Smidt 2010, BFW
Immissionsökologische Forschung am BFW
Höhenprofil Zillertal / Tirol
Höhenprofile Achental / Nordtiroler KA Bodental / Kärnten
Stefan Smidt
Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft
idt 2010, BFW
Waldökosystemforschung am BFW
In den Jahren 1984 bis 2008 wurde vom BFW ein interdisziplinäres Projekt
koordiniert, an dem 19 Institutionen beteiligt waren.
Die Freilanduntersuchungen wurden in drei wenig immissionsbelasteten Waldgebieten durchgeführt.
idt 2010, BFW
Hauptziele
• Quantifizierung von Belastungsfaktoren
• Stressfrüherkennung
• Weiterentwicklung von Bioindikationsmethoden
• Modellierung des Immissionsrisikos für größere Gebiete
• Quantifizierung der N- und C-Flüsse
• Auswirkungen einer Bodenerwärmung
idt 2010, BFW
Hauptziele
idt 2010, BFW
Grundlage
Charakterisierung des Untersuchungsgebietes Einrichtung
Einbeziehung weiterer Datenpools
Smidt 2010, BFW
Lage der Untersuchungsgebiete
Achental
Zillertal
Bodental
idt 2010, BFW
Hauptuntersuchungsgebiet Achental
idt 2010, BFW
Zillertal/Tirol (1984-1990)
Mayerhofen Inntal
Schwendbergprofil 600 – 1950m
idt 2010, BFW
Achental/Tirol (seit 1990)
Christlumprofil 970 – 1758m
idt 2010, BFW
Bodental/Kärnten (1999-2008)
1010m
Abbildung 1010m
idt 2010, BFW
Christlumkopf (1758m)
Luftschadstoffmonitoring
Container mit Nebelsammler
idt 2010, BFW
Depositionsmonitoring
Wet and dry only Sammler Bulk-Sammler
idt 2010, BFW
Hauptstandort Mühleggerköpfl (Achental)
• 4.jpg
Intensiv-
Untersuchungsfläche (920m)
idt 2010, BFW
Stoffflussmessung
Bestandesniederschlag Nebelsammler
Freiland Kronendurchlass Streu-
sammler Saugkerzen
Lysimeter
Oberflächenwasser
Luftschadstoffmessungen meteorologische Messungen Depo- / Nebelmessungen Ausgasungsmessungen
Smidt 2010, BFW
Mess-Station
Container mit Nebelsammler Nebelsammler
idt 2010, BFW
Arbeitsgebiete
• Basiserhebungen, Schadstoffbelastungen
• Meteorologische Spezialerhebungen
• Bioindikationsmethoden
• Waldweide, Mykorrhizen
• Nutzungspotentialanalyse
• Expertensystem
• Messung und Modellierung von N- und C-
Kreisläufen
idt 2010, BFW
Ozon
Schwermetalle
idt 2010, BFW
Hohe Ozon-Konzentrationen und hohe Stoffwechselaktivität fallen zusammen
0 50 100
J F M A M J J A S O N D
ug/m3
Ozon
NOx SO2
Monatsmittel 1990-2008
Vegetationsperiode
idt 2010, BFW
Föhn transportiert Ozon aus der unteren Troposphäre an
0 12 0 12 0 12 0 Uhr
ppb Schönwetter
Föhnepisode
Temperatur
WIGE Ozon
Smidt 2010, BFW
Lokale Ozon-Produktion produziert einen
„Ozonbauch“ im Frühjahr
0 40 80
3 2 1 0
Loisachtal Zillertal
ppm km
Puxbaum et a. 1989
idt 2010, BFW
Die Ozondosen (AOT40-Werte) nehmen mit der Seehöhe deutlich zu
Smidt 2010, BFW
AOT40-Berechnungen täuschen eine übermäßige (unrealistisch hohe) Ozon-Belastung vor
Forschungszentrum Seibersdorf
Grenzwert: 10000
Herman et al. 2005
Smidt 2010, BFW
Die Berücksichtigung von Aufnahme & Hemerobie führt zu realistischen Resultaten
Herman et al. 2005
Smidt 2010, BFW
Fichten sind v.a. im (Nord-) Osten Österreichs ozon- und klimagefährdet
Smidt et al. 2008
Smidt 2010, BFW
Das Expertensystem erkennt aussagekräftige Parameter zur Waldschadensbeurteilung
Mustererkennung mit einem Entitäten- Relationsmodell:
Luftqualität
Nadelgewicht, -länge
Chlorophyll, Carotinoide, SH, POD C-, N-, S-Gehalte
Photosyntheserate
Guttenberger & Mayrhofer 1996
Datensätze, Bewertungskriterien
Smidt 2010, BFW
Waldgebiete sind durch Vergleich der Stressmuster unterscheidbar
Clusteranalyse >>>
4 „physiological response clusters“
Chlorophyll/Carotinoide/Xanthophylle Redoxstatus der Carotinoide
Antioxidantiengehalt Chlorophyll a/b
Chlorophyll / Carotinoide Peroxidasen
Tausz et al. 1998
Smidt 2010, BFW
