Ozonwirkung auf Ökosysteme

Bodennahes Ozon kann Pflanzen schädigen. Deshalb wurden im Rahmen der Genfer Luftreinhaltekonvention Wirkungsschwellenwerte (Critical Levels) zum Schutz der Vegetation ermittelt. Die Europäische Union hat darauf fußend Zielwerte für die Exposition von Pflanzen gegenüber bodennahem Ozon festgelegt, die flächendeckend eingehalten werden sollen. Eine Analyse für Deutschland zeigt, dass der seit 2010 einzuhaltende Zielwert von 18 000 µg/m³*h, gemittelt über 5 Jahre, im Mittel aller ländlichen Hintergrundstationen eingehalten oder nur leicht verfehlt wird. Der wesentlich schärfere langfristige Zielwert (6 000 µg/m³*h) wird hingegen weit überschritten. Die Analyse zeigt aber auch die Schwankungsbreite der Ozonbelastung an den einzelnen Stationen sowie die Abhängigkeit der Ozonbelastung von den meteorologischen Bedingungen.

Bodennahes Ozon hat eine schädigende Wirkung auf die Vegetation. Bei Kulturpflanzen können Ertrags- und Qualitätsverluste (zum Beispiel Verfärbungen und Absterben von Blattteilen) auftreten. Bäume werden durch solche Blatt- und Nadelschäden sowie physiologische Wirkungen ebenfalls geschwächt. Experimente belegen langfristig verminderte Zuwachsraten und eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber anderen Stressfaktoren. Zu den empfindlichen Rezeptoren in Mitteleuropa gehören Buche, Eiche, Lärche, Kiefer und andere Waldbäume, landwirtschaftlich genutzte Pflanzen wie Weizen oder Kartoffel sowie eine große Zahl von Wildkräutern (siehe Abb. „Sichtbare Blattschäden bei Kartoffelpflanzen“ und Abb. „Zuwachsminderung bei jungen Eichen durch die Einwirkung von Ozon“).

Die Reaktionen von Pflanzen auf Ozonbelastungen beruhen auf einer Abfolge von biochemischen und physiologischen Prozessen, die schließlich zu einer sichtbaren Schädigung führen können. Entscheidend für die Ozonwirkung und die Ausprägung von Blattschäden ist der Ozonfluss über die Spaltöffnungen in die Pflanze. Die Aufnahme durch die Blattoberfläche ist vernachlässigbar.

Wirkungen von bodennahem Ozon auf Pflanzen

Akute Wirkungen treten während oder meist nach kurzen Belastungszeiten mit hohen Ozonkonzentrationen und infolge einer hohen Ozon-Aufnahme in die Pflanze auf. Sie äußern sich besonders in offen sichtbaren Symptomen wie punktförmigen oder flächenhaften Gewebezerstörungen (Nekrosen) oder Verfärbungen (Chlorosen).

Länger anhaltende Einwirkungen von vergleichsweise niedrigen Ozonkonzentrationen führen zu chronischen Wirkungen. Hierzu gehören ebenfalls offen sichtbare Symptome, wie Veränderungen des Wuchses (Zwergwuchs, Blattdeformation) oder häufiger noch Vergilbungen (Chlorosen) einzelner Blatt- oder Nadelbereiche oder ganzer Organe. Der Verlauf dieser Vorgänge entspricht oft natürlichen Alterungsprozessen der Pflanze, so dass man auch von verfrühter oder beschleunigter Alterung (Seneszenz) spricht.

Hinzu können latente Wirkungen treten, die äußerlich nicht direkt sichtbar sind. Sie umfassen Veränderungen biochemischer und physiologischer Prozesse oder zellulärer und subzellulärer Strukturen. Dazu gehören Störungen der Photosynthese und des Stoffwechsels insgesamt, Membranveränderungen und Schädigungen der Spaltöffnungen. Diese Veränderungen können zu reduziertem Wachstum und Ertrag führen. Häufig treten die Folgen dieser Reaktionen erst bei zusätzlicher Anwesenheit oder Einwirkung anderer Stressfaktoren auf (Trockenheit, Insektenbefall, mechanische Schädigung) und mindern die Leistung der Pflanze.

Biochemische Grundlagen der Wirkungen: Ozon erzeugt unter pflanzeninternen Bedingungen hochreaktive und aggressive Radikal-Moleküle. Diese und das ursprüngliche Ozon können mit den Biomembranen und Enzymen reagieren. Folgen der Reaktion sind unter anderem veränderte Membraneigenschaften, Störungen der räumlichen Teilung in der Zelle, Defekte und Veränderungen von Enzymen und Zerstörung von Photosynthesepigmenten.

Nicht jedes Ozonmolekül kann seine zerstörerische Kraft voll entfalten. Die Pflanzen haben Entgiftungsmechanismen entwickelt, die die Radikale abfangen können. Diese Mechanismen spielen auch unter anderen Stressbedingungen wie Hitze, Trockenheit, Frost, Schädlingsbefall, Schwermetallbelastung oder Belastung durch andere Gase eine große Rolle. Die Schutzmechanismen funktionieren jedoch nur bis zu einer bestimmten Belastung, höhere Belastungen führen zu irreversiblen Schäden. Darüber hinaus hat die Kombination von Stressfaktoren auf eine Pflanze eine größere Wirkung, als die Wirkung derselben Dosis nur eines Stressfaktors. Eine durch Ozonstress belastete Pflanze wird daher empfindlicher gegenüber anderen Stressoren und umgekehrt.

