Einfluss von Luftschadstoffen und Klimawandel auf die Gefährdung von Ökosystemen im polnisch-sächsischen Grenzraum
2. Material und Methoden
3.2. Depositionstrend im Untersuchungsgebiet
Die Trends der verwendeten Depositionsdaten sind in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 5. Parameter der Funktion für Versauerung und Eutrophierung (A) und Bereiche der Überschreitung (B).
Rycina 5. Parametry funkcji wartości krytycznych zakwaszenia i eutrofizacji (A) oraz obszary przekroczenia wartości krytycznych (B).
Figure 5. Components of the critical load function for acidification and eutrophication (A) and regions of critical load exceedance (B).
Abbildung 4. Ökosystemtypen nach EUNIS-Klassifikation.
Rycina 4. Typy ekosystemów według klasyfikacji EUNIS.
Figure 4. Types of ecosystems according to the EUNIS classification.
Bei den Stoffeinträgen von oxidiertem Stickstoff (NOx) und oxidiertem Schwefel (SOx) ist ein kontinuierlich abnehmender Verlauf seit dem Referenzjahr 2000 erkennbar; die Werte erreichen im Jahr 2030 nur noch 44 % bzw. 60 % der zurückliegenden Depositionen.
Dagegen zeigt sich beim reduzierten Stickstoff (NHy), dass sich die Depositionsmenge im Referenzjahr für die aktuelle Deposition (2010) wieder den Werten aus dem Jahr 2000 annähert und dann bis 2030 auf annähernd ähnlichem Niveau verharren wird.
3.3. Ergebnisse der Critical-Load-Analyse 3.3.1. Critical Load zum Schutz vor Versauerung in der Basisklimaperiode (1971–2000)
Die Eingangsparameter für die Critical-Load-Berechnung wurden in ein Rasterformat von 1 × 1 km2 überführt und rasterbezogen in einem GIS berechnet.
Hierbei wurden nur naturnahe Ökosysteme berücksichtigt.
Der Ergebnisdatensatz enthält Werte für 34.355 Rasterzellen (1 × 1 km2 Gitterzellen); diese repräsentieren 42,6 % der Fläche des Untersuchungsgebiets. Die flächige Verteilung der Critical-Load-Ergebnisse wird in der Karte in Abbildung 7 dargestellt, wobei ungeeignete Landnutzungstypen und daher nicht betrachtete Gebiete ohne Farbcodierung dargestellt werden.
Abbildung 7. Critical Load für Versauerung.
Rycina 7. Wartości krytyczne (Critical Load) zakwaszenia.
Figure 7. Critical load for acidification.
Abbildung 6. Depositionstrend im Untersuchungsgebiet.
Rycina 6. Tendencja depozycji na terenie objętym badaniami.
Figure 6. Deposition trend in the area of investigation.
Abbildung 8. Critical Load für Versauerung der verschiedenen CORINE-Klassen.
Rycina 8. Wartości krytyczne (Critical Load) zakwaszenia różnych klas CORINE.
Figure 8. Critical load for acidification grouped by CORINE landuse classes.
Abbildung 9. Critical Load füt Eutrophierung.
Rycina 9. Wartości krytyczne (Critical Load) eutrofizacji.
Figure 9. Critical load for eutrophication.
Abbildung 10. Critical Load für Eutrophierung der verschiedenen CORINE Klassen.
Rycina 10. Wartości krytyczne (Critical Load) eutrofizacji różnych klas CORINE.
Figure 10. Critical load for eutrophication grouped by CORINE landuse classes.
Die höchsten Werte (über 2500 eq ha-1 a-1) für den Critical Load der Versauerung, welcher eine relative Unempfindlichkeit des betroffenen Ökosystems ausdrückt, ist z.B. im Vorland und in Teilen des Zentrums des Riesengebirges zu finden. Hier gibt es die höchsten Depositionsmengen für basische Kationen und moderate Verwitterungsraten. Eine ähnliche Situation findet sich in Teilen der Oberlausitz und in der Elbsandsteinregion.
Eine weitere Region liegt im polnischen Tiefland, hier befinden sich Böden mit geringerer Säureanfälligkeit durch erhöhte Verwitterungsraten basischer Kationen.
