Stickstoffretention in großen Flüssen

Transkript

1 Stickstoffretention in großen Flüssen Eine Ökosystemleistung!? Stephanie Ritz Dr. Helmut Fischer

2 Anthropogen verursacht Weltweiter Stickstoffüberschuss Atmosphäre Land Ozean Flüsse Gruber & Galloway 2008

3 N-Eintrag durch Fließgewässer Elbe 80% der N-Einträge in die deutsche Küstenzone sind anthropogenen Ursprungs (ARGE BLMP, 2011) N ist (neben Licht) Hauptlimitierungsfaktor des Phytoplanktons in der Nordsee (OSPAR Commission, 2009) Ems Weser Eine weitere Reduktion der N Einträge ist anzustreben 2,8 mg N/L BLANO, 2012

4 N-Kreislauf temp. Retention temporäre Speicherung: In Biomasse In Sedimenten N bleibt im System OSPAR Report (2008): vs. Eliminierung dauerhafte Entfernung: Denitrifikation N 2 Wasser N -Org Biomasseaufbau Mineralisierung DIN NH 4 + NO 3 - NO 3- NO 2- N 2 O Denitrifikation Sedimentation/ Adsorption Resuspension/ Rücklösung Adsorption Rücklösung Sediment

5 Denitrifikation Denitrifikation = mikrobielle Oxidation von org. Material durch fakultativ anaerobe Bakterien Benötigt werden: suboxischebedingungen (<2,2 mg O 2 L -1 ) Org. C (Elektronendonor) & Nitrat (Elektronenakzeptor) Denitrification system types: Flüsse: Kontaktfläche Sediment / Wasser hyporheische Strömung Hochwasser/periodisch überschwemmte Ufer Grafik aus Seitzinger et al. (2006)

6 Denitrifikationin Flüssen > kg N km -2 yr -1 (z.b.: Sjodinet al. 1997, Yan et al. 2004, Pribylet al. 2005) Denitrification rate (kg N km -2 yr -1 ) < kg N km -2 yr -1 (z.b.: Richardson 2004, Pribylet al. 2005, Solomon 2009) Hohe flächenbezogene Denitrifikationsleistung in Flüssen Hohe Variabilität in den Abschätzungen Grafik aus Seitzinger et al. (2006)

7 großevs. kleineflüsse Kleine Flüsse entfernen einen größeren Anteil(%) der N-Einträge größeres Verhältnis Flusssohle : Wasservolumen Große Flüsse entfernen einen höheren absolutenbetrag (Masse/Fläche) meist höhere N-Konzentrationen breiter (mehr Fläche pro Abschnitt) Aber: kaum empirische Daten von großen Flüssen Grafik aus Seitzinger et al. (2002)

8 Beispiel Elbe Die Elbe Einzugsgebiet: km 2 Gesamtlänge: km Untersuchungsraum: frei fließender deutscher Abschnitt (Elbe-km 4 582) Geesthacht (km 582) Chlorophyll-a [%] Nährstoffentwicklung im Längsverlauf: Elbe-km ortho-po 4 -P, SiO 2 -Si, NO 3 -N [%] Chl-a NO 3 -N SiO 2 -Si PO 4 -P Denitrifikation? Schmilka(km 4) Mittelwerte von 4 fließzeitkonformen Probenahmen Werte bei Elbe-km 0 = 100%. Was tragen große Flüsse zur N-Eliminierung bei?

9 hohe mikrobielle Aktivität im Flussbett Sedimente the river s liver Unbekannter Austausch zwischen Wassersäule und Flussbett Ungleiche Verteilung der mikrobiellen Aktivität Fischer et al. (2005) Messung isolierter Sedimentproben ist u.u. nicht ausreichend

10 Freiwassermethoden Messung der N-Retention bzw. Denitrifikation auf Flussabschnittsskala und unter in-situ Bedingungen Stoffbilanz Quantifizierung von Netto-Gewinnen / Verlusten (von N und Chlorophyll a) Messung der N 2 - Übersättigung Berechnung von Denitrifikationsraten

11 Probenahme 4 fließzeitkonforme Beprobungen August und Mai ( ) Strecke ~ 580 km Fließzeit ~ 7 Tage Beprobung in 12 h Intervallen (6:00 & 18:00) Probenahmestellen: Elbe (je rechts, Mitte, links) 4 Hauptnebenflüsse 6 größte Kläranlagen

12 Stoffbilanz Möglichst vollständige Beprobung aller wichtigen Einträge im Flussverlauf: Eintrag stromauf = theoretischer Austrag ohne flussinternen Umsatz Umsatz gemessener Austrag [mg N m -2 h -1 ] NO 3 -N Retention TN Retention [mg N m -2 h -1 ] 08/11 05/12 08/12 08/13 08/11 05/12 08/12 08/ Gesamtretention Geschätzte Anteile von: Assimilation Denitrifikation Sedimentation