Bildung von Ozon und Sommersmog

Bodennahes Ozon entsteht aus Vorläuferstoffen wie Stickstoffoxiden (NO_x) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC). Eine wichtige Quelle für die Emission der Vorläufersubstanzen ist der Kfz-Verkehr. Darüber hinaus werden vor allem aus dem Kraftwerksbereich Stickstoffoxide und aus der Anwendung von Lacken und Lösemitteln flüchtige organische Verbindungen emittiert. Teilweise sind die Emissionen auch natürlichen Ursprungs.

Wegen seiner hohen Konzentrationen in Schönwetterperioden ist Ozon Leitsubstanz des Sommersmogs. Dieser ist durch hohe Konzentrationen von Photooxidantien, wie Ozon, Peroxiden, Aldehyden und organischen Stickstoffverbindungen, gekennzeichnet. Sie werden nicht direkt emittiert, sondern bilden sich erst in der Atmosphäre durch komplexe photochemische Reaktionen.

Höhe und Häufigkeit kurzzeitiger Ozonspitzenkonzentrationen hängen entscheidend vom Verlauf des jeweiligen Sommers ab. Besonders hohe Ozonkonzentrationen werden episodisch in Jahren mit lang anhaltenden Schönwetterperioden im Sommer erreicht.

Verglichen mit dem Jahr 1990 sind die Emissionen der Ozonvorläuferstoffe (Stickstoffoxide und flüchtige organische Verbindungen ohne Methan) in Deutschland bis 2009 um 54 % beziehungsweise 66 % zurückgegangen. Der geringere Ausstoß von Ozonvorläufersubstanzen führte bereits in den 1990er Jahren zu einer Abnahme der Ozonspitzenwerte. Die Jahresmittelwerte der Ozonkonzentration von 1990 bis 2009 zeigen jedoch einen zunehmenden Trend (siehe „Ozon und Sommersmog“).

Critical Levels für Ozon –Schutzwerte für Pflanzen

„Critical Levels“ sind Wirkungsschwellenwerte zum Schutz der Vegetation. Das Konzept der „Critical Levels“ wurde vom International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops (ICP Vegetation) erarbeitet, einer Arbeitsgruppe unter der Genfer Luftreinhaltekonvention. Bei Überschreitung dieser Critical Levels können Schädigungen an Pflanzen auftreten.

Methoden zur Ermittlung der Critical Levels für Ozon: Begasungsversuche an verschiedenen Pflanzenarten zeigen, dass Schädigungen durch Ozoneinwirkung (in diesem Fall Biomasseverlust) weniger mit der mittleren Konzentration über einen bestimmten Zeitraum als mit der Häufigkeit des Auftretens von hohen Konzentrationen in Zusammenhang stehen. Deshalb werden Critical Levels als kumulierte Dosis, so genannte AOT40-Werte (Accumulated Exposure Over a Threshold of 40 ppb), definiert. Alle Überschreitungen eines Stundenmittels von 40 ppb (40 ppb entsprechen 80 µg/m³) werden summiert. Diese Summe (angegeben in ppb h) sollte zum Beispiel für landwirtschaftliche Nutzpflanzen den Critical Level von 3 000 ppb h und für Wald von 5 000 ppb h nicht überschreiten. Summiert wird nur über die Zeitspannen mit intensivem Wachstum, da die Pflanzen dann am empfindlichsten sind. In Deutschland ist das für landwirtschaftliche Nutzpflanzen die Zeitspanne vom 15. April bis 15. Juli und für Wald die Zeitspanne April bis September. Der Berechnungszeitraum ist auf die Stunden mit Tageslicht beschränkt (siehe Tab. „Konzentrationsbasierte Critical Levels für Ozon (AOT 40)“).

Das ICP Vegetation nutzt inzwischen auch eine weiterentwickelte Methodik für die Critical Level-Ableitung, die sich nicht mehr auf die Ozon-Konzentration in der Atmosphäre, sondern auf den Ozonfluss durch die Spaltöffnungen in die Pflanzen stützt („flussbasierte Critical Levels“). Diese Methodik kann die physiologischen Wirkungen des Ozons wesentlich besser erfassen, ist aber in ihrer Anwendung auch anspruchsvoller. Dabei wird der Ozonfluss durch die Spaltöffnungen in die Pflanze über bestimmte Zeiträume aufsummiert, sobald er einen Schwellenwert Y übersteigt. Der so berechnete kumulierte, kritische Ozonfluss, die sogenannte Phytotoxische Ozondosis, POD wird auf die sonnenexponierte Blattfläche (m²) bezogen. Der Wert Y beträgt für Weizen und Kartoffel 6 nmol m^-2 s^-1 und für Waldbäume
1,0 nmol m^-2 s^-1. Auch bei diesem Ansatz wird der Critical Level für landwirtschaftliche Kulturen für die Hauptwachstumsphase berechnet, bei Waldbäumen für die gesamte Vegetationsperiode. Nur Ozonflüsse während der Stunden mit Tageslicht werden summiert. Die ozonflussbasierten Critical Levels korrespondieren mit quantifizierten Ertragseinbußen bzw. einer Zuwachsminderung im Experiment (siehe Tab. „Critical Levels für Ozon bezogen auf kritische Ozonflüsse in die Pflanzen“).