Mittlere Critical Load (zwischen 1500 und 2500 eq ha-1 a-1) finden sich u.a. im Vorland des Isergebirges, in Teilen der Lausitz und teilweise im polnischen Tiefland.
Im Unterschied zu den Regionen mit hohen Critical-Load-Werten sind hier die Niederschläge (z.B. Lausitz) oder Verwitterungsraten (z.B. Isergebirge) geringer.
Es gibt daher ein mäßig hohes Potenzial, die mit der Deposition eingetragene Säure auszugleichen.
Die niedrigsten Critical Load (750–1000 eq ha-1 a-1) sind im deutschen und polnischen Tiefland zu finden. In diesen Bereichen wird in den Auengebieten mit relativ hohen
Entzügen gerechnet, welche die Menge der zur Verfügung stehenden basischen Kationen stärker reduziert. In anderen Gebiete (z.B. das Zentrum des Riesengebirges) sorgen die überaus gering mächtigen Böden (teilweise
< 0,3 m) für eine sehr geringe Bereitstellung von basischen Kationen. Dieser Verwitterungsprozess wird durch die relativ niedrigen Durchschnittstemperaturen zusätzlich gebremst.
In Abbildung 8 ist die Empfindlichkeit der verschiedenen Ökosystemtypen nach CORINE-Klassen gruppiert.
Es ist zu erkennen, dass die Nicht-Waldtypen eine große Varianz aufweisen, wobei sich Torfmoore als eher unempfindlich gegenüber versauernden Einträgen zeigen.
3.3.2. Critical Load zum Schutz vor Eutrophierung in der Basisklimaperiode (1971–2000)
Ziel war es auch, hinsichtlich der Eutrophierung besonders empfindliche Bereiche des Untersuch- ungsgebiets zu identifizieren. Abbildung 9 zeigt die räumliche Verteilung der Sensitivitätsklassen.
Abbildung 11. Überschreitung der Critical Load für Eutrophierung im Jahr 2010.
Rycina 11. Przekroczenie wartości krytycznych (Critical Load) eutrofizacji w roku 2010.
Figure 11. Exceedance of the critical load for eutrophication in the year 2010.
Abbildung 12. Überschreitung der Critical Load für Eutrophierung im zeitlichen Verlauf.
Rycina 12. Przekroczenie wartości krytycznych (Critical Load) eutrofizacji w ujęciu czasowym.
Figure 12. Trend of the exceedance of the critical load for eutrophication.
Abbildung 13. Überschreitung der Critical Load für Versauerung im Jahr 2010.
Rycina 13. Przekroczenie wartości krytycznych (Critical Load) zakwaszenia w roku 2010.
Figure 13. Exceedance of the critical load for acidification in the year 2010.
Abbildung 14. Überschreitung der Critical Load für Versauerung im zeitlichen Verlauf.
Rycina 14. Przekroczenie wartości krytycznych (Critical Load) zakwaszenia w ujęciu czasowym.
Figure 14. Trend of the exceedance of the critical load for acidification.
Die wesentlichen Unterschiede im Gesamtbild des Critical Load für Eutrophierung im Vergleich zum Critical Load für Versauerung sind in der starken Abhängigkeit des CLnutN von Sickerrate und Bodenproduktivität zu sehen. Über diese Eingangsdaten bestimmen sich die Mengen erlaubten Stickstoffabflusses im Bodenwasser und des Stickstoffentzugs durch die Vegetation.
Da bei der Betrachtung der Eutrophierung der Niederschlag eine größere Rolle spielt, können die regen- reichen Hochgebirgsregionen als relativ unempfindlich gegenüber dem Einfluss von eutrophierendem Stickstoff angesehen werden.
Regionen mit den niedrigsten Critical Load gegen- über Eutrophierung sind im deutschen und polnischen Tiefland zu finden, bedingt durch die dort geringeren Niederschläge und Bodentypen mit geringer Frucht- barkeit, wodurch weniger Stickstoff durch die Vegetation und Bodenleben aufgenommen und gebunden werden kann.
Im Vergleich der Empfindlichkeit der CORINE-Klassen gegenüber Eutrophierung (vgl. Abb. 10) zeigen
sich etwas deutlichere Tendenzen als bei der Betrachtung der Versauerung.
Bei den Waldtypen erscheinen die Nadelwälder etwas anfälliger gegenüber Eutrophierung als Laubwälder und Mischwälder. Die Nicht-Waldtypen zeigen eine geringere Empfindlichkeit der Heiden im Vergleich zur recht hohen Eutrophierungsgefahr bei Sümpfen und Torfmooren.
Außerdem hebt sich die breite Streuung bei den Heiden und Moorheiden (12–50 kg N ha-1 a-1) deutlich vom restlichen Datensatz ab.
3.3.3. Überschreitung der Critical Load im Basisklima
Überschreitungen der Critical Load für Eutrophierung. Im Jahr 2010 waren mehr als 60 % der naturnahen Ökosystemflächen einer zu hohen Belastung mit oxidiertem und reduziertem Stickstoff ausgesetzt (vgl. Abb. 11).
Auch für den Projektionszeitraum bis 2030 (vgl.
Abb. 12) ergibt sich nach den bisher geplanten
Abbildung 15. Veränderungen der Critical Load für Versauerung im Klimaszenario A1B, Vergleich der Periode 1971–2000 mit 2071–2100.
Rycina 15. Zmiany wartości krytycznych (Critical Load) zakwaszenia w scenariuszu klimatycznym A1B, porównanie okresów czasu pomiędzy latami 1971–2000 i 2071–2100.
Figure 15. Changes in critical load for acidification for the climate scenario A1B (period 1971–2000 and 2071–2100).
Maßnahmen zur Luftreinhaltung keine grundlegende Trendwende bzgl. der zu erwartenden ökologischen Belastungen durch eutrophierende Stickstoffeinträge.
Mit Blick auf das Jahr 2030 bleiben 38,6 % der Ökosysteme im Untersuchungsgebiet einem erhöhten Eutrophierungsrisiko ausgesetzt (vgl. Abb. 12).
Überschreitungen der Critical Load bzgl. Versauer- ung. Die Belastung durch Säureeinträge konnte bereits gegen Ende des letzten Jahrhunderts reduziert werden. Bezogen auf das Jahr 2000 waren in knapp 80 % der Ökosysteme im Untersuchungsgebiet die Critical Load nicht überschritten, ca. 20 % unterlagen noch einem Versauerungsrisiko. Bereits bis zum Jahr 2010 verschob sich dieses Verhältnis auf ca.
90 % nicht-versauerungsgefährdete zu ca. 10 % versauerungsgefährdeten Ökosystemen (vgl. Abb. 13).
Für den Prognosezeitraum bis 2030 kann angenommen werden, dass bis dahin nahezu alle Ökosysteme vor den negativen Effekten der Versauerung geschützt sind, da die Critical Load flächendeckend eingehalten werden (vgl.
Abb. 14).
3.3.4. Critical-Load-Vergleich der untersuchten Klimaszenarien
Die Critical Load wurden für alle in Abschnitt 2.1.2.
beschriebenen Klimaszenarien und Zeitschritte berechnet.
Exemplarisch wird nachfolgend die Auswertung des A1B-Szenarios für die Critical Load zum Schutz vor Versauerung und zum Schutz vor Eutrophierung dargestellt.
Änderung der Critical Load für Versauerung (1971–2000 zu 2071–2100). Vergleicht man im A1B-Szenario*23die betrachteten Zeiträume 1971–2000 und 2071–2100, erhält man die Änderung der Critical Load für diese beiden Zeitschritte.
Abbildung 15 zeigt, dass im Klimaszenario A1B*2 (Zeitschnitt 2071–2100) etwa 26 % der
Critical-Load-*2 Das Klimaszenario A1B basiert auf der Annahme einer Welt mit raschem Wirtschaftswachstum und der Einführung effizienter Technologien, einer ab Mitte des 21. Jahrhunderts abnehmenden Weltbevölkerung und einer ausgewogenen Nutzung aller Energiequellen, wobei keine spezielle Abhängigkeit einer einzelnen Energiequelle dominiert (vgl. Deutscher Wetterdienst 2014). Aufgrund dieser Annahmen führt dieses Szenario i.d.R. zu moderaten Ergebnissen in der Klimaentwicklung.
Abbildung 16. Veränderungen der Critical Load für Eutrophierung im Klimaszenario A1B, Vergleich der Periode 1971–2000 mit 2071–2100.
