FQBUM Das Konzept der kritischen Belastungsgrenzen FÜR W , S S E N für Säure- und Stickstoffeinträge
Peter Blaser, Jürg B. Bucher
1 Q Q 7 WSL, Birmensdorf
Das Konzept der Critical Loads oder der kritischen Belastungsgrenzen fiir Schadstoffe ist im wesentlichen ein politisches Konzept mit dem Ziel, die Emissionen von Schadstoffen auf ein wissenschaftlich begriindetes und ökonomisch vertretbares Mass zum Schutz der Umwelt zu reduzieren. Trotz dieser recht einfachen Umschrei- bung handelt es sich um ein sehr anspruchsvolles, ambitiöses Konzept, welches eine naturwissenschaftliche und sozioökonomische Herausforderung darstellt und dessen politische Tragweite darin liegt, dass letztendlich die Gesellschaft darüber zu entscheiden hat, welchen Wert sie einer intakten Umwelt zumessen will und welchen Preis sie dafür zu bezahlen bereit ist.
1 Geschichtliche Entwicklung
Der Weg, der zu diesem Konzept der kritischen Bela- stungsgrenzen führte, ist lang und geht bis in die 60er Jahre zurück. Zu dieser Zeit wurde von verschie- denen Wissenschaftern die Vermutung geäussert, dass die beobachtete Versauerung der skandinavischen Seen mit den Schwefelemissionen in Zentraleuropa und England in einem Zusammenhang stehen könnte.
Zwischen 1972 und 1977 konnte in verschiedenen Studien bewiesen werden, dass Luftschadstoffe über Hunderte und Tausende von Kilometern transportiert werden können, bevor sie in Form von sauren Depo- sitionen wieder auf die Erde zurückkommen und dort ihre mannigfachen, unerwünschten Wirkungen zeiti- gen. Zur selben Zeit kam die Vermutung auf, dass auch das an verschiedenen Orten in Europa beobach- tete Absterben ganzer Waldbestände («Waldsterben››) mit den sauren Niederschlägen in einem ursächlichen Zusammenhang stehen könnte. Diese Erkenntnisse führten zur Einsicht, dass eine erfolgversprechende Emissionsbegrenzung und Bekämpfung der Luftver- schmutzung nur noch auf internationaler Ebene ange- gangen werden kann.
Zu jener Zeit, als Europa noch in politische und ideologische Blöcke aufgeteilt war, gab es nur ein Forum, in welchem ökonomische und ökologische Probleme auf internationaler Ebene diskutiert werden konnten: die «United Nations Economic Commission for Europe (UN/ECE)››, der heute mehr als 50 Staa- ten Europas, Nordamerikas sowie der früheren So- wjetunion angehören.
Ein Eckpfeiler der Bemühungen unter den UN/ECE-Ländern zum Schutz der Umwelt gegen saure Depositionen, übermässige Stickstoffeinträge und photochemischen Smog ist die «Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution›› (LRTAP), welche 1979 auf Ministerebene von 34 Staaten sowie der EG in Genf unterzeichnet wurde. Diese Konven- tion war das erste multilaterale, rechtlich verbindliche
Instrument, welches die Probleme der grenzüber- schreitenden Luftverschmutzung auf internationaler Ebene anzugehen ermöglichte.
Im wesentlichen verfolgt die Konvention das Ziel, die generelle Schadstoffbelastung in Europa zu erfas- sen, deren Wirkung auf bestimmte sensitive Ökosy- steme oder Teile davon abzuschätzen und, basierend auf der Sensitivität dieser Rezeptoren, die Schadstoff- emissionen gezielt einzuschränken. Zu diesem Zweck wurden im Laufe der Jahre verschiedene internatio- nale Programme etabliert (International Cooperative Programmes).
Die Unterzeichnerstaaten der Konvention akzeptier- ten folgende Prinzipien:
° die Luftverschmutzung wird als ein Hauptproblem anerkannt;
° die Staaten verpflichten sich, Anstrengungen zu un- ternehmen, um die Menschen sowie ihre Umwelt gegen die Auswirkungen der Luftverschmutzung zu schützen;
0 sie verpflichten sich, durch Informationsaustausch, koordinierte Forschung, Monitoring, sowie Ent- wicklung von gemeinsamen Strategien zur Ver- minderung von Schadstoffemissionen beizutragen;
° die besten verfügbaren Technologien, welche öko- nomisch verkraftbar sind, sollten zur Emissions- minderung angewendet werden.
