Dr. Volker Mohaupt, UBA
In der Landwirtschaft werden Stickstoff und Phosphor als wichtige Dünger dem Boden zugesetzt. In natürlichen Ökosystemen hingegen führt ein Überangebot an diesen Nährstoffen zu nachteiligen Veränderungen in den Ökosystemen, die diese schädigen und ihre Nutzbarkeit beeinträchtigen. Dieser Zustand wird Eutrophierung genannt.
Wälder und andere empfindliche Landökosysteme
Für Landökosysteme ist meistens der Stickstoff ein rarer Nährstoff, da die Bindung von Stickstoff aus der Luft energieaufwändig ist und die dabei entstehenden reaktiven Verbindungen wiederum löslich oder flüchtig sind. Ein Überangebot an reaktiven Stickstoffverbindungen führt in Landökosystemen bei einem gleichbleibenden Angebot anderer Nährstoffe zu einem unausgewogenen Ernährungsstatus für die Pflanzen.
Dadurch können beispielsweise Bäume schneller wachsen, was die Qualität des Holzes schmälert. Die Ökosysteme werden anfälliger gegenüber kurzzeitigen Stressereignissen, wie Frost, Trockenheit, Wind, Schädlingsbefall oder Wassermangel.
Das höhere Stickstoffangebot führt durch Massenwachstum einzelner Stickstoff liebender Arten zur Verdrängung solcher, die auf nährstoffarme Standorte angewiesen sind. Es können nicht standorttypische Verschiebungen im Artenspektrum verursacht werden, bis hin zu Funktionsstörungen im Ökosystem. So kann beispielsweise die massenhafte Ausbreitung von Gräsern und Sträuchern als Folge des Stickstoffüberangebots in Wäldern dazu führen, dass dem Baumbestand nicht mehr genügend Wasser zur Verfügung steht. In niederschlagsarmen Gebieten werden dadurch die Folgen des Klimawandels für die Wasserversorgung der Bestände und die Grundwasserneubildung verstärkt.
Die Höhe der jeweils tolerierbaren Konzentration oder Einträge richtet sich nach der spezifischen Empfindlichkeit des betrachteten Ökosystems, die auch abiotische Parameter, wie standörtliche Bodeneigenschaften oder klimatische Bedingungen berücksichtigt. Die EU–Initiative Streamlining European Biodiversity Indicators for 2010 (SEBI2010, Europäische Kommission, 2009), benennt die Eutrophierung als eine für die Biodiversität relevante stoffliche Belastung und nutzt die Reduzierung der Überschreitungen der kritischen Belastungsgrenzen (Critical Loads) für Stickstoff in Landökosystemen als Indikator.
Das größte Problem stellen die auf hohem Niveau konstanten Stickstoffemissionen (NH3, NO3-, N2O) aus der Landwirtschaft dar. Diese haben im Unterschied zu den Emissionen von Stickoxiden (NOx) aus Verbrennungsprozessen (Energiegewinnung, Verkehr) nur wenig abgenommen (Abb. A2.2).
Abbildung A2.1: Links: Kiefernbestand in Nordost-Deutschland – ohne erkennbare Merkmale einer N-Beeinflussung; Rechts: Tiermastanlage Dobberzin bei Angermünde: Dichter Unterwuchs von Holunder und anderen N-Zeigern als Folge erhöhter N-Deposition.
Quelle: © Gerhard Hoffmann / Waldkunde-Institut Eberswalde; zit: Durch Umweltschutz die biologische Vielfalt erhalten; Themenheft des Umweltbundesamtes, 2010.
Abbildung A2.2: Stickstoffoxid und Ammoniakemissionen
Quelle: UBA (2010a).
In empfindlichen Ökosystemen sind die kritischen Eintragsraten für Stickstoff zum Schutz vor Eutrophierung und Versauerung noch immer großflächig überschritten. 2004 reicherten noch 95 % der empfindlichen Landökosysteme Deutschlands erhebliche Mengen an Stickstoff an. Auf 63 % sind die Critical Loads für Eutrophierung sogar mit über 20 kg pro ha und Jahr Stickstoff überschritten (Abb. A2.3).
Abbildung A2.3: Überschreitungen der Critical Loads für Eutrophierung in Deutschland
Quelle: UBA (2010a).
Flüsse, Seen und Meere: Warum Algen „blühen“?