Der Pb-Akkumulationsindex ist in den Nordstaulagen deutlich erhöht
Herman et al. 2000
Smidt 2010, BFW
Pb,Zn haben hohe Mobilität in den oberen Bodenhorizonten
Mobilität (> Antransport)
Mutsch 1998
idt 2010, BFW
Bioindikation
Schwermetalle Antioxidatives System
VOCs
Smidt 2010, BFW
Pb Cd
ppm
Pb-Hintergrund
Mittel 6 Probeflächen 0
1 2 3
1965 1975 1985 1995
Herman 1996
Der Rückgang der Blei-Emissionen
spiegelt sich in den Fichtennadelgehalten wider
idt 2010, BFW
Im „Reinluftgebiet“Achenkirch sind die Pb- und Cd-Gehalte in Moosen relativ hoch
Pb Cd
Blaue Balken: Mittel
Österreich (220 Standorte)
30
15
0
Zechmeister 1995
idt 2010, BFW
Die Schwermetallgehalte in Moosen steigen mit der Seehöhe an
Zechmeister 1995
Smidt 2010, BFW
Pflanzeninhaltsstoffe zeigen einen Höhengradienten
< 600 600-800 800-1000 1000-1200 1200-1400 1400-1600
>1600
0,00 2,00 4,00 6,00
ascorbic acid [mg g-1 dwt]
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
S content [mg g-1 dwt]
0 200 400 600
Thiols [nmol g-1 dwt]
< 600 600-800 800-1000 1000-1200 1200-1400 1400-1600
>1600
0,00 2,00 4,00 6,00
[m a.s.l.]
Chlorophyll a+b [mg g-1 dwt]
Ascorbat Schwefel
Chlorophyll Thiole
Tausz et al. 2003
idt 2010, BFW
Lipoide zeigen ebenfalls einen Höhengradienten
Puchinger & Stachelberger 1994
idt 2010, BFW
(s)VOCs sind auch in Reinluftgebieten nachweisbar
• Hohe Konzentrationen in Nadeln und Humus im Hintergrundgebiet Achental
• Fichten entgiften CKWs unter Energieaufwand (GST)
• Hohe Ethenkonzentrationen (bis 15 ppb) haben
Ozonbildungspotential
Weiss et al. 1998, Schröder et al. 2008
idt 2010, BFW
Stickstoff- Kohlenstoff-
Kreisläufe
idt 2010, BFW
Eine noch nicht hinreichend erklärte Diskrepanz:
Einerseits überschreiten die N-Einträge Critical Loads…
… andererseits herrscht in den
Waldbeständen Stickstoffmangel vor
Weiss et al. 1998, Schröder et al. 2008
idt 2010, BFW
N-Einträge überschreiten vielfach Critical Loads
0 500 1000 1500 2000
0 20 40 60
kg N/ha.a
m a.s.l.
CLO
Freiland
Kronendurchlass
idt 2010, BFW
Zunehmende N-Einträge führen zu zunehmenden N-Austrägen
0 500 1000 1500 2000
0 20 40 60
kg N/ha.a
m a.s.l.
CLO
30 15 0 Austrag (kg/ha.a)
Oberhalb von 10kg N/ha.a ist mit
Austrägen ins Grundwasser zu rechnen, 7-15kg sollen zur
Vermeidung der Sättigung nicht überschritten werden
idt 2010, BFW
N-Einträge zeigen – wie jene von S - ein Frühjahrsmaximum
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
1 21 41
w eek
kg N/ha.a
Achental
Level II (n=20)
Woche
idt 2010, BFW
NOx-Grenzwerte werden in Österreich noch immer überschritten
0 20 40 60 80 100
30 60 90 120 150 >150
ug NOx/m3
Prozent
alle Stationen
Ländliche Stationen
NOx-Jahresmittelwerte 1990-2008: n=1693 (alle) / n=481 (ländliche) Überschreitungen: 68,8% (alle) / 11,6% (ländliche)
Überschreitungen (>30 µgm-3)
Smidt 2010, BFW
Der Nebel trägt in höheren Lagen stark zur Gesamt-N-Deposition bei
0 5 10 15 20 25 30
m SH 1758 1280 920
Critical Load-Überschreitung
kg/ha.a Nebel
Kalina et al. 2002
idt 2010, BFW
N-Einträge in ländlichen Gebieten nehmen – ebenso wie die Emissionen - kaum ab
0 50 100 150 200
1990 1995 2000 2005 2010
ug/m3 bzw. kg N/ha.a
0 50 100 150 200
1000 Tonnen
NOx N-Eintrag NOx-Emissionen
Smidt 2010, BFW
Das BIN zeigt: Die Versorgung mit N ist unzureichend und verschlechtert sich
Grundnetz (n=319) www.bioindikatornetz.at
1,20 1,22 1,24 1,26 1,28 1,30 1,32 1,34 1,36 1,38 1,40 1,42
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
ausreichend:
1,5 %
BIN: Österreichisches Bioindikatornetz
idt 2010, BFW
Talflanken in den Nordtiroler Kalkalpen sind durch N-Einträge am stärksten gefährdet
Knoflacher & Loibl 1998
idt 2010, BFW
Stofffluss-Schema
Smidt 2010, BFW
Die Bilanzierung Stickstoff-Flüsse erfordert u.a.
