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Agrarforschung

Räumliche Intensivierung und inhaltliche Ergänzung des landesweiten Monitoringsystems „Niederschlagsmeßnetz“

Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg, Freiburg i. Breisgau/  Abteilung Bodenkunde und Waldernährung
R. Hepp, L. Bittlingmaier, K. v. Wilpert                                       
Januar 1993 - Dezember 1995

Problemstellung

In Baden-Württemberg werden seit Anfang der 80er Jahre Depositionsmessungen in Waldbeständen durchgeführt. Sie sollen zum einen Erkenntnisse über die relativen Belastungen einzelner Regionen liefern, zum anderen die zeitliche Entwicklung der einzelnen Belastungsparameter verfolgen. Aus Gründen der regionalen Vergleichbarkeit werden seit dem Hydrologischen Jahr (HJ) 1992 nur noch Fichtenflächen, in der Rheinebene ersatzweise Kieferbestände bzw. Douglasienbestände beprobt. Aufgrund ganzjähriger Benadelung hat die Fichte gegenüber Laubhölzern ein höheres "Filtervermögen", so daß unter Fichtenbeständen die höchstmögliche Belastung von Waldböden erfaßt wird. In der Anfangsphase hatte das Depositionsmeßnetz durch seine geringe Meßnetzdichte eher exemplarischen Charakter. Bis Ende 1995 wurde das Meßnetz von 12 auf 23 Meßorte erweitert. Damit repräsentiert jetzt ein Meßort eine Fläche von 1500 - 2000 km2, was nach einer geostatistischen Studie des DVWK in Mittelgebirgsregionen als repräsentativ angesehen werden kann.

Untersuchungsmethode

An jedem Meßort werden Niederschläge sowohl unter einem Fichtenbestand als auch auf einer Referenzfreilandfläche in deren unmittelbarer Nähe gesammelt. Zum Auffangen der Niederschläge sind im Bestand i.d.R. 12 Sammelgefäße in 1 m Höhe rasterartig aufgestellt, im Freiland 3 Sammelgefäße ebenfalls in 1 m Höhe. In zweiwöchigem Turnus werden die Niederschlagsereignisse als Mischprobe eingeholt und im Labor die Konzentrationen folgender Hauptinhaltsstoffe bestimmt: Protonen, Calcium, Magnesium, Kalium, Natrium, Mangan, Nitrat, Sulfat, Chlorid, Ammonium, gelöster organischer Kohlenstoff, Zink, Phosphor, fallweise Cadmium und Blei. Über die Niederschlagsmenge werden gewogene Jahresdurchschnittskonzentrationen berechnet. Multipliziert man die gewogene Jahresdurchschnittskonzentration mit dem Jahresniederschlag, erhält man die Eintragsmenge.

Aus der Protonenkonzentration des Niederschlagswassers (pH-Wert) werden die direkten Protoneneinträge bestimmt. Daneben müssen aber auch die an das Ammonium gebundenen Protonen berücksichtigt werden, da diese bei der Nitrifika-tion bzw. nach der Aufnahme durch die Pflanzenwurzeln freigesetzt werden und daher im Boden ebenfalls zu einer Versauerung führen.

Ergebnisse

Im Beobachtungszeitraum 1993-95 ist kein eindeutiger Trend der Stoffeinträge zu erkennen. Im landesweit sehr niederschlagsreichen Jahr 1994 waren die Einträge am höchsten. Im Jahr 1995 herrschten durchschnittliche Depositionsverhältnisse. Deshalb wurden die folgenden Ergebnisse auf dieses Jahr bezogen.

