Immissionsmessungen mit Diffusionssammlern und Flechtenkartierungen im Zusammenhang mit dem Eintrag von Stickstoff in die Umwelt

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1 Immissionsmessungen mit Diffusionssammlern und Flechtenkartierungen im Zusammenhang mit dem Eintrag von Stickstoff in die Umwelt H. Bartholmeß, K. Schlottmann, W. Nobel Zusammenfassung Zur Ermittlung der Immissionskonzentrationen von NO, NO 2 und NH 3 sowie zum Nachweis ihrer Wirkungen auf die Umwelt wurden im Raum Nürtingen (südlich von Stuttgart) und bei Münsingen (Biosphärengebiet Schwäbische Alb) an sieben Standorten mit unterschiedlichen Nutzungs-, Siedlungs- und Verkehrsstrukturen Immissionsmessungen mit Diffusionssammlern (Passivsammler) und Kartierungen des Flechtenbestands durchgeführt. Ein weiteres Ziel war die Überprüfung der Anwendbarkeit dieser in der Praxis bewährten Verfahren für die zugrunde gelegten Fragestellungen: Höhe der Stickstoffbelastung in Verbindung mit ihrer Wirkung, Einfluss von Landwirtschaft, Verkehr, Siedlungsstruktur und Erfassung des Stickstoffeintrags in Schutzgebiete. Die Immissionskonzentrationen von NO, NO 2 und NH 3 wiesen deutliche Unterschiede in ihrer Höhe auf, die so auch aufgrund der Nutzungsstrukturen an den sieben Standorten erwartet wurden. Die nach VDI 3957 Blatt 13 ermittelte Luftgüte war an sechs Messstationen der Stufe 3 (mäßig), an einer Station der Stufe 2 (gering) zuzuordnen. Der Einfluss eutrophierender Luftverunreinigungen lag an allen Stationen auf der Stufe E5 (sehr hoch). Ein differenzierteres Bild ergab sich durch ergänzende Auswertungen der Kartierungsdaten. In der Tendenz zeigte sich insgesamt eine Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der Immissionsmessungen, der Flechtenkartierung und den Nutzungsstrukturen. Deutliche Hinweise auf die Bedeutung der NH 3 -Immissionsbelastung durch den Kfz-Verkehr bzw. durch die landwirtschaftliche Nutzung konnten aufgezeigt werden. Die Untersuchung bestätigte damit die Eignung von Diffusionssammlern für eine orientierende Überwachung von stickstoffhaltigen Immissionen. Zur Überwachung von Einträgen in Ökosysteme oder Großschutzgebiete wird eine Messung mit Diffusionssammlern in Verbindung mit einer Kartierung des Flechtenbestands empfohlen, damit neben wirkungsbezogenen Aussagen zur Luftgüte auch Immissionskonzentrationen für eine Beurteilung hinsichtlich der Immissionsgrenzwerte und zur Ursachenanalyse zur Verfügung stehen. Immission measurements with diffusive samplers and lichen mappings to show the impact of nitrogen in the environment and its effects Abstract To determine the ambient air concentration of NO, NO 2 and NH 3 as well as the immissions effects, immission measurements using diffusive samplers and lichen mappings were carried out at seven sites in the area of Nürtingen (south of Stuttgart) and nearby Münsingen (Biosphere reserve Swabian Alb) with different conditions in settlement structure, land use and road traffic in Another aim of the study was to test the applicability of these methods well-established in environmental monitoring with regard to the underlying questions impact of nitrogen, level of pollution and effects on the environment, influence of agriculture, road traffic and land use and determination of nitrogen impact in protected areas. As expected on the base of the local land use the ambient air concentrations of NO, NO 2 and NH 3 were quite different in their levels. At six sites the air quality was on level 3 (moderate), at one site on level 2 (low). The influence of eutrophicating pollutants was on level 5 (very high) at all sites. Differences in air quality at the seven sites were detected by a detailed interpretation of the mapping data. Generally, there was a good accordance between the results of the immission measurements, the lichen mappings and the local land use. Clear evidence of the importance of the ammonia load by road traffic and agricultural land use respectively could be pointed out. The study confirmed the suitability of diffusive samplers for an indicative monitoring of nitrogenous immissions. For monitoring the impact of nitrogen in ecosystems or biosphere reserve areas both methods diffusive samplers and lichen mappings are recommended. Thus, besides effect-based information about air quality, immission concentrations for an