Im Jahre 1984 wurde zur langfristigen Sicherstellung der Erfassung und Bewertung der Schadstoffbelastung ein Protokoll zur gemeinsamen Finanzierung des
«Cooperative Programme for Monitoring and Evalua- tion of the Long-range Transmission of Air Pollutants in Europe (EMEP)›› verabschiedet. Das EMEP hat zum Ziel, international abgestimmte Programme zum Monitoring und zur Modellierung der Luftverschmut- zung zu implementieren. Dazu gehören:
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1. Sammlung von Emissionsdaten
2. Messung der Luft- und Niederschlagsqualität 3. Berechnung und Modellierung der grenzüber-
schreitenden Schadstoffausbreitung.
Schon sehr früh wurde erkannt, dass neben Schwefel- dioxid, welches als Hauptkomponente der Ver- sauerung betrachtet wurde, auch die diversen Stick- stoffemissionen einen wesentlichen Beitrag zur Ver- sauerung lieferten und dass aus diesem Grund auch die Stickstoffemissionen in die`Beobachtung der Schadstoffbelastung miteinbezogen werden mussten.
Aus diesem Grund wurden 1985 in Helsinki und 1988 in Sofia zwei weitere Protokolle verabschiedet, welche die Reduktion und Emissionskontrolle von Schwefel- und Stickstoffverbindungen zum Ziel hat- ten.
Zur Untersuchung der Wirkung dieser Schad- stoffe auf natürliche Rezeptoren wurden effekt-orien- tierte Programme implementiert, welche die schädi- genden Einflüsse auf Wald, landwirtschaftliche Kultu- ren, Gewässer, ausgewählte sensitive Ökosysteme wie z.B. Moore sowie auf historische und kulturell be- deutsame Bauten untersuchen. Bei diesen effekt-orien- tierten Programmen geht es primär darum, die Sensiti- vität bestimmter Rezeptoren zu definieren und die kri- tischen Belastungsgrenzen sowie allfällige Überschrei- tungen zu ermitteln.
Als Voraussetzung für eine realisierbare Politik zur Begrenzung der Schadstoffemissionen braucht es folgende Informationen aus dem Raum der beteiligten Länder:
0 Angaben über die gegenwärtigen Emissionen so- wie Trends für die Zukunft,
0 Transportmodelle für die Verbreitung der emittier- ten Schadstoffe,
° europaweite Karten der kritischen Belastungsgren- zen,
° Entwicklung von technisch möglichen Emissions- kontrollen sowie den Austausch von Information und technischem Know how,
' Abschätzung der technischen Möglichkeiten zur Emissionsbegrenzung sowie der damit verbun- denen Kosten,
0 Integrierende Verbesserungsmodelle.
2 Das Konzept der Critical Loads
Wenn Schadstoffemissionen eingeschränkt werden müssen, so drängen sich zwei Fragen auf:
1. Weshalb und in welchem Ausmass muss dies ge- schehen?
2. Sind solche Massnahmen technisch durchführbar und können sie ökonomisch verkraftet werden?
Auf der ersten Frage gründet das Konzept der Critical Loads. Das Ziel dieses Konzeptes besteht in einer wis- senschaftlich begründeten, kosteneffizienten Begren- zung der Schadstoffemissionen bis zu einem Grenz- wert, welcher durch ein bestimmtes Ökosystem - oder Teilen davon ~ gerade noch verkraftet werden kann, ohne dass sich nach dem heutigen Stand des Wissens langfristig nachhaltige Schäden auf dessen Struktur oder Funktion ergeben (NILSSON 1986).
Die zweite Frage berücksichtigt die Realisierbar- keit adäquater Massnahmen. Im Spannungsfeld dieser beiden Fragen nach dem wissenschaftlich begründeten Wünschbaren und dem ökonomisch/technisch Mach- baren bewegt sich die Politik einer europaweiten Emissionsbegrenzung.
Als Basis für eine politisch durchsetzbare Emis- sionsbegrenzung braucht es Karten der Critical Loads.
Zudem muss vorgängig festgelegt werden, in welchem Ausmass die empfindlichen Ökosysteme geschützt werden sollen. Im allgemeinen werden die Werte mit einem 1 oder 5 Percentil berechnet, d.h. die Critical Loads Werte sind so angesetzt, dass 99% oder 95% der gefährdeten Systeme geschützt werden können.