Rycina 16. Zmiany wartości krytycznych (Critical Load) eutrofizacji w scenariuszu klimatycznym A1B, porównanie okresów czasu pomiędzy latami 1971–2000 i 2071–2100
Figure 16. Changes in critical load for eutrophication for the climate scenario A1B (period 1971–2000 and 2071–2100).
Werte bzgl. Versauerung unbeeinflusst bleiben, auf 17 % der Rezeptorfläche steigt die Säureempfindlichkeit und auf 57 % fällt diese.
Änderung der Critical Load für Eutrophierung (1971–2000 zu 2071–2100). Betrachtet man die Veränderungen der Critical Load für Eutrophierung, erkennt man, dass sich für einen sehr großen Teil der Rezeptorfläche die Critical Load klimabedingt deutlich vermindern, d.h. die Ökosysteme reagieren dann empfindlicher auf eutrophierende Einträge. In der flächenhaften Verteilung (vgl. Abb. 16) ist zu erkennen, dass besonders die Hochlagen eine zunehmende Empfindlichkeit gegenüber Stickstoff aufweisen.
Keines der betrachten Ökosysteme zeigt unveränderte Empfindlichkeit gegenüber Stickstoffeinträgen. Alle untersuchten Flächen wurden sensitiver, wobei ca. 12%
der Fläche eine Critical-Load-Verringerung um mehr als 5 kg ha-1 a-1 aufweist. Regional sind davon insbesondere die Hochlagen betroffen.
Critical Load im Vergleich aller untersuchten Klimaszenarien. Exemplarisch für alle Klimaszenarien sind die Critical Load für die verschiedenen Zeitschnitte des A1B Szenarios in Abbildung 17 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Belastungsgrenzen zum Schutz vor Eutrophierung mit jedem Zeitschnitt sinken. Dies ist bedingt durch steigende Temperaturen und sinkende Niederschläge. Steigende Temperaturen führen zu niedrigeren Immobilisierungsraten von Stickstoff (Ni)
und sinkende Niederschläge zu kleineren Mengen an erlaubtem Stickstoffaustrag (Nle(acc)). Beide Effekte des Klimawandels sind in weiten Teilen (nicht in allen) des Untersuchungsgebietes zu finden. Aussagen über den Critical Load für Versauerung sind etwas schwieriger, da sich zwei Effekte überlagern. Einerseits führen steigende Temperaturen zu leicht erhöhten Verwitterungsraten der basischen Kationen. Anderseits können diese positiven Effekte durch höhere Niederschlage (über das ANCle(crit))
Abbildung 18. Critical-Load-Überschreitung im Jahr 2030 für verschiedene Depositionsszenarien.
Rycina 18. Przekroczenie wartości krytycznych (Critical Load) w roku 2030 dla różnych scenariuszy depozycji.
Figure 18. Critical load exceedance in the year 2030 for different deposition scenarios.
Abbildung 17. Critical Load für verschiedene Zeitschnitte des A1B Szenario.
Rycina 17. Wartości krytyczne (Critical Load) dla różnych odcinków czasowych scenariusza klimaty- cznego A1B.
Figure 17. Critical load for different periods of the A1B scenario.
reduziert werden. Im Vergleich zeigt sich der Critical Load für Versauerung weniger abhängig von den klimatischen Veränderungen. Diese beobachteten Tendenzen ergeben sich für alle untersuchten Klimaszenarien, wobei das RCP 2.6 die schwächsten und das RCP 8.5 Lauf 1 die stärksten Änderungen im Vergleich zum A1B Szenario aufzeigen.
Um die Folgen der steigenden Empfindlichkeit der Ökosysteme gegenüber der Eutrophierung zu zeigen, werden in Abbildung 18 die Nicht-Überschreitungen der CLnutN für die prognostizierte Deposition im Jahr 2030 dargestellt. Wie in Kapitel 2.2.3 kurz erläutert wurden die Depositionen auf Basis unterschiedlicher Klimaszenarien berechnet, daher gibt es für die verschiedenen Critical Load (Basis, A1B 1971–2000, 2021–2050 und 2071–2100) mehrere Balken für die jeweiligen Depositionsszenarien. Die Grafik zeigt einerseits, dass die Depositionen auf Basis des Referenzklimadatensatzes deutlich höher ausfallen als alle Depositionsdatensätze auf Basis von modellierten Klimadaten (re-simuliert wie auch projiziert). Darüber hinaus wird deutlich, dass der Anteil der geschützten Ökosysteme sinkt, sobald Critical Load betrachtet werden, welche klimatische Effekte in der Zukunft berücksichtigen.
