Nationalparkverwaltung
Bayerischer Wald

Forschung im Nationalpark Bayerischer Wald

Integriertes Ökosystemmonitoring

Fotomontage Ökosystemmonitoring (Fotos: NPV)

Laufzeit: seit Januar 1990 (Verwaltungsvereinbarung mit dem Umweltbundesamt)
Projektbearbeiter: Burkhard Beudert, externe Wissenschaftler
Projektleiter: Burkhard Beudert

Im Forellenbachgebiet (69 ha) des Nationalparks wird seit 1990 das „Integrierte Ökosystem-Monitoring“ durchgeführt. Es ist Teil des "International Cooperative Programme on Integrated Monitoring of Air Pollution Effects on Ecosystems (      ICP IM)", das als medienübergreifender Beobachtungsansatz bereits Ende der 1980er Jahre unter dem Dach der Genfer Luftreinhaltung (      CLRTAP) begründet worden war. Ziel dieses Kooperationsprogramms ist die laufende Beobachtung und Erfassung des Zustands von Ökosystemen, um Veränderungen in ihren Lebensgemeinschaften und in ihrem Stoffhaushalt infolge von Schadstoff- und Nährstoffeinträgen aus der Atmosphäre und von Klimaänderungen frühzeitig erkennen zu können.

Als ökosystemare Umweltbeobachtung ist Integriertes Monitoring auf Strukturen, Funktionen und Prozesse in den zu beobachtenden Systemen und Teilsystemen ausgerichtet. Es muß einen ganzheitlichen Ansatz realisieren, der alle Umweltmedien umfasst, um den Zustand des Naturhaushaltes und seine Veränderungen erfassen zu können. Es muss zudem als langfristige Beobachtung der physikalischen, chemischen und biologischen Umwelt auf derselben Fläche im selben Zeitraum ausgelegt sein, um Ursache-Wirkungs-Beziehungen unter Freilandbedingungen identifizieren zu können.

Konzeptionell werden verschiedene       Forschungsansätze bzw. Forschungsbereiche realisiert, die einen unterschiedlichen räumlichen Bezug aufweisen und über räumliche und/oder stoffliche Schnittstellen miteinander verknüpft werden können:

a) Wassereinzugsgebietsstudie (Wasser- und Stoffhaushalt des Gebietes)
b) Ökosystemkompartimentmodell (Gase in der Umgebungsluft, Wasser- und Stoffhaushalt auf Dauerbeobachtungsflächen)
c) Bioindikation und Biomonitoring (Inventurflächen, repräsentative Dauerbeobachtungsflächen).

Die Nationalparkverwaltung realisiert die Untersuchungsprogramme nach international abgestimmten Methoden und Verfahren im Rahmen einer Verwaltungsvereinbarung mit dem       Umweltbundesamt

Die erhobenen Daten und Ergebnisse werden als Teil des deutschen Beitrags an das internationale Programmzentrum berichtet und werden über die Working Group on Effects (      WGE) in politische Entscheidungsprozesse unter dem Dach der Genfer Luftreinhaltekonvention eingebracht. Die langen Zeitreihen gehen in Auswertungen mit nationalem und internationalem Bezug ein und werden für aktuelle Fragestellungen des Nationalparks und des Umweltbundesamtes genutzt. Über diese Zwecke hinaus werden Messplätze und Logistik des Integrierten Monitorings für spezielle Untersuchungsansätze externer Forschergruppen genutzt.

Thematische Schwerpunkte

Eutrophierung durch Stickstoffeinträge aus der Atmosphäre

Die Deposition des reaktiven Stickstoffs erhält zunehmend größere Aufmerksamkeit, weil sie zur Eutrophierung der Lebensräume mit Veränderungen im Arteninventar der Bionzönosen und in der Biodiversität, zu Vitalitätsminderungen der Bäume durch unausgewogene Nährstoffversorgung und zur Befrachtung der Grundwässer mit Nitrat bei chronischer Übersättigung der Böden führt.

Wesentliches Handwerkszeug zur Risiskoabschätzung für Ökosysteme ist das Konzept der kritischen Stickstoffeinträge: werden die kritischen Einträge dauerhaft überschritten, ist zunehmend mit schädlichen Wirkungen im Ökosystem und mit nachteiligen Veränderungen der Ökosystemfunktionen zu rechnen. Seit Beginn der Messungen sind die Stickstoffeinträge in die Fichten- und Buchenwälder des Forellenbachgebiets um etwa ein Drittel auf 10 - 15 kg N/ha/a zurückgegangen. Sie entsprechen damit den berechneten standortsspezifischen und den empirischen kritischen Einträgen für die verschiedenen Rezeptorengruppen in diesen Wäldern. Flussbilanzen auf Bestandesebene lassen aktuell noch, trotz hoher Vorräte im Boden, ein intaktes, effektives Speichervermögen erkennen. Überschreitungen der kritischen Belastungen werden jedoch nur erkannt, wenn die Einträge als solche hinreichend genau quantifiziert werden können. Dies gelingt aufgrund der stofflichen Eigenschaften des Stickstoffs, seinem Auftreten in organischen und anorganischen Verbindungen, der vielfältigen Transportwege in verschiedenen physikalischen Phasen und seiner Umsetzungen in den Ökosystem-kompartimenten mit den vorhandenen Verfahren zur Messung nur unzureichend. Gegenwärtig werden daher orientierende Untersuchungen durchgeführt, um bisher im Untersuchungsgebiet nicht erfasste Depositionswege des reaktiven Stickstoffs zu beleuchten. Diese betreffen das Konzentrationsniveau im Wolken- und Nebelwasser, das von Baumkronen, aber auch niedrigerer Vegetation ausgekämmt wird.

