grad der Überschreitung der kritischen Eintragsraten zwischen 1990 und 2007 jedoch deutlich ab; so verringerte sich zum Beispiel der Anteil der Flächen, auf denen die Critical Loads um mehr als 30 kg N ha^-1 a^-1 überschritten wurden, von über 50 % auf rund 1 %. Die Abnahme der Belastungen spiegelt größtenteils den Rückgang der Emissionen in Folge von Luftreinhaltemaßnahmen wider. Zu einem kleinen Teil beruht die Abnahme aber auch auf einer Fortentwicklung der Depositionsmodellierung, die zu geringeren berechneten Frachten führte (siehe Abb. „Überschreitung der Critical Loads für Eutrophierung durch Stickstoffeinträge auf den kartierten empfindlichen Ökosystemflächen“). Die in der Darstellung verwendeten Klassen der Critical Loads-Überschreitung bedeuten:

               keine Überschreitung:                   Null kg ha^-1 a^-1

               geringe Überschreitung:               größer Null bis 10 kg ha^-1 a^-1,

               deutliche Überschreitung:             größer 10 bis 30 kg ha^-1 a^-1,

               sehr hohe Überschreitung:           mehr als 30 kg ha^-1 a^-1 über Critical Load.

Auch in den nächsten Jahren ist wegen der bisher nur unwesentlich abnehmenden Ammoniak-Emissionen mit einer weiträumigen Eutrophierung naturnaher Ökosysteme zu rechnen. Bei der Minderung von diffusen Stickstoffemissionen in die Luft besteht daher erheblicher Handlungsbedarf.

Die „Thematische Strategie zur Luftreinhaltung“ der EU-Kommission schlägt deshalb unter anderem eine Überarbeitung der NEC-Richtlinie mit niedrigeren Emissionshöchstmengen für das Jahr 2020 vor, zu deren Einhaltung die Einführung zusätzlicher Maßnahmen erforderlich ist. Die Nationale Strategie zur Biologischen Vielfalt nennt die Einhaltung der Critical Loads bis 2020 als Umweltqualitätsziel. Das Umweltbundesamt hat eine Stickstoffemissionsminderungsstrategie erstellt. Sie beschreibt Wirkungen von Stickstoffemissionen, stellt Stoffbilanzen auf, benennt und bewertet Umweltqualitäts- und Handlungsziele, Maßnahmen und Instrumente, und schlägt konkrete Handlungsziele vor.

Detaillierte Informationen zum Thema bietet der Abschlussbericht eines Forschungsvorhabens „Nationale Umsetzung UNECE- Luftreinhaltekonvention“.

[1] Ein Äquivalent entspricht 14 g Nitrat- oder Ammoniumstickstoff