assessment regarding limiting values and for a causal analysis are on hand. 1 Einführung Seit Ende der 1980er Jahre ist parallel zu den deutlich abnehmenden Konzentrationen von Schwefeldioxid (SO 2 ) in der Luft zunehmend der Einfluss stickstoffhaltiger Luftverunreinigungen in der Umwelt feststellbar. Stickstoffverbindungen werden als mengenmäßig bedeutsame Luftschadstoffe zum einen als Stickstoffoxide (NO x ) meist aus Verbren- Dr. Harald Bartholmeß, Stuttgart. Kathrin Schlottmann M. Eng.; Prof. Dr. Willfried Nobel, Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Nürtingen- Geislingen (HfWU). nungsprozessen (einschließlich Verbrennungsmotoren) emittiert. Sie ent stehen auch in der Landwirtschaft beim Landbau, vor allem aber bei der Tierhaltung, in Form von Ammoniak (NH 3 ), das überwiegend aus biologischen Umsetzungs- und Abbauvorgängen und reduktiven Prozessen stammt. Außerdem entsteht NH 3 zunehmend auch durch den Kfz-Verkehr [1; 2]. Sowohl NO x als auch NH 3 können direkt zu akuten und chronischen Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit führen. Darüber hinaus sind diese Gase an wichtigen luftchemischen Reaktionen wie der Ozonbildung (durch Stickstoffmonoxid, NO) und der sekundären Bildung von Aerosolen (durch NO 2 und NH 3 ) beteiligt. Weiterhin tragen sie zur Versauerung des Bodens bei, sie belasten nährstoffarme naturnahe Flächen mit Stickstoff und gefährden damit z. B. Moore und Magerrasen. Ammoniak kann in unmittelbarer Nähe von Betrieben mit intensiver Tierhaltung zu Schäden an Pflanzenbeständen oder Wäldern führen. Außerdem wirkt es indirekt klimaschädigend, weil ca. 2 % des einge - 165

2 166 Bild 1. Untersuchungen zum Eintrag von Stickstoff in die Umwelt; Lage der sieben Messpunkte. MP 1: Münsingen-Beutenlay/Biosphärengebiet Schwäbische Alb/ländlicher Raum; MP 2: Hofgut der HfWU Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Nürtingen-Geislingen Tachenhausen/ländlicher Raum/Einfluss durch Stallungen; MP 3: Autobahn A 8 bei Tachenhausen; MP 4: Nürtingen-Braike/Lage am Stadtrand; MP 5: Nürtingen Bahnhofstraße/Lage im Stadtzentrum; MP 6: Filderstadt-Bernhausen/Lage am Stadtrand/südlicher Rand des Ballungsraums Stuttgart (Immissionsmessstation der LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg); MP 7: Waldgebiet nahe Baltmannsweiler/ländlicher Raum (Nähe Versuchsfläche der Forstlichen Versuchsanstalt Baden-Württemberg). Kartengrundlage: TÜK Baden-Württemberg 1: , verkleinert tragenen NH 3 zu Lachgas (N 2 O) umgewandelt wird und als solches in die Atmosphäre entweicht [3]. Zahlreiche Untersuchungen, vor allem im Bereich der Bioindikation, haben die durch diese Immissionen bedingten Veränderungen in Ökosystemen aufgezeigt [4; 5]. Angesichts ihres aktuellen Belastungsniveaus hat deren Wirkung als eutrophierende (nährstoffliefernde, düngende) Luftverunreinigungen unter ökologischen Gesichtspunkten die größte Bedeutung. Stickstoffoxide (NO, NO 2 ) und NH 3 führen über die Bildung von Nitrat bzw. Ammonium zu Stickstoff - einträgen, die in der gegenwärtigen Höhe die kritischen Belastungsgrenzen (Critical Loads) für verschiedene Ökosysteme zum Teil flächendeckend überschreiten. Durch diese verstärkten Nährstoffeinträge ist das Stoffgleichgewicht empfindlicher Ökosysteme gestört und aufgrund der Verdrängung durch Stickstoff liebende Arten die Vielfalt der Organismen (Biodiversität) gefährdet [6]. Im Zusammenhang mit diesem Stickstoffeintrag in die Umwelt wurden die Untersuchungen durch ganz unterschied - liche Fragestellungen initiiert: Wie hoch sind die Stickstoffoxidkonzentrationen an sehr stark befahrenen Straßen im Stadtzentrum bzw. an Straßen im Stadtrandbereich von Nürtingen? Eignen sich die eingesetzten Methoden auch zur Erfassung des Stickstoffeintrags im Bereich des Biosphärengebiets Schwäbische Alb? Welche Möglichkeiten bieten der Einsatz von Diffusionssammlern (chemisch-physikalisches Verfahren) bzw. die Kartierung des Flechtenbestands (Bioindikation) zur Erfassung des Stickstoffeintrags in die Umwelt und seiner Aus - wirkungen? In einem ersten Ansatz sollten deshalb an sieben Messpunkten Informationen über die NO-, NO 2 - und NH 3 -Konzentra - tion in der Luft mithilfe von Diffusionssammlern (Passivsammlern) erhoben und parallel dazu im unmittelbaren Umfeld dieser Messpunkte anhand von Flechtenkartierungen die langfristige, über