Ozonwirkungen auf die Vitalität von Bäumen

Bodennahes Ozon ist gegenwärtig der physiologisch bedeutsamste direkt wirkende Luftschadstoff im Forellenbachgebiet. Aufgrund der Höhenlage und der geringeren optischen Dichte der Atmosphäre liegen günstige Bedingungen für die Bildung von Ozon vor, dessen Vorläufersubstanzen zum Teil aus dem Ferntransport hierher gelangen. Die maximalen Ozonkonzentrationen (1-Stunden-Mittel), die in der ersten Hälfte der 1990er Jahre noch weit oberhalb von 200 µg/m³ lagen, weisen einen abnehmenden Trend auf. Dagegen steigen die mittleren Ozonkonzentrationen wegen der steigenden Hintergrundbelastung mit Vorläufersubstanzen auf der Nordhalbkugel an.

Für Menschen wie Pflanzen gibt es äußerliche Beeinträchtigungen durch hohe Ozonkonzentrationen. Der bedeutsamere Wirkungspfad ist jedoch die Aufnahme über die Atemhöhle bzw. die Spaltöffnungen. Je stärker der Gaswechsel ist, desto größere Schadwirkungen in den inneren Geweben sind zu erwarten. Auf diesem Zusammenhang basiert der flussbasierte Ansatz der kritischen Ozonbelastung, bei dem der modellierte Wasserdampfgaswechsel mit den gemessenen Ozonkonzentrationen verknüpft wird. Der Schwellenwert für ozonempfindliche Bäume wie Buchen wird am Forellenbach chronisch und mehrfach überschritten, so dass ein klares Risiko für Zuwachseinbußen zwischen 10% und 20% besteht.

Gegenwärtig beteiligt sich das Integrierte Monitoring am Forellenbach an einer bayerischen       Projektkooperation zum Potential der Baumart Buche, mit den im Klimawandel zu erwartenden Verschärfungen bei Wasserversorgung und Ozonbelastung zurecht zu kommen.

Versauerung und Entsäuerung

Die Deposition von Sulfatschwefel in das Untersuchungsgebiet ist wegen der erfolgreichen Luftreinhaltepolitik beim Schwefeldioxid gegenüber 1992 um mehr als zwei Drittel zurück gegangen. Im Mineralboden resultierte daraus ein Rückgang der Konzentrationen von Sulfat- und Aluminiumionen in den Sickerwässern um mehr als 50%. Die ebenso verringerten Konzentrationen von Basenkationen und Nitrat deuten auf eine verbesserte Nährstoffaufnahme durch den Bestand hin. Die Stoffbilanzen ergaben bereits vor 1992 Nettoausträge für Sulfatschwefel auf Bestandesebene und ab 1995 für das Einzugsgebiet. Ein Teil der schwefelsauren Depositionen früherer Jahrzehnte wurde wahrscheinlich durch Bildung eines Speichers aus metastabilen Verbindungen im Boden gepuffert. Die Entsäuerung der Böden erfolgt seitdem über den Abbau dieses Speichers unter Freisetzung von Säure.

Die Entsäuerung der mineralischen Oberböden auf der Skala des Einzugsgebiets lässt sich am Chemismus des Forellenbachs ablesen, weil bei Hochwässern überwiegend oberflächennahes Bodenwasser aktiviert wird. Der Anstieg der pH - Minima von pH 4 auf pH 5 seit 1990 dokumentiert eine deutlich weniger starke episodische Versauerung des Baches, sodass geringere Aktivitäten physiologisch schädlicher bzw. toxischer Aluminiumionen vorliegen und die Biozönosen des Baches beeinträchtigen. Während der Entsäuerungsprozess im Mineralboden langsam in die Tiefe fortschreiten wird, ist er im Hinblick auf den Forellenbach insoweit abgeschlossen, als die schwefelbürtige Säure aktuell nicht mehr zur episodischen Gewässerversauerung bei Hochwasser beiträgt. Gelöste organische Säuren sind gegenwärtig die einzigen Substanzen, welche den pH – Wert bei Hochwasser kontrollieren. Abgesehen von möglichen Wirkungen des Klimawandels auf die Produktion und Qualität dieser organischen Säuren, ist diese Versauerung als natürlicher Prozess zu betrachten.

Literatur

Baumgarten, M., Huber, C., Büker, P., Emberson, L., Dietrich, H.-P., Nunn, A., Heerdt, C., Beudert, B., Matyssek, R., 2009: Are Bavarian Forests (Southern Germany) at risk from ground-level ozone? Assessment using exposure and flux based ozone indices. Environmental Pollution 157, pp. 2091-2107.

Beudert, B. und Breit, W., 2010: Untersuchungen zum Stickstoffeintrag und zum wassergebundenen Stickstoffhaushalt des Forellenbachgebiets. Fkz. 351 01 012 des Umweltbundesamtes; Nationalparkverwaltung Bayerischer Wald, Grafenau.

Beudert, B. und Breit, W., 2011: Hydrochemische Trends und Versauerungsmechanismen im Forellenbachgebiet. Fkz. 351 01 012 des Umweltbundesamtes; Nationalparkverwaltung Bayerischer Wald, Grafenau.

Bobbink, R. and Hetteling, J.-P., 2011: Review and revision of empirical critical loads and dose-response relationships. RIVM report: 680359002, Bilthoven, The Netherlands.

Dieffenbach-Fries, H. and Beudert, B., 2007. Using mass balances, bioindication, and modelling approaches to detect air pollution effects in a rapidly changing ecosystem: main results, in: Kleemola, S., Forsius, M. (eds.), 16th Annual Report 2007. International Cooperative Programme on Integrated Monitoring of Air Pollution Effects on Ecosystems. The Finish Environment 26/2007, Helsinki, pp. 68-81,       ISBN 978-952-11-2758-8