Säureeinträge

Im Freiland schwanken die Protoneneinträge zwischen 0.3 - 1.0 kmolc/ha/a. Direkte Protoneneinträge tragen bis auf wenige Ausnahmen (Mannheim, Blauen) 30 bis 40(50) % bei, wobei die höchsten Anteile ausschließlich im Schwarzwald, die geringsten im Osten und Südosten Baden-Württembergs erreicht werden. Die Protoneneinträge im Bestand reichen von 0.3 bis 1.4 kmolc/ha/a mit den stärksten Belastungen im Westschwarzwald/westlichen Odenwald, im Südosten des Landes und z.T. im Ballungsraum Stuttgart. Die geringsten Werte sind in Lee-Lagen östlich des Schwarzwaldhauptkammes, im südlichen Neckarland und auf der Südwestalb zu finden. Betrachtet man das Verhältnis von Bestandes- zu Freilandwerten fällt auf, daß es auf fast allen Schwarzwaldstandorten und im südlichen Neckarland/Südwestalb kaum Unterschiede zwischen Freiland und Bestand gibt. Die Ammoniumeinträge liegen dort im Bestand häufig unter den Freilandeinträgen. Dies ist auf Kronenraumprozesse zurückzuführen, in denen zum einen Protonen bereits in der Krone durch Austausch von basischen Kationen abgepuffert werden. Zum anderen wird Ammonium bereits durch die Krone aufgenommen. Die abgepufferten und über Ammonium aufgenommenen Protonen tragen jedoch indirekt zur Bodenversauerung bei, da sie im Wurzelraum an den Boden wieder abgegeben werden. Auffallend ist, daß in der Osthälfte des Landes mit Ausnahme vom südlichen Neckarland die direkten Protoneneinträge mit maximal 10 % zu den meßbaren Säureeinträgen beitragen. Hier ist davon auszugehen, daß aufgrund intensiver Landwirtschaft ein hoher Anteil gasförmigen Ammoniaks vorhanden ist, der neben der Kronenpufferung einen Großteil der Protonen bindet.

Um die tatsächlichen Auswirkungen der Säureeinträge auf die Ökosysteme interpretieren zu können, müssen Werte für das Maß der Gefährdung auf lange Sicht, sogenannte kritische Belastungswerte oder "critical loads", herangezogen werden. In bezug auf Säureeinträge wurden "critical loads" für verschiedenen Ausgangsgesteine hergeleitet, da deren chemische Verwitterbarkeit und deren Gehalt an basischen Kationen die Pufferleistung des Bodens maßgeblich bestimmen. Böden auf Granit können 0.2-0.5 kmol Protonen/ha/a abpuffern, Böden mit freiem Karbonat dagegen über 2 kmol. Niedrige Einträge im Ostschwarzwald liegen also immer noch über der "critical load", während die höheren Einträge z.B. auf der Schwäbischen Alb mit der Station Grubenhau weniger kritisch zu bewerten sind.

Stickstoffeinträge

Die Stickstoffeinträge setzen sich aus Nitrat- und Ammoniumstickstoff zusammen. Organische Stickstoffverbindungen wurden vor dem HJ 1995 nicht bestimmt. Es ist zu berücksichtigen, daß ein Teil des Stickstoffs bereits im Kronenraum durch die Nadeln aufgenommen wird und deshalb meßtechnisch nicht erfaßt werden kann. Die tatsächlichen Einträge liegen deshalb höher als die gemessenen, so daß letztere nur eine konservative Schätzung darstellen und als Mindesteintrag anzusehen sind. Die direkte Assimilation wird in der Literatur für Fichtenbaumhölzer bis -althölzer auf durchschnittlich 9-10 kg/ha/a beziffert, wobei die Stickstoffaufnahme in Form von Ammonium stark überwiegt. Das oben erwähnte Kronendifferenzmodell unterstellt v.a. für den Westschwarzwald eine starke Unterschätzung (um 5-15 kg) der tatsächlichen gegenüber den gemessenen Werten.

Im Freiland liegen die Stickstoffeinträge größtenteils zwischen 8 und 11 kg/ha/a. Nur die niederschlagsreichen Standorte Schauinsland und Gengenbach liegen deutlich darüber. Die Freilandeinträge verteilen sich an fast allen Standorten gleichmäßig auf Nitrat- bzw. Ammoniumstickstoff.