einen längeren Zeitraum zurückreichende lufthygienische Belastung dokumentiert werden. Die ausgewählten Messpunkte repräsentieren hierbei verschiedene Nutzungstypen. Die Spanne reicht vom länd - lichen Bereich über einen Standort mit Tierhaltung bis zu Standorten an stark befahrenen Straßen, im Stadtzentrum und Stadtrandbereich sowie im südlichen Bereich des Ballungsraums Stuttgart (Bild 1). Zwei Messpunkte lagen in unmittelbarer Nachbarschaft von Immissionsmessstationen des Landes Baden-Württemberg, sodass sich hier die Möglichkeit einer Überprüfung der mit den Diffusionssammlern ermittelten Messwerte bzw. einer Verknüpfung mit den aktuellen Immissionsdaten bietet. Ziel der Messungen und Erhebungen war es, zum einen eine Datenbasis für die bestehende Situation hinsichtlich der Immissionskonzentration der ausgewählten Parameter sowie des Zustands der Flechtenvegetation zu erhalten, zum anderen auch die Anwendbarkeit dieser in der Praxis bewährten Verfahren für die gegebenen Fragestellungen aufzuzeigen. Die resultierenden Daten und ihre Bewertung dienen außerdem zur Motivation für weitere Untersuchungen, z. B. im Biosphärengebiet Schwäbische Alb oder in Stadtgebieten. 2 Methoden 2.1 Immissionsmessungen mit Diffusionssammler Zur Erfassung gasförmiger Luftverunreinigungen werden seit Jahren routine mäßig Diffusionssammler (Passivsammler) genutzt. Bei diesem Messprinzip gelangen die Luftverunreinigungen über eine definierte Diffusionsstrecke zu einem Absorptionsmittel, in dem sie z. B. durch eine quantitative chemische Reaktion gespeichert werden und damit für die spätere analytische Bestimmung im Labor verfügbar sind. Anders als zeitlich hoch auflösende aktive Analysenverfahren integrieren Diffusionssammler die Immissionen über die gesamte Expositionsdauer und liefern damit einen zeitlichen Mittelwert. Das kostengünstige Einsatzprinzip ermöglicht Untersuchungen mit hoher räumlicher Auflösung;

3 die Empfindlichkeit kann durch die Wahl der Exposi - tionsdauer in gewissen Grenzen variiert werden. Zur Ermittlung der Immissionsbelastungen durch NO, NO 2 und NH 3 wurden Diffu - sionssammler des Schwedischen Umweltforschungsinstituts (IVL, Göteborg) mit geeigneter spezifischer Empfindlichkeit verwendet [7]. Diese Sammler werden weltweit im Routinemonitoring eingesetzt, u. a. auch im Rahmen von Luftschadstoffmessungen durch Landesbehörden und Forschungsanstalten in Baden-Württemberg, Rheinland-Pfalz, Niedersachsen und Schleswig-Holstein [8 bis 11]. Die chemischen Analysen der Diffusionssammler führte das Labor des IVL in Göteborg durch. Aus der Menge akkumulierter Stickstoffverbindungen ließen sich dann die mittleren Immissionskonzentrationen in µg/m³ berechnen. 2.2 Kartierung des Flechtenbestands Die Kartierung des Flechtenbestands erfolgte gemäß Richtlinie VDI 3957 Blatt 13 [12]. Diese Richtlinie löste 2005 die 1995 veröffentlichte Richtlinie VDI 3799 Blatt 1 ab, auf die auch im Leitfaden Indikatoren im Rahmen einer Lokalen Agenda 21 [13] zur Erfassung von Veränderungen des Bestands an Flechten bzw. des Ausmaßes der Luftverschmutzung verwiesen wird. Die Vorgehensweise nach VDI 3957 Blatt 13 baut darauf auf, dass die Vielfalt epiphytischer Flechten durch Luftschadstoffe beeinflusst wird. Das Ausmaß der Umweltbelastung in einem Untersuchungsraum wird hierbei anhand der Vielfalt epiphytischer Flechten, ausgedrückt durch die Anzahl der Arten und ihre Häufigkeit (Frequenz) in einer definierten Kartierungsfläche bzw. durch einen hieraus zu errechnenden Diversitätswert, ermittelt. Die Flechtenhäufigkeit wird hier als Indikator für die Belastung der Luft durch Luftverunreinigungen sowohl saurer als auch eutrophierender Art verwendet. Eine hohe Artenvielfalt lässt im Prinzip zwar auf günstige Bedingungen für das Überleben vieler Arten schließen und ist daher erstrebenswert. Denkbar ist jedoch auch, dass bestimmte spezialisierte Arten durch die intensive Wirkung eines abiotischen Faktors, z. B. Stickstoff oder andere Immissionen mit eutrophierender Wirkung, gefördert werden. In diesem Fall muss die alleinige Zunahme dieser speziellen Arten negativ bewertet werden, weil ihre Auslöser Störungen in den Ökosystemen nach sich ziehen (z. B. Eutrophierung). Deshalb wird der Anteil der Eutrophierungszeiger an der Erhöhung der Flechtendiversität separat erfasst und bei der Bewertung der