4. Diskussion
Die Critical Load für Eutrophierung und Versauerung sind als maximale Belastungsgrenzen zu verstehen.
Unterhalb dieser Grenzen wird nicht mit einer signifikanten Schädigung des Ökosystems gerechnet.
Die Vergleiche der betrachteten Klimaszenarien zeigten, dass bei allen Szenarien das Risiko der Eutrophierung im Zusammenspiel mit der Klimaveränderung zunimmt. Je nach Szenario fällt die Zunahme der Empfindlichkeit der Ökosysteme gegenüber Stickstoffeinträgen stärker oder leichter aus. Zum Vergleich wurde in der von ÖKO-DATA Strausberg durchgeführten Untersuchung (vgl. Nagel et al. 2013) auch eine Prognoserechnung unter Annahme der gleichen Reduzierung der Stickstoffemissionen (und damit -depositionen), aber diesmal ohne angenommene Klimaveränderung durchgeführt. Im Ergebnis ließ sich feststellen, dass dann das Eutrophierungsrisiko bis zum Jahr 2030 deutlich abnimmt. Das wiederum bedeutet, dass die Erfolge, die im Bereich der Luftreinhaltung bzgl. der Stickstoffemissionen erreicht wurden und werden, durch den nachteiligen Effekt der Klimaveränderung etwa zur Hälfte wieder kompensiert werden.
Bezüglich des Versauerungsrisikos konnte insgesamt eine deutliche Verbesserung der Situation festgestellt werden. Auch unter Einbezug zu erwartender Ent-wicklungen kann davon ausgegangen werden, dass das Versauerungsrisiko sich noch weiter abschwächen wird.
Die größte Gefährdung der Ökosysteme ist also hinsichtlich der Auswirkungen der Stickstoffeinträge zu erwarten.
Generell ist es so, dass bei einer Überschreitung der Critical Load Maßnahmen zur Reduzierung der Schadstoffbelastung notwendig sind. Das Ziel ist stets die Einhaltung der Critical Load für alle Ökosysteme.
5. Referenzen
Deutscher Wetterdienst (2014): Klimaszenarien – Einblicke in unser zukünftiges Klima. – http://www.dwd.de (abgerufen am 03.06.2014).
ICP MODELLING & MAPPING (2010): Manual on Methodologies and Criteria for Modelling and Mapping Critical Loads & Levels and Air Pollution Effects, Risks and Trends. – Federal Environmental Agency (Umweltbundesamt) Berlin, UBA-Texte 52/2004 (überarbeitete Version von 2010 [www.icpmapping.org]).
LfULG (Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie) (Hrsg.) (2014): Das Klima im polnisch-sächsischen Grenzraum. Klimawandel, Luftverschmutzung und ökologische Belastungsgrenzen von Ökosystemen im polnisch-sächsischen Grenzraum, Dresden.
Kreienkamp, F., A. Spekat & W. Enke (2013): Modellierung von Klimaprojektionen im polnisch-sächsischen Grenzraum im Rahmen des Projekts KLAPS, Climate & Environment Consulting Potsdam.
Kryza, M., M. Werner, M. Szymanowski, M. Blas & A. J. Dore (2013 unpublished): FRAME Deposition Modelling in the KLAPS Area, Department of Climatology and Atmosphere Protection Wroclaw University.
Nagel, H. D., T. Scheuschner, A. Schlutow & R. Weigelt-Kirchner (2013): Klimawandel, Luftverschmutzung und Belastung von Ökosystemen im polnisch-sächsischen Grenzraum.
Entwicklung von ökologischen Belastungsgrenzen – Critical Loads - verschiedener Ökosysteme im Untersuchungsgebiet. – Abschlussbericht. Im Auftrag vom LfULG (Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie).
Strausberg, Dresden.
Umweltbundesamt (2009): CORINE Land Cover (CLC2006) – DLR-DFD 2009.