Bericht zum Interreg IIIa EU-Projekt "Säureinduziertes Puffervermögen von Böden"

Transkript

1 Bayerisches Landesamt für Umwelt Bodenschutz Bericht zum Interreg IIIa EU-Projekt "Säureinduziertes Puffervermögen von Böden" Impressum Herausgeber: Bayerisches Landesamt für Umwelt Hans-Högn-Str Hof/Saale Behörde im Geschäftsbereich des bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit Bearbeitung/Text/Konzept: T. Scheel, B. Schilling, T. Zuber, M. Joneck, E. Hangen, M. Wittenbecher. Bayerisches Landesamt für Umwelt, Hof, 2009 Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck und Wiedergabe auch auszugsweise nur mit Genehmigung des Herausgebers.

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 2 1 Einleitung Rahmenbedingungen Ausgangsituation 3 2 Zielsetzung 3 3 Material und Methoden 4 4 Ergebnisse 5 5 Schlussfolgerungen und Empfehlungen 5 Literatur 6 2 von 6 Seiten

3 Einleitung 1.1 Rahmenbedingungen Das EU-Projekt Säureinduziertes Puffervermögen von Böden wurde am durch das damalige Bayerische Geologische Landesamt, jetzt Landesamt für Umwelt (LfU), beantragt und am durch das Bayerische Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz für die Laufzeit vom bis bewilligt. Hauptziel des Projektes war die Ermittlung der aktuellen Pufferkapazität der Böden im nördlichen EFRE-Fördergebiet (Ziel 2) sowie der Critical Loads für Säureeinträge. Die übrigen Ziele sind in den Kapiteln 1.3 und 3 dieses Berichts ausführlich dargestellt. 1.2 Ausgangsituation Im Zuge der Industrialisierung stiegen die Emissionen von Stickstoff und Schwefel bis in die 80er Jahre des letzten Jahrhunderts in Mitteleuropa stark an. Durch den Einsatz von Rauchgasentschwefelungsanlagen konnten seitdem die Immissionen von Schwefel sehr stark reduziert werden, wohingegen sich die Stickstoffimmissionen weiterhin auf hohem Niveau befinden und zur Versauerung der Wälder beitragen. Die Höhe von Säureeinträgen in ein Ökosystem über die Luft ist grundsätzlich abhängig von der Nähe zu Emittenten, der vorherrschenden Windrichtung und den Rezeptoreigenschaften der Ökosysteme. Die Grundgebirgskette im Grenzgebiet Nordostbayern/Tschechien stellt in diesem Zusammenhang eine topographische Barriere für ferntransportierte Schadstoffe dar. Die mit Fichten bestockten Hochlagen des Fichtelgebirges, Frankenwaldes, Böhmerwaldes und Bayerischen Waldes kämmten über mehrere Jahrzehnte hinweg die vorwiegend bei der Braunkohleverstromung emittierten Schadstoffe, insbesondere Schwefeldioxid und Stickoxide, ganzjährig aus der Luft aus. Von den Nadeln wurden die Schadstoffe mit dem Regen als Schwefel- bzw. Salpetersäure abgewaschen und gelangten auf diesem Wege sowie über den Abbau der Nadelstreu in die Böden. Die Böden selbst entwickelten sich fast ausschließlich aus basenarmen Ausgangssubstraten wie Granit, Grauwacke, Gneis oder tertiären Sanden und besitzen daher nur geringes Puffervermögen gegenüber den eingetragenen Säuren. Trotz der seit Beginn der 1990er Jahre insgesamt zurückgehenden Immissionen von Säurebildnern zeigen die Sickerwässer und Oberflächenwässer der Region nachhaltige Versauerungserscheinungen und erhöhte Schadstoffkonzentrationen, was u.a. aus den Ergebnissen des Projekts Wissenschaftliche Grundlagen für den Vollzug der Bodenschutzgesetze in Bayern (GRABEN) hervorging. Im bayernweiten Vergleich weisen die Waldauflagen der Böden Nordostbayerns die niedrigsten ph- Werte von flächendeckend bis < ph 4 auf, was auf das Ausmaß der Versauerung hindeutet (BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT, 2008). Die Folgen der Bodenversauerung werden als Schäden am Baumbestand und als Beeinträchtigung der Grundwasserqualität und der Qualität der Fließgewässer deutlich: Durch Aluminium, das bei niedrigen ph-werten als dominierendes Kation in der Bodenlösung auftritt, kann es zu Schäden an Feinwurzeln kommen, wodurch die Nährstoffversorgung der Bäume beeinträchtigt wird. Daneben sind viele Schwermetalle bei niedrigen ph-werten mobil, was eine Beeinträchtigung der Grundwasserqualität infolge fortschreitender Versauerung bedeuten kann. 2 Zielsetzung Im Zuge des Projektes Säureinduziertes Puffervermögen von Böden sollte im bayerischen Grenzgebiet zur Tschechischen Republik das Ausmaß der Versauerung quantifiziert und das Puffervermögen der Böden abgeschätzt werden. Mit diesem Projekt wurden in enger Kooperation mit dem tschechischen Partner, der tschechischen landwirtschaftlichen Überwachungs- und Prüfanstalt in Brünn (UKZUZ), die wissenschaftlichen Grundlagen für eine umfassende Bewertung des Grades der Versauerung der Böden im bayerisch-tschechischen Grenzraum geschaffen. In diesem Rahmen wurde erstmalig großflächig die Säureneutralisationskapazität von Waldböden für jeden Horizont bestimmt. In Kombination mit einer detaillierten Berechnung der Critical Loads und einer daraus abgeleiteten Überschreitung der kompensierbaren sauren Deposition, ermöglicht diese eine genaue Bodenzustandsbeschreibung. Ergänzt wurde dies durch eine Bestimmung der in den Böden gespeicherten Sulfatvorräte, welche remobilisiert werden und zukünftig zu einer anhaltenden Versauerung beitragen können. 3 von 6 Seiten

4 Darüber hinaus wurde versucht abzuschätzen, wie hoch die Stoffausträge aus dem Boden sein können. Um Aussagen zu der Verwitterungsintensität in den Böden zu bekommen, wurde in Ergänzung zu den vorhandenen Daten aus dem Projekt Wissenschaftliche Grundlagen für den Vollzug der Bodenschutzgesetze (GRABEN) Untersuchungen zum Beispiel Eisenoxalat- und dithionitgehalten durchgeführt. 3 Material und Methoden Das Untersuchungsgebiet umfasst den nördlichen Teil des bayerischen INTERREG IIIA-Gebietes. Es erstreckt sich von den Landkreisen Kronach und Hof im Norden bis Schwandorf im Süden. Um die Auswirkungen aktueller Schadstoffdepositionen auf die Ökosysteme abschätzen und Handlungsempfehlungen zur Verbesserung ihrer Stabilität und ihres Zustandes geben zu können, wurden für das Untersuchungsgebiet flächenhaft die Critical Loads bestimmt. Unter Critical Loads versteht man flächenbezogene Schwellenwerte für den Eintrag von Schadstoffen, bei deren Einhaltung nach heutigem Kenntnisstand nicht mit langfristig schädlichen Veränderungen der betrachteten Ökosysteme zu rechnen ist. Um die aktuelle ökologische Stabilität des durch Säureimmissionen stark belasteten bayerisch-tschechischen Grenzgebietes zu bewerten, wurde in diesem Projekt eine flächenhafte Erfassung der versauerungsrelevanten Parameter der Böden durchgeführt. An Proben von 91 Nadelwaldstandorten des nördlichen INTERREG IIIA-Gebiets in Bayern wurden horizontspezifisch versauerungsrelevante Parameter, wie die Säureneutralisationskapazität (SNK) mittels phstat-analyse, die effektive Kationenaustauschkapazität (KAK eff ), wasserlösliche Stoffe (S4-Extrakt) und deren säureinduzierte Freisetzung (phstat-eluat) bestimmt. Bei den Projektarbeiten konnte auf 519 Rückstellproben des GRABEN-Projekts zurückgegriffen werden, wodurch nicht nur eine aufwendige Probenahme entfallen konnte, sondern bereits detaillierte Profilbeschreibungen und Analysenergebnisse vorlagen. Die Bodenproben wurden zum größten Teil in den Labors der LfU-Dienststelle Marktredwitz analysiert, wo auch die Qualitätssicherungsmaßnahmen durchgeführt wurden. Zur Abschätzung des im Boden gespeicherten Sulfats wurden weitere Analysen an den 519 Proben des Untersuchungsgebietes durchgeführt. Mittels NH 4 F-Extrakt wurde der total mobilisierbare Sulfatvorrat in den verschiedenen Horizonten bestimmt. Zudem wurde die Mobilität und die Stärke der Bindung der Metallkationen Aluminium und Eisen durch Bestimmung ihrer oxalat- und dithionitlöslichen Anteile ermittelt. Die Berechnung der Critical Loads erfolgte nach den Vorgaben des Mapping Manuals des Umweltbundesamtes (UBA, 1996). Mit dieser Datengrundlage war es möglich, die aktuelle Versauerung, die potenzielle Sulfatfreisetzung aus dem Boden und das Puffervermögen der Böden gegenüber zukünftigen Säureeinträgen sowie die damit verbundene mögliche Mobilisierung von Schadstoffen flächendeckend abzuschätzen. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgte über deskriptive Statistik. Die kartografische Darstellung ihrer räumlichen Verteilungen diente der besseren Überschaubarkeit und Handhabung der tabellarischen Auswertung. Zunächst wurden die Analysedaten nach LABO (2003) in die Horizontgruppen Auflage, Oberboden, Unterboden und Untergrund aggregiert. Die aggregierten Punktdaten der einzelnen Parameter wurden mittels Kriging regionalisiert. Aufgrund des starken Substratbezugs wurden die Messergebnisse der Säureneutralisationskapazität nicht direkt über Kriging in die Fläche gebracht, sondern mit Hilfe einer multiplen linearen Regression für die jeweiligen Substrate flächenhaft dargestellt. 4 von 6 Seiten