lufthygienischen Situation negativ belegt. Zu diesem Zweck enthält die Richtlinie VDI 3957 Blatt 13 [12] neben einer Liste mit 16 Flechtenarten, die durch nährstoffreiche Immissionen gefördert werden, eine spezielle Bewertungsmatrix zur Bestimmung der Luftgüte. Um bei dieser Fragestellung einen möglichst engen Bezug Bild 2. Immissionsmessungen mit Diffusionssammlern. Mittlere Konzentrationen von NO, NO 2 und NH 3 an den sieben Messpunkten im Zeitraum Dezember 2009 bis Mai 2010; Angabe mit Standardabweichung. MÜN: Münsingen, TACH: Tachenhausen, NT: Nürtingen, FIL: Filderstadt zwischen den an einem Messpunkt ermittelten Immissionskonzentrationen und dem Flechtenbestand herstellen zu können, erfolgte eine messpunktbezogene Baumauswahl, d. h. es wurden sechs geeignete Bäume in möglichst geringem Abstand zum Messpunkt gesucht. Wie Kartierungen in München gezeigt haben, kann ein Abstand von 50 m von stark befahrenen Straßen schon zu deutlichen Unterschieden im Artenspektrum und der Häufigkeit von Flechten führen [14]. 3 Ergebnisse 3.1 Immissionskonzentrationen von NO, NO 2 und NH 3 Alle untersuchten stickstoffhaltigen Verbindungen zeigen über den sechsmonatigen Messzeitraum typische Konzentrationsverläufe, die sehr gut mit den Jahresgängen übereinstimmen, die sich bei anderen Immissionsmessungen ergaben. Die über den Messzeitraum gemittelten Immissionskonzentrationen für NO, NO 2 und NH 3 an den sieben Messpunkten sind in Bild 2 dargestellt. Die höchsten Konzentrationen von NO, NO 2 und NH 3 treten an den stark verkehrsbelasteten Messpunkten 3 (TACH- Autobahn) und 5 (NT-Bahnhofstraße) auf, wobei am Messpunkt 3 insgesamt die höchsten Werte gemessen wurden (siehe Bild 2). Bei diesen beiden Standorten unmittelbar am Straßenrand dominieren die NO-Konzentrationen gegenüber den NO 2 -Konzentrationen (Bild 2). Bei NH 3 ergeben sich die vergleichsweise höchsten Konzentrationen. Die Messpunkte, die durch eine Stadtrandlage gekennzeichnet sind (Messpunkt 4 NT-Braike, Messpunkt 6 FIL-Bernhausen), weisen insgesamt niedrigere Immissionskonzentrationen für NO, NO 2 und NH 3 auf als die Messpunkte 3 und 5. Außerdem dominieren hier die NO 2 -Konzentrationen gegenüber den NO-Konzentrationen (Bild 2). Die Immissionskonzentrationen am landwirtschaftlich geprägten Messpunkt 2 (Tachenhausen) liegen bei NO und NO 2 im Bereich der Werte des durch seine Stadtrandlage gekennzeichneten Messpunkts 4 (NT-Braike). Die NH 3 -Konzentration ist an Messpunkt 2 dagegen höher. 167

4 Bild 3. Immissionsmessungen mit Diffusionssammlern. Mittlere, über die drei Komponenten NO, NO 2 und NH 3 kumulierte N-Konzentrationen an den sieben Messpunkten im Zeitraum von Dezember 2009 bis Mai Bild 4. Immissionsmessungen mit Diffusionssammlern. Prozentuale Anteile der drei Komponenten an den mittleren kumulierten N-Konzentrationen der sieben Messpunkte im Zeitraum von Dezember 2009 bis Mai Die geringsten Immissionskonzentrationen zeigten sich erwartungsgemäß an den im ländlichen Bereich gelegenen Messpunkten 1 (MÜN-Beutenlay) und 7 (Baltmannsweiler) an Messpunkt 1 die niedrigsten NO- und NO 2 -Werte insgesamt. Auch hier liegen die NO 2 -Konzentrationen über denen von NO. Bei NH 3 weist dagegen Messpunkt 7 die niedrigsten Konzentrationen auf. Über die drei Stickstoffkomponenten NO, NO 2 und NH 3 lässt sich auch eine kumulierte Stickstoffkonzentration berechnen (Bild 3). Für den Gesamt-N-Eintrag ergeben sich vier Abstufungen: Der höchste N-Eintrag zeigt sich am direkt an der Autobahn A 8 gelegenen Messpunkt 3, mit deutlichem Abstand gefolgt vom ebenfalls verkehrsgeprägten Messpunkt 5. Eine dritte Stufe umfasst die Messpunkte 2, 4 und 6, eine vierte Stufe die ländlich geprägten Messpunkte 1 und 7. Von Stufe zu Stufe nimmt hierbei die mittlere kumulierte N-Konzentration ungefähr um die Hälfte ab. Da die Anteile der drei Komponenten an den mittleren kumulierten N-Konzentrationen der sieben Messpunkte stark variieren, soll anhand ihrer prozentualen Anteile eine Differenzierung hinsichtlich möglicher Stickstoff-Quellen erfolgen (Bild 4). An den Messpunkten 3 und 5 im unmittelbaren Umfeld stark befahrener Straßen überwiegt der Anteil des NO gegenüber dem des NO 2. Die Verkehrsbelastung ist an Messpunkt 3 mit Kfz/d rund fünffach höher als an Messpunkt 5 mit Kfz/d. An den Messpunkten, die durch eine Stadtrandlage gekennzeichnet sind