Weitere Critical Levels, spezifische Methoden zur Berechnung, zum Beispiel zur Berücksichtigung von sichtbaren Blattschäden, und Einzelheiten der verschiedenen Methoden können dem Methodenhandbuch zur Modellierung und Kartierung von Critical Loads und Levels (ICP Modelling and Mapping Manual) entnommen werden.

Sowohl konzentrationsbasierte als auch flussbasierte Critical Levels für Ozon werden in Europa und auch in Deutschland großflächig überschritten. Ökonomische Verluste und die Einschränkung von Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen können die Folge sein. Weiterführende Informationen dazu finden Sie in den Publikationen des ICP Vegetation.

Zielwerte der Europäischen Union zum Schutz der Vegetation

Nach der EG-Richtlinie 2008/50/EG [1] gilt als Zielwert für den Schutz der Vegetation ein Expositionsindex AOT40 von 18 000 [µg/m³] h, gemittelt über 5 Jahre, der seit 2010 eingehalten werden soll (siehe Abb. „Ozon AOT40-5-Jahresmittelwerte“). Langfristig soll flächendeckend ein niedrigerer Zielwert für Vegetation (6 000 [µg/m³] h) eingehalten werden. Die vorgeschriebene Methodik zur Berechnung der AOT40-Werte weicht historisch bedingt in einigen Punkten vom Methodenhandbuch zur Modellierung und Kartierung von Critical Loads und Levels (ICP Modelling and Mapping Manual) ab, zum Beispiel in den Akkumulationszeiträumen.

Entwicklung der Ozonbelastung

Um die derzeitige Ozonbelastung mit dem Zielwert nach EU-Richtlinie 2008/50/EG zu vergleichen, sind die gleitenden 5-Jahresmittelwerte der AOT40 heranzuziehen. Damit werden witterungsbedingte Schwankungen der Belastungssituation nivelliert. Die Abbildung “Ozon AOT40-5-Jahresmittelwerte“ zeigt diese Werte gemittelt für alle ländlichen Hintergrundstationen. Ihre Anzahl beträgt je nach Jahr 44 bis 75. Die Situation kann an den einzelnen Stationen deutlich besser oder schlechter sein als der Durchschnitt der Stationen (siehe Abb. „Ozon AOT40 - Einhaltung des Zielwertes für das Jahr 2010 zum Schutz der Vegetation“). Ziel ist es, den Zielwert für 2010 und zukünftig auch den langfristigen Zielwert (siehe Abb. „Ozon AOT40-Mittelwerte“) immer an allen Stationen einzuhalten.

Die scheinbar deutliche Senkung des 5-Jahres-Mittelwertes für den Zeitraum 2007 bis 2011 ist vor allem darauf zurückzuführen, dass das Jahr 2006, das besonders hohe Ozonkonzentrationen aufwies (siehe Abb. „Ozon AOT40-Mittelwerte“), aus dem Berechnungszeitraum herausgefallen ist. Sobald es wieder ein Jahr mit sehr günstigen Bedingungen für die Ozonbildung gibt, kann also auch der 5-Jahresdurchschnitt wieder oberhalb des Zielwertes liegen.

Im Gegensatz zum Zielwert für 2010 gilt der langfristige Zielwert zum Schutz der Vegetation nach EU-Richtlinie 2008/50/EG für jedes einzelne Jahr. Zum Vergleich mit diesem Wert werden deshalb die Mittelwerte der ländlichen Hintergrundstationen für die einzelnen Jahre herangezogen. Diese AOT-Werte lagen in den Jahren 1995 bis 2011 weit über dem langfristigen Zielwert und zeigten keinen eindeutigen Trend (siehe Abb. “Ozon AOT40 - Einhaltung des Zielwertes für das Jahr 2010 zum Schutz der Vegetation“). Den starken Einfluss meteorologischer Verhältnisse auf die Ozonbelastung veranschaulichen vor allem die Werte der Jahre 1995, 2003 und 2006. So herrschte zum Beispiel im Sommer 2003 eine außergewöhnliche Wettersituation mit sehr hoher Strahlenintensität und somit für die Ozonbildung besonders günstigen Bedingungen. Diese außergewöhnliche Belastung wirkte sich auf den Waldzustand in vollem Maße erst im Jahr 2004 aus [2].

[1] Richtlinie 2008/50/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Mai 2008 über Luftqualität und saubere Luft für Europa, in deutsches Recht umgesetzt durch die 39. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz vom 05.08.2010

[2] Bericht über den Zustand des Waldes 2004. Ergebnisse des forstlichen Umweltmonitorings; Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft; Dezember 2004