Eutroph heißt „gut ernährt“. Ausgelöst wird Eutrophierung in Gewässern durch Anreicherung von Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff. Algen oder Wasserpflanzen können dann übermäßig wachsen und entziehen anderen Pflanzenarten, vielen Kleinlebewesen und Tieren die Lebensgrundlage – entweder weil massive Ansammlung-en von AlgAnsammlung-en das SonnAnsammlung-enlicht für WasserpflanzAnsammlung-en abschirmAnsammlung-en oder weil durch dAnsammlung-en biologischen Abbau der Pflanzenmasse der Sauerstoffgehalt im Wasser erheblich sinkt. In schweren Fällen bilden sich durch Eutrophierung sauerstofffreie, unbelebte Tiefenzonen in Seen (z.B. in vielen durch Nährstoffeinträge aus umgebenden Flächen oder Fischbesatz und Fütterung überdüngten Kleinseen Norddeutschlands) oder in geschichteten Meeresgebieten (z.B. in der Mecklenburger Bucht der Ostsee oder im Golf von Mexiko durch die Nährstoffeinträge aus stark landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten).
Beim anaeroben Abbau organischer Masse in diesen Zonen entstehen Faulgase wie Schwefelwasserstoff und Methan. In diesem Endstadium ist das Gewässer „gekippt“.
Abbildung A2.4: Pflanzenmassenentwicklung in einem Gewässer als Folge zu hoher Nährstoffbelastung
Quelle: © Andreas Hoffmann, Umweltbundesamt, zit. in UBA (2010b).
Diese Effekte machen die Gewässer unästhetisch bis hin zu Einschränkungen von Nutzungen (z.B. Baden, Trinkwasseraufbereitung, Fischerei und Freizeitangeln) und Einbußen im Tourismusgeschäft.
Grundsätzlich sind beide Nährstoffe, Stickstoff und Phosphor, für die Eutrophierung der Gewässer verantwortlich. In Flüssen, Seen und den Küstengewässern ist meistens Stickstoff im Übermaß vorhanden und Phosphor der limitierende Nährstoff. Deshalb führen zusätzliche Einleitungen von Phosphor zu Pflanzen- und Algenmassen. In hoch eutrophen Seen können sogar Stickstoffmangelerscheinungen in warmen trockenen Sommern durch stickstofffixierende Blaualgen (Cyanobakterien) überwunden werden.
Diese Stickstofffixierer gibt es im Meer nicht und Stickstoffeinträge werden wie in Landökosystemen durch Denitrifikation abgebaut. Deshalb sind Meeresökosysteme in der Regel stickstofflimitiert und Algen wachsen übermäßig, wenn Stickstoff zugeführt wird.
Grundwasser
Grundwasser in Deutschland ist häufig mit Nitrat belastet. Dadurch wird die Aufbereitung zu Trinkwasser – die Hauptnutzung von Grundwasser, für die es flächendeckend geschützt wird – wegen zu hoher Kosten de facto unmöglich.
Wasserwerke weichen dann auf andere Grundwasserleiter aus.
Nitrat gelangt in das Grundwasser, wenn es auf landwirtschaftlichen Nutzflächen übermäßig vorhanden ist und mit dem Sickerwasser ausgewaschen wird. Das ist besonders dort der Fall, wo zu hohe Tierbestände auf leichten Böden gehalten werden.
Die Versickerung findet dann meistens im Winter und zeitigen Frühjahr statt. Im Sommer versickert wenig Wasser, weil es von den Pflanzen gebraucht und verdunstet wird. Auch Stickstoff wird dann gebraucht und ist daher eher in den Pflanzen und im Bodenleben gebunden als löslich in Form von Nitrat. Die einzige Möglichkeit Nitrat abzubauen ist die Denitrifikation im Boden und Grundwasser. Ist kein molekularer Sauerstoff (O2) vorhanden, nutzen Bakterien den im Nitrat enthaltenen Sauerstoff zum Abbau organischer Masse. Wenn die organische Masse vollständig abgebaut ist, kann Nitrat nicht mehr denitrifiziert werden und es kommt zum Nitratdurchbruch, dem plötzlichen Auftreten hoher Nitratkonzentrationen. Viele Grundwasserleiter in Nordwestdeutschland enthalten bereits keine organische Masse mehr.