Messpunkte 4 und 6 sind die Anteile von NO und NO 2 in etwa gleich. An den ländlich geprägten Messpunkten 1, 2 und 7 überwiegt dagegen der Anteil des NO 2 (vgl. Bild 4). Der über die Komponente NH 3 eingetragene Stickstoff macht an allen sieben Standorten den geringsten Anteil aus (vgl. Bild 2). Im Vergleich zwischen den einzelnen Messpunkten liegt die NH 3 -N- Konzentration an den Messpunkten 3 und 5 am höchsten, der niedrigste Wert ergibt sich für Messpunkt 7. Damit wird an den stark vom Verkehr beeinflussten Messpunkten die Bedeutung von Ammoniak aus Verkehrsabgasen deutlich. Betrachtet man jedoch die prozentualen Anteile der drei Komponenten an der kumulierten N-Konzentration (siehe Bild 4), so ergibt sich der höchste Einfluss von NH 3 an Messpunkt 1, gefolgt von Messpunkt 2 und 5, die relativ ähnlich Werte aufweisen. Mit etwas Abstand folgen Messpunkt 7 und wiederum mit etwas niedrigeren Anteilen die Messpunkte 4, 6 und 3. Mit dieser Auswertung ist also eine Abschätzung hinsichtlich der Herkunft des Ammoniaks in Verbindung mit NO und NO 2 und damit der Relevanz dieser drei Stickstoffkomponenten an einem Messpunkt möglich: Befindet sich der Messpunkt, wie z. B. Messpunkt 1, nicht unmittelbar an einer stark befahrenen Straße und auch außerhalb eines bebauten Gebiets, so liegt hier der NO-Anteil relativ niedrig im Vergleich zu NO 2. Der relativ hohe Anteil von NH 3 ist auf die landwirtschaftliche Nutzung im Umfeld des Messpunkts zurückzuführen. Liegt der Messpunkt an einer stark befahrenen Straße, z. B. Messpunkt 3 an der Autobahn, so überwiegt der Anteil des NO im Vergleich zu NO 2 deutlich. Ammoniak hat 168

5 dadurch insgesamt einen kleinen Anteil an der kumulierten N-Konzentra - tion, obgleich an diesem Messpunkt die höchste NH 3 -Konzentration ermittelt wurde. Die mithilfe der Diffusionssammler gemessenen Immissionskonzentrationen waren im Fall der NO-Messungen durchschnittlich um 11 % niedriger, im Fall der NO 2 -Messungen durchschnittlich um 29 % niedriger als die Werte der Immissionsmessstation der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) in Filderstadt-Bernhausen. Bei einer Beurteilung der Immissionskonzentrationen ist zu berücksichtigen, dass es sich um Mittelwerte über sechs Monate (Dezember bis Mai) handelt, die im Folgenden mit Jahresmittelwerten verglichen werden. An den sieben Messstellen können aufgrund der bekannten Jahresgänge dieser Immissionen deshalb die Jahresmittelwerte für NO und NO 2 niedriger, die der NH 3 - Konzentrationen durchaus höher ausfallen. Die Beurteilung der Immissionskonzentrationen ergibt bei NO 2 eine deut - liche Überschreitung des Grenzwerts zum Schutz der menschlichen Gesundheit (40 µg/m³; 39. BImSchV) [15] an der Autobahn A 8, eine knappe Unterschreitung im Stadtzentrum von Nürtingen und deutliche Unterschreitungen an den anderen fünf Messpunkten. Die mittleren NO x -Konzentrationen liegen mit Ausnahme der beiden länd - lichen Messpunkte (Daten nicht dargestellt) über dem Grenzwert zum Schutz der Vegetation (30 µg/m³; 39. BImSchV) [15]. Während die Ammoniakkonzentrationen an allen Messpunkten teilweise deutlich unterhalb des Orientierungswerts der TA Luft für den Schutz empfindlicher Pflanzen und Ökosysteme (10 µg/m³) [16] liegen, wird an den beiden verkehrsbeeinflussten Messpunkten 3 und 5 der Critical Level für Höhere Pflanzen (3 µg/m³) [17] überschritten. Der mit 1 µg/m³ noch niedriger angesetzte Critical Level für Flechten und Moose wird nur an Messpunkt 7 unterschritten, an allen anderen Standorten liegen die NH 3 -Konzentrationen teilweise deutlich über diesem Wert. Vor allem an den beiden Messpunkten 3 und 5 ist es deshalb möglich, dass empfindliche Pflanzen auf die NH 3 -Belastung reagieren und sich so eine veränderte Artenzusammensetzung ergibt. 