Diese flächenbezogene Information über die Empfindlichkeit eines Ökosystems gegenüber einer Schadstoffbelastung kann den aktuellen Immissionen gegenübergestellt werden. Überschreiten diese den kritischen Grenzwert (Exceedances), so ist mit Schä- den zu rechnen, und es muss eine Eindämmung der Schadstoffeinträge angestrebt werden. Das Wesentli- che des Critical Load Konzeptes besteht somit aus 2 wichtigen Elementen:
° Die Critical Loads beziehen sich auf die spezifische Empfindlichkeit verschiedener Rezeptoren eines Ökosystems und basieren auf wissenschaftlichen Grundlagen.
° Es ermöglicht eine differenzierte Beurteilung der Gefährdung verschiedener Ökosysteme sowie die Erarbeitung adäquater Reduktions-Szenarien.
Das Critical Load Konzept wird somit als Grundlage für technisch durchführbare und ökonomisch verkraft- bare Reduktionsmassnahmen verwendet. Es erfordert die Zusammenarbeit von Naturwissenschaftern, Öko- nomen und Politikern und bildet die Basis für eine zukunftsorientierte, internationale Emissionsbegren- zung und -kontrolle. Ein so anspruchsvolles Ziel lässt sich nur schrittweise und in enger Zusammenarbeit mit der internationalen Gemeinschaft der UNIECE- Länder erreichen.
3 Die Critical Loads of Acidity
Zur Bestimmung der durch Säureeintrag aktuell ge- fährdeten Gebiete eines Landes sollten 3 Vorausset- zungen gegeben sein:
G Die empfindlichen-Rezeptoren sowie deren Ver- breitung müssen definiert werden (s. unten), ' Es braucht Karten der Critical Loads, sowie 0 Karten der Exceedances, d.h. Karten die zeigen,
wo und in welchem Ausmass die kritische Bela- stungsgrenze durch die aktuelle Belastung über- schritten ist. Diese berechnet sich wie folgt:
EX (A) = Adep + Asoil " CL (A) leq ha-1 3-ll wobei:
Ex (A): Exceedance
Ausmass, in welchem die kritische Bela- stungsgrenze durch die aktuelle Belastung überschritten wird.
Aktueller Nettoeintrag von versauernden Stoffen, vor allem S- und N-Verbindungen.
Adepi
Asoilz Gesamtheit der durch natürliche, säurebil- dende Prozesse im Boden freigesetzten Säure.
CL (A): Critical Load of Acidity.
Zur Berechnung der kritischen Säurebelastung durch versauernde Schwefel- und Stickstoffeinträge wurden verschiedene Modelle entwickelt. Das einfachste Mo- dell beruht auf der «simple mass balance method››, welche die langfristigen, mittleren Säurequellen (natürliche und anthropogene) der Säureneutralisa- tionskapazität des Systems gegenüberstellt und eine zeitunabhängige, maximal tolerierbare Säuremenge berechnet, welche das System schadlos und langfristig verkraften kann.
Die Zielgrössen (Rezeptoren), welche in allen Modellen die kritischen Belastungsgrenzen letztlich bestimmen, sind ausgewählte, säureempfindliche Or- ganismen, die durch eine Reihe von chemischen Pa- rametern ihres Lebensraumes beeinträchtigt werden.
Für die Berechnung der kritischen Säurebelastung in der Schweiz wurden zwei sensitive Lebensräume be- rücksichtigt:
0 Waldboden
° alpine Seen auf sauren, langsam verwitternden Ge- Steinen.
In beiden Systemen können kritische chemische Pa- rameter definiert werden, welche das Gedeihen von Pflanzen oder Tieren beeinflussen. Für Waldböden im
«steady state» heisst das z.B., dass die Summe aller Säureeinträge und säureproduzierenden, natürlichen Prozesse durch protonenverbrauchende Prozesse neu-
tralisiert werden müssen und zwar so, dass aus chemi- schen und biologischen Gründen
° die Basensättigung der Ionentauscher konstant bleibt,
0 der pH-Wert nicht unter 4 sinkt,
0 die A13*-Konzentration <0.2 meq L4 beträgt, 0 das BC/Al-Verhältnis 21 ist,
0 Al-Auswaschung <Al-Freisetzung durch Verwitte- rung ist.
Das «simple mass balance model» beruht auf stark vereinfachten Annahmen und wird überall dort ange- wendet, wo Inputdaten zu genaueren Berechnungen fehlen. Für Waldböden bestehen die wichtigsten Ver- einfachungen dieses Modells u.a. darin, dass
° der Boden als homogenes Medium betrachtet wird mit einer Mächtigkeit, die ungefähr dem Wurzel- raum entspricht,
0 die Intensität von Verwitterung und Nährstoffauf- nahme im gesamten Boden als gleich angenommen wird,
0 eine fixe Verwitterungsrate angenommen und diese in der Folge weder vom aktuellen Boden-pH noch von anderen chemischen Parametern beeinflusst wird.
Anstelle des «simple mass balance models» können heute verschiedene komplexere Modelle zur Berech- nung der Critical Loads verwendet werden, die zwar auch auf einem «steady state››-Ansatz beruhen, welche aber die verschiedenen Bodenhorizonte berücksichti- gen sowie die bodenchemischen Prozesse viel genauer erfassen und in die Berechnungen miteinbeziehen. Al- lerdings benötigen diese Modelle einen wesentlich umfangreicheren Input-Datensatz.
In der Gruppe «Bodenchemie›› der WSL wurde eines dieser Modelle (PROFILE) in einer vom BUWAL finanzierten Fallstudie im Tessin angewen- det. In dieser Arbeit ging es u.a. darum, berechnete Resultate gemessenen Werten gegenüberzustellen, um die Säure-Basen-Prozesse besser zu verstehen und zur weiteren Verbesserung der Modelle beizutragen.
Die zeitliche Entwicklung der Versauerungspro- zesse kann mit den «steady state››~Modellen nicht mo- delliert werden. Um die Auswirkungen verschiedener Säuredepositions-Szenarien zur Reduktion von Emis- sionen im zeitlichen Verlauf zu berechnen, wurden dynamische Modelle entwickelt.
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4 Die kritischen Belastungsgrenzen für Nährstoff-Stickstoff
(critical loads of nutrient nitrogen)
Die Berechnung der kritischen Säurebelastung wurde in der Konvention der grenzüberschreitenden Luftver- schmutzung prioritär behandelt. Daneben wurde aber erkannt, dass immissionsbedingte N-Einträge neben einer bodenversauernden Wirkung in vielen natur- nahen Ökosystemen auch eine Düngewirkung haben, da der im Boden vorhandene Stickstoff oft der wachs- tumsbegrenzende Hauptnährstoff ist. So lange im zu schützenden Ökosystem keine Eutrophierung oder grössere Nährstoffauswaschungen ins Grundwasser auftreten, kann diese Düngewirkung aus umweltpoliti- scher Sicht toleriert werden; treten jedoch nachhaltige Veränderungen in Struktur und Funktion des zu be- trachtenden Ökosystems auf, so ist nach dem Konzept der Critical Loads eine kritische Belastungsgrenze für Nährstoff-Stickstoff festzulegen.
Dieser Critical Load of Nutrient Nitrogen wird derzeit in den meisten Unterzeichnerstaaten empirisch oder nach einer Massenbilanz-Methode (Simple Mass Balance) ermittelt.
Der empirische Ansatz stützt sich auf Vegetations- und Biodiversitätsveränderungen, die sich unter zu- nehmender Stickstoffbelastung in naturnahen Wald- ökosystemen beobachten und/oder experimentell nachweisen liessen. Er eignet sich vor allem in Gebie- ten oder Staaten, für welche die Inputdaten zur Mas- senbilanz-Methode fehlen. Allerdings sollte beim em- pirischen Ansatz beachtet werden, dass andere als ver- sauernde oder eutrophierende Wirkungen, z.B. Kli- maeffekte, die kritische Belastungsgrenze mitbestim- men können.
Die Massenbilanz-Methode geht vom Gleichge- wicht der N-Quellen und N-Senken im Ökosystem aus, d.h. die N-Einträge sind gleich der Summe aus der N-Festlegung im Boden, der N-Aufnahme in die Vegetation, der Denitrifikation und der N-Auswa- schung ins Grundwasser (vgl. auch den Beitrag von Kurz und Rihm in diesem Tagungsband). Der Critical Load wird festgelegt über die Definition eines kriti- schen Wertes für die N-Auswaschung, der nicht über- schritten werden sollte. Aufgrund der unvollständigen Kenntnisse über das System und die Grössenordnun- gen der Stickstoffflüsse können derzeit die kritischen Belastungsgrenzen für Nährstoff-Stickstoff an einem bestimmten Standort nur sehr grob geschätzt werden (vgl. auch den Beitrag von Schleppi und Bucher in diesem Tagungsband). Werden die Wirkungen von Nährstoff-Stickstoff und bodenversauerndem Stickstoff zusammen betrachtet, so ergeben sich zwei Möglich- keiten: entweder ist die kritische Belastungsgrenze für Nährstoff-Stickstoff höher oder diejenige für den ver- sauernden Stickstoff. lm letzteren Fall muss die eutro- phierende Wirkung nicht berücksichtigt werden, da die versauernde Wirkung entscheidend ist.
5 Das Critical Load Konzept am Forum für Wissen 1997
Der Beitrag von B. Achermann beleuchtet umfassend das politische Umfeld für die Anwendung des Critical Load Konzeptes. Anschliessend geht B. Rihm de- tailliert auf die Berechnungen der kritischen Bela- stungsgrenzen für Säure- und Stickstoffeinträge ein.
Generell werden die verwendeten Modelle mit den ihnen zugrunde liegenden Annahmen behandelt so- wie im speziellen ihre Anwendung auf die räumliche Modellierung für die Schweiz.
Das Schwergewicht des Forums liegt auf diversen Fallstudien, die in der Schweiz durchgeführt wurden oder werden. Die Auswirkung von sauren Einträgen ist das Thema des Vortrags von M. Zysset, welcher in drei Teile gegliedert ist. Im ersten Teil wird anhand einer Sjährigen Messreihe von Bodenlösungs-Parame- tern die aktuelle Versauerung an einem Standort im Tessin beurteilt. Im zweiten Teil werden die Ergeb- nisse von detaillierten Untersuchungen an diesem Standort präsentiert, in denen es um die Überprüfung kritischer Input-Parameter für die Berechnung des Critical Load of Acidity ging. Schliesslich wird eine Modellierung der Entwicklung der Bodenlösungs- Zusammensetzung von 1830 bis 2030 vorgestellt. Dem Thema Stickstoffeinträge und ihre Wirkungen ist der Beitrag von P. Schleppi gewidmet. Er berichtet über das Europäische Projekt zur Stickstoffsättigung von Nadelwäldern (NITREX). In einem ersten Teil werden einige generelle Ergebnisse des ganzen Projek- tes vorgestellt, dann wird in einem zweiten Teil detail- liert auf die experimentelle Anordnung und die Er- gebnisse der Messungen auf der Schweizerischen Ver- suchsfläche im Alptal eingegangen. Die beiden näch- sten Beiträge sind der Nährstoffversorgung der Wälder gewidmet. W. Landolt zeigt anhand von Daten aus der Schweiz und anderen europäischen Ländern, dass Nährstoff-Mangel bei Fichten weitverbreitet ist. In der Schweiz betrifft dies insbesondere die Elemente Stick- stoff und Phosphor. Er schliesst, dass diese das Wald- bild (und damit die Waldschadenzahlen) in weit stär- kerem Masse beeinflussen könnten, als man bisher vermutet hat. Im Beitrag von W. Flückiger wird ein umfangreicher Datensatz präsentiert, der einerseits aus über 10jährigen Messreihen in Wald-Dauerbeobach- tungsflächen in verschiedenen Regionen der Schweiz und andererseits aus Topfversuchen mit Buche und Fichte stammt. Die Daten werden vor allem im Hin- blick auf die Auswirkungen erhöhter Stickstoff-Ein- träge auf die Nährstoffversorgung und das Wachstum der Bäume ausgewertet und interpretiert. Der Vortrag von J. Innes geht ein auf die Beziehung zwischen Säure- und Stickstoff-Einträgen in Waldökosysteme (neben weiteren Parametern) und der Kronenverlich- tung, welche im Rahmen der Schweizerischen Wald- schaden-Inventuren in den letzten 10 Jahren als gene- relles Mass für die Gesundheit von Waldbäumen ver- wendet worden ist.
Den Abschluss des Forums bildet ein Synthese- versuch von J. Bucher über den aktuellen Stand der Kenntnisse, die offenen Fragen und die sich aufdrän- genden Forschungs- und Handlungs-Prioritäten.
6 Weiterführende Literatur
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CCE, 1995: Calculation and mapping of critical thresholds in Europe. Status Report 1995. UN/ECE Coordination Centre for Effects. National Institute of Public Health and Environmental Protection, Bilthoven, The Netherlands.
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SVERDRUP, H.; WARFVINGE, P., 1993: Effects of soil acidifi- cation on growth of trees, grasses and herbs as expressed by the (Ca-t-Mg+K)/Al ratio. Lund, University of Lund Report.
SVERDRUP, H. ,1992: Calculation of critical loads in alpine regions. Manuscript. Lund, University of Lund.
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VRIES De, W.; REINDS, G.J.; Posen, M., 1994: Assessment of critical loads and their exceedance on European forests using a one-layer Steady state model. Water air soil pollut.
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