Bodenwasser-Daten
• 2.jpg
MODELLE
TRACE (N-Zyklus) PICUS (N, Wasser)
HYDRUS (Wasser) PnET-DNDC (N-Zyklus)
Schneelysimeter NBM
idt 2010, BFW
Ein Bodenerwärmungsexperiment ist nur mit großem apparativen Aufwand möglich
Bodenerwärmung um 4°C Referenz
idt 2010, BFW
Achenkirch: Standort für EU-Projekte zur
Ermittlung der Emissionen von N2O, NOx, CO2 aus dem Waldboden
NOFRETETE NITREUROPE
idt 2010, BFW
Die Modellierung zeigt: Eine Temperaturerhöhung hat großen Einfluss auf den N-Output
+3°C
18 9 36
18
kg N/ha.a
Jandl et al. 2008
idt 2010, BFW
Die Modellierung zeigt: Eine Temperaturerhöhung hat großen Einfluss auf den N-Output
• Erhöhte mikrobielle Aktivität
• deutliche Steigerung der N
2O Ausgasung
• deutliche Steigerung des NO
3-Leachings (auch durch erhöhten N-Eintrag)
• Zunahme der Baumarten Tanne und Buche, Abnahme der Fichte
(die Biomasse bleibt annähernd gleich wegen erhöhter Baummortalität)
Jandl et al. 2008
Smidt 2010, BFW
Die Bodenerwärmung steigert die Ausgasung von Lachgas
Schindlbacher et al. 2007, 2008
Smidt 2010, BFW
Die Bodenerwärmung steigert die Ausgasung von Kohlendioxid
Eine Temperaturerhöhung um + 4°C erzeugte am Standort
Mühleggerköpfl 2,8 t CO2-C/ha p.a. (+ 45% gegenüber Blindversuch)
Schindlbacher et al. 2007, 2008
idt 2010, BFW
• Winterliche CO2-Emissionen unter der Schneedecke machen rund 12 % der Jahresemissionen aus
• Der Beitrag der Wurzelatmung zur gesamten Bodenatmung schwankte im Winter zwischen 13% und 50%.
Auch im Winter setzt der Waldboden beträchtliche Mengen an CO2 frei
Schindlbacher et al. 2007
idt 2010, BFW
www.luftschadstoffe.at
Smidt 2010, BFW
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Vera Borek (Prinzessinnendramen, Volkstheater)
idt 2010, BFW
Literatur
(Auszug aus über 600 Publikationen und 20 Sammelbänden)
Bolhar-Nordenkampf H. (Hrsg.) 1989. Stressphysiologische Ökosystemforschung Höhenprofil Zillertal. Phyton 29 (3).
Smidt S., Herman F., Grill D., Guttenberger H. (eds.) 1994. Studies of Ecosystems in the Limestone Alps - “Achenkirch Altitude Profiles” (Phyllosphere). Sonderband Phyton 34 (3); 192 Seiten
(14 Beiträge).
Smidt S., Herman F., Grill D., Guttenberger H. (eds.) 1996. Studies of Ecosystems in the Limestone Alps - “Achenkirch Altitude Profiles” (Rhizosphere). 300 Seiten (20 Beiträge). Sonderband Phyton 36 (4).
Herman F., Lütz C., Smidt S. 1998. Pollution-related stress factors for forest ecosystems - results of long-term Austrian field experiment. Environ. Sci. & Pollut. Res. Special Issue 1.
Smidt S., Herman F., Englisch M. 2002. Nitrogen fluxes on an intensive investigation plot in the North Tyrolean Limestone Alps. Environ. Sci. & Pollut. Res., Special Issue 2.
Smidt S., Herman F. 2003. Evaluation of Air Pollution-Related Risks for Austrian Mountain Forests.
Environmental Pollution 130, 99-112.
Schindlbacher A., Zechmeister-Boltenstern S., Glatzel G., Jandl R. 2007. Winter soil respiration from an Austrian mountain forest. Agricultural and Forest Meteorology, 146, 205-215.
Jandl R., Herman F., Smidt S., Butterbach-Bahl K., Englisch M., Katzensteiner K., Lexer M., Strebl F., Zechmeister-Boltenstern S. 2008. Modelling of nitrogen dynamics in an Alpine forest ecosystem on calcareous soils: A scenario-based risk assessment under changing environmental conditions.
Environmental Pollution 155, 512-516.
Schindlbacher A., Zechmeister-Boltenstern S., Jandl R. 2009: Carbon losses due to soil warming.
Global Change Biology 15, 901-913.
Zusammenfassung und Literaturlist bis 2008: Smidt S., Herman F., Plattner J., Pausch J. 2008. 20 Jahre immissionsökologische Forschung am BFW. BFW-Dokumentation 9. Diese Zusammenfassung enthält die in den Folien zitierte Literatur.