3.2 Beurteilung der Luftgüte anhand der Flechtenkartierungen Die Auswertung der Flechtenkartierung ergab für die Messpunkte die in Bild 5 dargestellten Luftgüteindizes. Ihre Zuordnung erfolgte anhand der Kombination der Flechten - diversitätswerte (FDW) der Referenzarten (RA) und der Eutrophierungszeiger (EZ) anhand der in VDI 3957 Blatt 13 beschriebenen Bewertungsmatrix. Bild 5. Kartierung des Flechtenbestands. Luftgüteindex an den Messpunkten sowie Flechtendiversitätswerte (FDW) der Referenzarten (RA) und Eutrophierungszeiger (EZ) nach VDI 3957 Blatt 13. Kartengrundlage: TÜK Baden-Württemberg 1: , verkleinert Die Luftgüte ist an sechs der sieben Messpunkte als mäßig (3), an Messpunkt 5 als gering (2) einzustufen. Der Einfluss eutrophierender Luftverunreinigungen liegt insgesamt auf einem sehr hohen Niveau (E5). Eine weitere räumliche Differenzierung der Luftbelastung ist anhand dieser Beurteilungsskalen zunächst nicht erkennbar. Hierfür wurden deshalb weitergehende Auswertungen der Kartierungsdaten vorgenommen. In einem ersten Schritt erfolgte eine Berechnung der Frequenzwerte von Flechten und ihres prozentualen Anteils an der Gesamtfrequenzsumme des Projekts. Unter den sechs am häufigsten vorkommenden Flechtenarten (Anteil an Gesamtfrequenz > 5 %) sind vier Arten der Gruppe der Eutrophierungszeiger zuzuordnen: Physcia adscendens (16,3 %), Ph. tenella (5,9 %), Phaeophyscia orbicularis (14,6 %) und Xanthoria parietina (9,2 %). Sie machen damit knapp 50 % der Gesamtfrequenzsumme aus. Die beiden anderen Flechtenarten (Referenzarten) sind Candelariella reflexa (14,7 %) und Parmelia sulcata (5,9 %). 169

6 Bild 6. Frequenzen einzelner Flechtenarten als prozentualer Anteil an der Gesamtfrequenz pro Messpunkt. 170 Zehn weitere Arten weisen Anteile zwischen 1 und 5 % auf, darunter wiederum vier Eutrophierungszeiger. Alle übrigen Flechtenarten liegen teilweise deutlich unter 1 %. Um mögliche Unterschiede hinsichtlich der Immissionsbelastung bzw. des Einflusses eutrophierender Luftverunreinigungen herauszufinden, wurde der prozentuale Anteil der Frequenz einzelner Flechtenarten an der Gesamt - frequenz pro Messpunkt herangezogen (Bild 6). In diesem Bild werden die Wechselwirkungen zwischen der Lage der Messpunkte, der Luftbelastung und den ökolo - gischen Ansprüchen der Flechten deutlich. So kommen Flechtenarten, die eine eher saure Rinde bevorzugen und zudem teilweise auch als empfindlich(er) gegenüber Umweltbe lastungen gelten, ausschließlich bzw. vor allem an den Messpunkten 1 und 7 mit höheren Anteilen vor. Zu diesen Flechtenarten gehören Usnea spec., Pseudevernia furfuracea, Evernia prunastri (Strauchflechten), Hypogymnia physodes, H. tubulosa, Parmelia exasperatula, P. glabratula, P. saxa tilis, P. subaurifera, P. sulcata, P. tiliacea (Blattflechten) sowie Buellia griseovirens und Lecanora carpinea (Krustenflechten). Die beiden Messpunkte 1 und 7 zeigen die höchsten Artenzahlen sowie die beste Luftgütebewertung bzw. den vergleichsweise niedrigsten Einfluss eutrophierender Schadstoffe. Einige Arten kommen dagegen an (fast) allen Messpunkten vor, wie z. B. Candelariella reflexa, C. xanthostigma (Krustenflechten) sowie die Blattflechten Phaeophyscia orbicularis, Physcia adscendens, P. tenella und die Arten der

7 Kartierung des Flechtenbestands. Verhältnis zwischen den Flechten diversitätswerten der beiden Flechtengruppen pro Messpunkt. Messpunkt Nr. Flechtendiversitätswerte Verhältnis Referenzarten (RA) Eutrophierungszeiger (EZ) RA/EZ 1 Münsingen-Beutenlay 82,33 46,17 1,78 7 Baltmannsweiler 66,17 45,33 1,46 4 Nürtingen-Braike 46,50 54,50 0,85 3 Tachenhausen-Autobahn 34,00 50,83 0,67 2 Tachenhausen 43,33 66,83 0,65 5 Nürtingen-Bahnhofstraße 28,83 51,83 0,56 6 Filderstadt-Bernhausen 32,50 70,00 0,46 Gattung Xanthoria. Mit Ausnahme der Krustenflechten handelt es sich hierbei um Arten der Gruppe Eutrophierungszeiger. Während Candelariella reflexa und C. xanthostigma an allen Messpunkten vergleichbare Werte erreichen, liegt der Schwerpunkt der anderen Arten vor allem auf den Messpunkten 2 bis 6, also Bereiche, für die sich insgesamt ein höherer Einfluss eutrophierender Luftverunreinigungen ergab (Tabelle bzw. Bild 5). Weitere Flechtenarten aus der Gruppe der Eutrophierungszeiger mit charakteristischen ökologischen Merkmalen die Krustenflechten Caloplaca holocarpa, Lecanora dispersa, L. hagenii sowie die Blattflechte Physconia grisea sind nicht an allen Messpunkten vertreten, unterstreichen aber durch ihre Verbreitung die zuvor genannten Aussagen im Hinblick auf den Einfluss eutrophierender Luftverun - reinigungen. 