5 4 Ergebnisse Für das gesamte Untersuchungsgebiet wurden sowohl die Critical Loads für saure Stickstoff- als auch Schwefeleinträge berechnet. Über die Critical Load Funktion wurden die Überschreitungen der Critical Loads durch saure Stickstoff- und Schwefeleinträge ermittelt. Die aktuellen Depositionen von Stickstoff und Schwefel liegen für einen großen Teil des Gebietes noch über den errechneten Critical Loads. Dabei deutet sich jedoch an, dass das geringste Puffervermögen für die Stoffeinträge sich im Raum des ostbayerischen Bruchschollengebiets befindet, also auf der Linie Kronach-Kulmbach-Bayreuth-Amberg. Im östlich davon gelegenen Grundgebirge sind die Critical Loads schon deutlich höher, während die höchsten Stoffeinträge am westlichen Projektgebiet auf den basischen Ausgangsgesteinen des Fränkischen Juras abgepuffert werden können. Ergänzend zu diesen vorläufigen Ergebnissen werden die Critical Loads erneut bestimmt, da mittlerweile qualitativ deutlich höherwertige Daten für das Untersuchungsgebiet vorliegen. Diese erweiterten Ergebnisse werden im Rahmen eines weiteren Projektes (Interreg IVa Auswirkungen von Versauerung auf Grundwasser und Boden) als Gesamtabbildung für den ostbayerischen Raum dargestellt. An allen 519 Proben der 91 Standorte wurde der zeitliche Verlauf der Pufferung über 24 Stunden aufgenommen um das aktuelle Puffervermögen der Böden zu bestimmen. Die Säureneutralisationskapazität zeigte deutlich niedrigere Werte in der Auflage und im Oberboden im Vergleich zu den darunter liegenden mineralischen Horizonten. Dies spiegelt den Eintrag von Säurebildnern über die Atmosphäre wider. Die höhere Deposition wird vor allem in Bereichen des Frankenwaldes und des Oberpfälzer Waldes deutlich. Hier sind tendenziell geringere Säureneutralisationskapazitäten zu verzeichnen als im übrigen Untersuchungsgebiet. Die Gefahr einer übermäßigen säureinduzierten Schwermetall- und Nährstofffreisetzung scheint nur in wenigen Fällen gegeben. Toxische Effekte durch erhöhte Aluminiumkonzentrationen können dagegen nicht generell ausgeschlossen werden. An Standorten mit anhaltendem Eintrag von Säurebildnern können erhöhte Aluminiumkonzentrationen in der Bodenlösung evtl. sogar toxische Größenordnungen erreichen. Eine präzise Schätzung des zukünftigen Stoffeintrags ins Grundwasser setzt Stofftransportmodelle voraus, die eine breitere Datenbasis erfordern. Mittels oxalat- und dithionitlöslicher Metallgehalte und den identifizierten Sulfatpools im Boden wurde gezeigt, dass trotz rückläufiger saurer Deposition, mit einer weiter anhaltenden Versauerung gerechnet werden muss. Besonders im Gebiet Frankenwald und Oberpfälzer Wald sind im Unterboden noch große Mengen an Sulfat gespeichert, welche über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden können. Die Projektergebnisse stehen in tabellarischer Form und auch in ausgewählten thematischen Karten am Bayerischen Landesamt für Umwelt zur Verfügung. Als Gesamtdarstellung für den ostbayerischen Raum sollen sie nach Abschluss des Projektes Auswirkungen der Versauerung auf Grundwasser und Böden publiziert werden. 5 Schlussfolgerungen und Empfehlungen Die Untersuchungen haben gezeigt, dass weitere Bemühungen zur Reduktion von atmosphärischen Säurebildnern wie SO 2 und vor allem NO x erforderlich sind, um einer weiteren Zunahme der Versauerung in Teilen des Untersuchungsgebiets zu begegnen. Der Nordosten Bayerns zählt zu den Gebieten mit den höchsten Säureeinträgen. Ein großer Teil der Böden dieses Gebiets reagiert bereits von Natur aus besonders empfindlich auf zusätzliche Säureeinträge. Somit sollte hier nun die Entwicklung von notwendigen Anpassungsstrategien im Vordergrund stehen. Die sicherlich tiefgreifendste Maßnahme wäre ein Waldumbau auf artenreiche, vor allem tiefwurzelnde Mischbestände. Ein weiterer Baustein wäre eine Anpassung der Nutzungsintensität der Flächen wie die Reduzierung des Biomasseentzugs und die Vermeidung von Kahlschlägen. 5 von 6 Seiten

6 Literatur UBA (1996): Manual on Methodologies and Criteria for Mapping Critical Levels/Loads and geographical areas where they are exceeded. UBA-Texte 71/96. [ BAYERISCHES STAATSMINISTERIUM FÜR ERNÄHRUNG, LANDWIRTSCHAFT UND FORSTEN (2008): Waldzustandsbericht 2008, Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, München. LABO (BUND/LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT BODENSCHUTZ) (2003): Hintergrundwerte für anorganische und organische Stoffe in Böden. Beschlussfassung der 33. StäA4-Sitzung. 29./ S. und Anhang. 111 S. BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT (2008): Bodenversauerung in Bayern. UmweltSpezial 90 S., Augsburg. 6 von 6 Seiten