Durch die bereits erwähnte Filterwirkung werden in die Bestände mit Ausnahme der Ostschwarzwaldstandorte und die östlich daran angrenzenden Gebiete 20-30 N kg/ha/a eingetragen. Im Lee des Schwarzwaldes bewegt sich der Stickstoffeintrag zwischen 10 und 14 kg/ha/a. Absolute Ausnahme mit unter 4 kg ist der Standort Löffingen. Im Gegensatz zu den Freilandflächen variierte die Zusammensetzung der Stickstoffeinträge in den Beständen stark. Im Westen entfallen durch die anzunehmende Ammoniumaufnahme im Kronenraum nur 30 - 40 % des Gesamtstickstoffeintrags auf Ammoniumstickstoff, im Osten dagegen jedoch 50 - 65 %.

GRENNFELT & HULTBERG ermittelten in Abhängigkeit von der Grundwassergefährdung eine "critical load" von 12 kg N/ha/a, GUNDERSEN für Wirtschaftswälder in Abhängigkeit von der Bewirtschaftungsintensität von 4-10 (20) kg N/ha/a.

In Baden-Württemberg werden die critical loads an allen Meßorten erreicht bzw. bis um den dreifachen Wert überschritten. Es ist also langfristig mit einer zunehmenden Stickstoffsättigung der Wälder zu rechnen.

Konsequenzen für die Praxis

Die Gesamtsäurebelastung ist an den bereits seit 1987 bestehenden Stationen von 1987/88 bis 1993/94 um 10-30 % zurückgegangen. Dies beruht fast ausschließlich auf den Rückgang direkter Protoneneinträge aufgrund rückläufiger Sulfateinträge. Die Sulfateinträge sind um 40-70 % gesunken. Die an das Ammonium gebundenen Protoneneinträge sind dagegen im großen und ganzen unverändert geblieben, so daß ihr Anteil am Gesamtsäureeintrag im Schwarzwald (Gengenbach) und im südlichen Neckarland (Schönbuch) von 25-35 % auf 35-45 % bzw. auf der Schwäbischen Alb (Grubenhau) und im Alpenvorland (Brunnenholzried) von 60-70 % auf 80-90 % gestiegen ist. Hinsichtlich der Stickstoffeinträge kann kein eindeutiger Trend festgestellt werden. An einigen Stationen liegen sie im Durchschnitt der HJe 93/94 etwas niedriger als im Durchschnitt der Jahre 87/88, an einigen etwas höher. Die flächige Übersteuerung der Pufferleistung von Böden durch Säureeinträge begründen einen Zwang zu Kompensationskalkungen, um einerseits aktuelle Säureeinträge abzupuffern und andererseits depositionsbedingt eingeschränkte Regelfunktionen von Böden vorsichtig zu restaurieren.

Der zunehmenden Stickstoffeutrophierung von Waldböden durch atmogene Stickstoffeinträge kann durch eine Kombination von chemischer Bodenmelioration durch Kalkung und die waldbauliche Förderung tiefwurzelnder Laubholzarten entgegengewirkt werden. Beide Maßnahmen begünstigen die bodenbiologische Aktivität und damit die stabile organische Fixierung von Stickstoff.

Literatur
  • Gräf, E. (1990): Ergebnisse niederschlagsanalytischer Untersuchungen in südwestdeutschen Wald-Ökosystemen. Mitt. d. Forstl. Vers.- u. Forschungsanst. Ba-Wü, H. 151, 99 S.
  • Hochstein, E. und Hildebrand, E.E. (1992): Stand und Entwicklung der Stoffeinträge in Waldbestände von Baden-Württemberg. AFJZ, 163/2, 21-26.
  • Hepp, R. und Hildebrand, E.E. (1993): Aktuelle Trends. Stoffdeposition in Waldbeständen Baden-Württembergs. Allg. Forst Zeitschr., 22, 1139-1142.
  • Hepp, R. (1995): Stickstoffeinträge - Gefahr für Bestand und Wasser? In: Waldwirtschaft und Waldökologie, Beiträge aus der Betriebsforschung. Fachtagung am 10. u. 11. Oktober 1995 in Freiburg i. Brsg. Agrarforschung in Baden-Württemberg, Bd 26, 170-178.
  • v. Wilpert, K., Hildebrand, E.E. (1994): Stoffeintrag und Waldernährung in Fichtenbeständen Baden-Württembergs. Forst u. Holz 49, 629-632.

 

Fördernde Institution:    MLR

Förderkennzeichen: 55 - 93 . 4  




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