4 Diskussion Die mit den Diffusionssammlern gemessenen Immissionskonzentrationen von NO, NO 2 und NH 3 weisen deutliche Unterschiede in ihrer Höhe auf, die so auch aufgrund der Nutzungsstrukturen an den sieben Standorten erwartet wurden. Mit der Kartierung des Flechtenbestands ergab sich dagegen eine relativ einheitliche Luftgüte auf einem mittleren (bis niedrigen) Niveau. Diese eher ungünstige Beurteilung der Luftgüte ist vor allem auf den Einfluss eutrophierender Immissionen zurückzuführen, der an allen sieben Messpunkten als sehr hoch bewertet wurde und mit dem Eintrag nährstoffhaltiger Immissionen insbesondere Stickstoffverbindungen und Stäube zu begründen ist. Diese über ein größeres Gebiet relativ einheitliche Beurteilung der Luft - güte wurde auch bei anderen aktuellen Kartierungen in Baden-Württemberg und Hessen festgestellt [18; 19]. Ein differenzierteres Bild für die Luftgüte an den einzelnen Messpunkten kann aber durch eine zusätzliche Auswertung der Flechtendiversitätswerte (FDW) der Gruppe Referenzarten bzw. Eutrophierungszeiger und ihren Anteilen an der Gesamtfrequenz pro Messpunkt und der Verbreitung einzelner Flechtenarten mit charakteristischen Substratansprüchen erreicht werden. Anhand dieser Kriterien kann an den ländlichen Messpunkten bei Baltmannsweiler und Münsingen auf den geringsten Einfluss eutrophierender Luftverunreinigungen und die vergleichsweise beste Luftgüte an den untersuchten Messpunkten geschlossen werden. Mit den Diffusionssammlern wurden hier insgesamt die niedrigsten Immissionskonzentrationen gemessen. Aufgrund der größeren Entfernung zu Emittenten (vor allem Kfz-Verkehr) und der dadurch im Vergleich zu NO vergleichsweise höheren NO 2 -Konzentrationen weist das Verhältnis NO/NO 2 relativ kleine Werte auf. An der Autobahn A 8 und im Innenstadtbereich von Nürtingen wurden die höchsten NO-, NO 2 - und NH 3 -Konzentrationen ermittelt. Auch anhand des Flechtenvorkommens ist hier ein stärkerer Einfluss dieser Immissionen festzustellen. Vor allem das geringe Vorkommen von Arten, die eher saure und nicht oder wenig eutrophierte Rinden bevorzugen, in Verbindung mit dem starken Vorkommen von Arten, die auf mineralreichen oder mit nährstoffreichem Staub imprägnierten Rinden siedeln, ist an den Messpunkten 3 und 5 auf die NH 3 -Belastung durch den Kfz-Verkehr zurückzuführen. Der durch Landwirtschaft beeinflusste Messpunkt Tachenhausen weist die aufgrund der Tierhaltung im Vergleich zu den anderen Messpunkten zu erwartende höhere NH 3 -Konzentration nicht auf. Die Ursache hierfür könnte die niedrige Anzahl der gehaltenen Mastschweine (32 Tiere) sein. Im Umfeld dieses Messpunkts weist aber der Flechtenbewuchs den zweithöchsten Diversitätswert für die Eutrophierungszeiger auf, d. h. insgesamt ist davon auszugehen, dass hier aus anderen Bereichen der Landwirtschaft stammendes NH 3 bzw. nährstoffreiche Staubanwehungen auf die Flechten wirken. Diese Auswertungen ergeben somit in der Tendenz eine Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der Flechtenkartierung und den Immissionsmessungen. Eine statistische Überprüfung dieser Übereinstimmung ist aufgrund des geringen Stichprobenumfangs, der Interaktionen zwischen den NO-, NO 2 - und NH 3 -Konzentrationen und zusätzlich zu berücksichtigender Faktoren, in denen sich die Messpunkte unterscheiden (z. B. Mikroklima), nur eingeschränkt möglich. Zwischen den Flechten der Gruppe Referenzarten und NO, NO 2 und NH 3 ist insgesamt eine signifikant negative Korrelation nach Spearman zu verzeichnen. Dagegen treten bei den Eutrophierungszeigern mittlere nicht signifikante positive Korrelationen auf. Dieses Ergebnis bedeutet jedoch nicht, dass es generell zwischen den FDW der Eutrophierungszeiger und den Stickstoffimmissionen nur einen mäßigen Zusammenhang gibt. Die hier ermittelten Konzentrationen geben nur einen begrenzten Zeitraum wieder, während die Zusammensetzung des Flechtenbestands die Immissionssituation eines länger zurückreichenden Zeitraums widerspiegelt. Zudem beeinflussen auch andere Faktoren die Verbreitung der Flechten, die bei dieser Untersuchung aufgrund der großen räumlichen Distanz zwischen den einzelnen Messpunkten variieren können und daher zu einer schlechteren Korrelation der Parameter führen können. Auch bei Untersuchungen mit einem größeren Stichprobenumfang ist eine absolute Übereinstimmung der Daten von daher kaum zu erwarten. 171

8 5 Fazit Die Untersuchungen bestätigen die Eignung von Diffusionssammlern zur orientierenden Überwachung von stickstoffhaltigen Immissionen. Die zusätzliche Auswertung von Daten der Flechtenkartierung unterstützt die Vorgehensweise bei der Luftgütebewertung nach VDI 3957 Blatt 13 im Hinblick auf eine Differenzierung der Belastungssituation und möglicher Ursachen. Zur Überwachung von Einträgen in Ökosysteme oder Schutzgebiete ist daher der Einsatz von Diffusionssammlern in Kombination mit einer Kartierung des Flechtenbestands zu empfehlen. Mit dieser Vorgehensweise stehen neben wirkungsbezogenen Aussagen zur Luftgüte unter Einbeziehung aller anderen einwirkenden Standortfaktoren auch die Immissionskonzentrationen für eine Beurteilung anhand von Immissionsgrenzwerten zur Ver - fügung. Literatur [1] Daten zur Umwelt. Hrsg.: Umweltbundesamt. Dessau-Roßlau [2] Umweltdaten 2009 Baden-Württemberg. Hrsg.: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden- Württemberg. Karlsruhe [3] Verminderung gasförmiger Emissionen in der Tierhaltung Ammoniak, Methangas, Lachgas. Hrsg.: Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten. München [4] Franzaring, J.; Fangmeier, A.: Methoden zum Nachweis atmogener Stickstoffeinträge mit pflanzlichen Bioindikatoren. Gefahrstoffe Reinhalt. Luft 66 (2006) Nr. 6, S [5] Van der Eerden, L.; Jäger, H.-J.; Fangmeier, A.: Wirkungen von Stickstoffdepositionen auf terrestrische Ökosysteme. In: Guderian, R. (Hrsg.): Handbuch der Umweltveränderungen und Ökotoxikologie, Bd. 2B: Terrestrische Ökosysteme, S Berlin: Springer [6] Umweltdaten 2006 Baden-Württemberg. Hrsg.: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden- Württemberg. Karlsruhe [7] Carmichael, G. R.; Gregory, R.; Ferm, M.; Thongboonchoo, N.; Woo, J.-H.; Chan, L. Y.; Murano, K.; Viet, P. H.; Mossberg, C.; Bala, R.; Boonjawat, J.; Upatum, P.; Mohan, M.: Measurements of sulfur dioxide, ozone and ammonia concentrations in Asia, Africa, and South America using passive samplers. Atmos. Environm. 37 (2003) Nr. 9/10, S [8] Orientierende Messungen von Ammoniak in Schleswig-Holstein Bericht der Lufthygienischen Überwachung Schleswig-Holstein. Hrsg.: Landesanstalt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein. Itzehoe [9] Ammoniak in der Umwelt Messprogramme und Messergebnisse Hrsg.: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg. Karlsruhe [10] Dämmgen, U.; Schaaf, S.; Horvath, B.; Meesenburg, H.; Mohr, K.: Methoden zur Bestimmung von Stoffflüssen und -konzentrationen im ANSWER-Projekt. Schlussbericht im Auftrag des Umweltbundesamtes, Förderkennzeichen UFOPLAN Dessau-Roßlau [11] Von Wilpert, K.: Stickstoff-Belastung von Waldökosystemen im Nahbereich von Massentierhaltungen. Jahresbericht 2005 der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt Baden- Württemberg. Freiburg [12] VDI 3957 Blatt 13: Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen auf Flechten (Bioindikation); Kartierung der Diversität epiphytischer Flechten als Indikator für die Luftgüte. Berlin: Beuth [13] Leitfaden Indikatoren im Rahmen einer Lokalen Agenda 21. Hrsg.: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg. 4. Aufl. Karlsruhe [14] Vorbeck, A.; Windisch, U.: Flechtenkartierung München. Eignung von Flechten als Bioindikatoren für verkehrsbedingte Immissionen. Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Landesentwicklung und Umweltfragen (StMLU). Materialien Umwelt & Entwicklung Bayern. München [15] Neununddreißigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes. Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen (39. BImSchV) vom 2. August BGBl. I, S [16] Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft TA Luft) vom 24. Juli GMBl. (2002) Nr , S [17] Manual on methodologies and criteria for modelling and mapping critical loads and levels. Chapt. 3: Mapping critical levels for vegetation. Hrsg.: ICP International Cooperative Programme on Modelling and Mapping of Critical Loads and Levels and Air Pollution Effects, Risks and Trends. icpmapping.org/cms/zeigebereich/manual-english.html [18] Bartholmeß, H.; Müller, K.; Nobel, W.; Winkelbauer, W.: Biomonitoring im Rahmen der Ökosystembewertung eines Automobil-Produktionsstandortes. Teil 3: Dokumentation der Luftgüte mit Flechtenkartierungen und Messung des Stickstoffeintrages mithilfe von Passivsammlern. Gefahrstoffe Reinhalt. Luft (eingereicht). [19] Bartholmeß, H.; Stark, U.; Nobel, W.: Wirkungsbezogene Langzeitbeobachtung von Umweltbelastungen 25 Jahre Flechtenkartierungen im Umweltmonitoring-Programm Esslingen/Altbach 1983 bis Gefahrstoffe Reinhalt. Luft (eingereicht). 172