13 Messung der in-situ N 2 Übersättigung 1) Messungen hoher Präzision erforderlich! Membrane Inlet Mass Spectrometry: MIMS 2) Atmosphärischer Austausch Berechnung über empirische Gleichungen aus der Literatur Ergebnisse: Abschnitt Denitrifikation (mg/m 2 *h) August 2011 Mai 2012 August 2013 km ,0 ± 6,3 24,0 ± 9,5 48,2 ± 23,8 km ,2 ± 12,0 8,4 ± 8,4 23,1 ± 25,1 km ,5 ± 11,0 7,0 ± 13,1 27,8 ± 25,3

14 Denitrifikationin der Elbe Denitrifikation in der Elbe: kg N km -2 yr -1 * Denitrification rate (kg N km -2 yr -1 ) * unter Berücksichtigung des jährlichen Temperaturverlaufs mit Q 10 =2 Die Elbe weist (im Frühjahr/Sommer) eine vergleichsweise hohe Denitrifikationsleistung auf

15 monetärer Wert der Denitrifikation Nährstoffumsatz/Denitrifikation als integrale Funktion von Fließgewässern ist eine Ökosystem(dienst)leistung Die Elbe (km 4-582) entfernt jährlich ca t N * Kosten für alternative Leistungen in Kläranlagen / Landwirtschaft 1,9-4 / 6 pro kg N (Nitrolimit 2013, Born et al. 2012) Die Denitrifikationsleistung der Elbe ist somit mindestens Mio. pro Jahr wert *Bei einer Retentionsleistung von kg N km -2 y -1 und einer Fläche der Elbe von ca. 95 km 2 (km 4-582)

16 Übertragbarkeit empirischer Daten Flussinterner Stoffumsatz ist abhängig von der Höhe der Einträge Stoffumsatzraten (Masse/Zeit) Grad der Belastung mit Nährstoffen oder Kohlenstoff Ein sauberer Fluss kann also keine sehr hohen totalen Umsatzraten erbringen... Grafik nach Gückeret al. 2006, Haggard et al. 2005

17 Übertragbarkeit empirischer Daten... Ein sauberer Fluss ist aber effizienter! Frachtspezifischer Stoffumsatz (%) ABER: Grad der Belastung mit Nährstoffen oder Kohlenstoff Diese Zusammenhänge sind stark vereinfacht. Bei einer vorliegenden N-oder C-Limitierung kann eine Zunahme der entsprechenden Einträge die Effizienz zunächst erhöhen. Grafik nach Gückeret al. 2006, Mulhollandet al. 2008

18 Übertragbarkeit empirischer Daten Der Stoffumsatz ist zudem von der Flussmorphologie abhängig. Sumpf/Mars chland Pool/Riffle Mäander begradigt Eine komplexe Flussmorphologie erhöht die Retentionsleistung Gücker& Boechat 2003

19 Zusammenfassung In der Elbe während der Vegetationsperiode: 1) Eine hohe TN Retention von 16-39% findet statt 2) Die in-situ Denitrifikationsraten entsprechen der TN Retention Die jährliche Denitrifikationsleistung der Elbe (km 4-582) beträgt ca t N y -1. Äquivalente Kosten pro Jahr: Kläranlagen Mio. / Landwirtschaft 60 Mio. Die Denitrifikation unterliegt vielen Einflussfaktoren, was eine einfache Übertragung von empirischen Daten auf andere Systeme erschwert. Fazit: Große Flüsse können massiv zur N-Eliminierung beitragen. Dennoch übersteigen die derzeitigen N-Frachten die Selbstreinigungskraft der Gewässer.

20 Vielen Dank WSA Dresden WSA Lauenburg Dagmar Steubing, Franz Leiendecker, Dr. Carsten Viergutz UFZ Magdeburg Dr. Kirstin Dähnke für die Aufmerksamkeit

21 Literatur ARGE BLMP (2011): Konzept zur Ableitung von Nährstoffreduzierungszielen in den Flussgebieten Ems, Weser, Elbe und Eider aufgrund von Anforderungen an den ökologischen Zustand der Küstengewässer gemäß Wasserrahmenrichtlinie. Behrendt H, Bach M, Kunkel R, et al (2003): Internationale Harmonisierung der Quantifizierung von Nährstoffeinträgen aus diffusen und punktuellen Quellen in die Oberflächengewässer Deutschlands. Born W, Meyer V, Scholz M, et al (2012): Ökonomische Bewertung von Ökosystemfunktionen in Flussauen. Ökosystemfunktionen von Flussauen. pp Fischer H, Kloep F, Wilzcek S, Pusch MT (2005): A river s liver- microbial processes within the hyporheic zone of a large lowland river. Biogeochemistry 76: LAWA-AO (2014): Empfehlung zur Übertragung flussbürtiger, meeresökologischer Reduzierungsziele ins Binnenland. LAWA-Arbeitsprogramm Flussgebietsbewirtschaftung Produktdatenblatt WRRL Nitrolimit (2013): Maßnahmen zur Reduktion der Nährsroffeinträge in urbanen Gewässern - Diskussionspapier Band 2 OSPAR Commission(2009): EutrophicationStatus oftheospar Maritime Area -Second OSPAR Integrated Report SeitzingerS, Harrison JA, BoehlkeJK, et al (2006): Denitrification acrosslandscapesandwaterscapes: A synthesis. Ecological Applications 16: