Nachweis der Wirkung eutrophierender Immissionen auf Flechten in der Praxis der Bioindikation

Nachweis der Wirkung eutrophierender Immissionen auf Flechten in der Praxis der Bioindikation Evidence of the effects of eutrophicating immissions on lichens in practice of bioindication. Results from investigations in Hesse and Bavaria, Germany. Ergebnisse aus Untersuchungen in Hessen und Bayern Dr. U. Windisch, Freigericht; Kurzfassung Die Flechten-Luftgütekarte nach der neuen VDI-Richtlinie stellt zusätzlich zur Luftgüte auch den Teilaspekt der eutrophierenden Luftverunreinigungen dar. Im Rahmen der hessischen Flechtendauerbeobachtung fanden Kartierungen epiphytischer Flechten in 1992, 1997 und 2002 statt. Die Daten wurden nach der neuen Richtlinie des VDI 3957 Blatt 13, ausgewertet. Seit 1992 erhöhte sich der Flechtendiversitätswert der Eutrophierung anzeigenden epiphytischen Flechtenarten auf allen Dauerbeobachtungsflächen. Die Diversitätswerte der übrigen Arten erhöhte sich in den ehemals belasteten Räumen, während sie in den ehemals lufthygienisch günstigen Gebieten sank. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wirkungen eutrophierender Immissionen zugenommen haben. Einen Bezug zur jeweiligen Nährstoffquelle herzustellen, ist jedoch meist nicht möglich. Es werden zwei weitere Arbeiten vorgestellt, in denen Emittenten eutrophierender Luftverunreinigungen mittels der Flechtenkartierung dargestellt werden konnten. Die Ausdehnung der Wirkungen von Ammoniakemissionen einer Hühnerfarm in Ortenburg wurden kartografisch durch Interpolation der Messwerte visualisiert. Weiterhin wurde ein Beispiel vorgestellt, wie die ebenfalls eutrophierende Wirkung einer Münchener Hauptverkehrsstraße mit Flechten dargestellt werden konnte. Abstract The lichen air quality map, according to the new guideline of the VDI, also represents the aspect of eutrophicating air pollution additionally to air quality. In a continuous lichenmapping program in Hesse, epiphytic lichens were mapped in 1992, 1997 and 2002. The data has been evaluated in accordance with the new lichen mapping guideline VDI 3957 part 13. Since 1992 the lichen diversity values of the species that respond positively to

eutrophication increased in all of the investigated areas. The diversity values of species which respond negatively increased in areas that previously recorded poor air quality, whereas in areas with a higher air quality in 1992 the diversity values decreased. The results show that the effects of eutrophicating immissions have increased. However, it is virtually impossible to establish a relationship to the source of the specific nutrients. Two examinations are being presented, that worked out the emitters of eutrophicating pollutants. The expansion of the effects of ammonia emissions by a chicken farm in Ortenburg has been visualised cartograpicly by data interpolation. Furthermore an example has been presented of how the eutrophicating effects of a major street in Munich could be demonstrated with lichens. Einleitung Flechten sind erprobte Bioindikatoren für die Belastung durch Luftverunreinigungen saurer wie auch eutrophierender Art. Die neue VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13 [1], berücksichtigt in besonderer Weise die Wirkungen eutrophierender Immissionen auf Flechten. Nach dem Rückgang der sauren Immissionen, der ab Mitte der 80iger Jahre des letzten Jahrhunderts einsetzte, kam es zu einer Erholung der bislang artenarmen und von Acidophyten wie Lecanora conizaeoides dominierten epiphytischen Flechtenbestände. Wiederholt durchgeführte immissionsbezogene Flechtenkartierungen in Hessen [2; 3] und Bayern [4; 5] belegen den Anstieg der Flechtendiversität auf den jeweils untersuchten Laubbäumen. Dabei waren es insbesondere die Eutrophierung anzeigenden Flechten, deren Artenzahl und Frequenz sich erhöht hat, was belegt, dass die Wirkungen eutrophierender Immissionen zugenommen haben. Als Ergebnis einer immissionsbezogenen Flechtenkartierung nach der neuen VDI-Richtlinie stellt die Luftgütekarte zusätzlich zur Luftgüte auch die Wirkungen der eutrophierenden Luftverunreinigungen dar. Einen Bezug zu der jeweiligen Stickstoffquelle herzustellen, ist jedoch in der Regel nicht möglich. In der vorliegenden Arbeit sollen zum einen die Ergebnisse aus langjährigen Untersuchungen in Hessen unter dem Aspekt der Bioindikation eutrophierender Immissionen dargestellt werden. Zum anderen sollen Beispiele aus der Praxis der Bioindikation zeigen, unter welchen Voraussetzungen eutrophierende Luftverunreinigungen in ländlichen und städtischen Untersuchungsgebieten quellenbezogen dargestellt werden können.

Langfristige Entwicklung der Wirkung eutrophierender Immissionen bei der Flechten- Dauerbeobachtung in Hessen Seit Beginn der landesweiten immissionsbezogenen Flechtenkartierung in Hessen in 1992 finden in regelmäßigen Abständen von 5 Jahren (1992-1997-2002) Kartierungen von Flechten freistehender Laubbäume auf Dauerbeobachtungsflächen von 8x8 km im ländlichen Raum statt [6; 7; 8]. Die Methode der Flechtenerfassung entspricht der VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13, unter Verwendung des Aufnahmegitters der Vorläuferrichtlinie [15]. Für die vorliegende Fragestellung wurden die Flechtendiversitätswerte der Referenzarten und der Eutrophierungszeiger erstmalig nach der neuen Richtlinie ausgewertet. Unter dem Begriff der Referenzarten werden alle Flechtenarten außer den Eutrophierungszeigern zusammengefasst. Im Jahr 1992 waren die mittleren Flechten-Diversitätswerte der Referenzarten an den Dauerbeobachtungsflächen Diemelstadt und Melsungen (Nordhessen), Gießen (Mittelhessen) und Biebesheim (Südhessen) vergleichsweise niedrig (Bild 1). Diese Dauerbeobachtungsflächen lagen 1992 in den Hauptbelastungsgebieten für saure Luftverunreinigungen [9]. Auch die Diversitätswerte der Eutrophierungszeiger (Bild 2) waren 1992 durchweg niedrig, was mit einer schlechten Nährstoffverfügbarkeit an den durch Immissionen angesäuerten Baumborken begründet werden kann. In einer Untersuchung der Städte Gießen und Wetzlar lagen die ph-werte von Pappelborke in 1985 noch bei 3,8 und stiegen bis 2005 auf 5,7 an [2]. In der Zeitspanne 1992 bis 2002 nahmen die Diversitätswerte der Referenzarten insbesondere auf den ehemals stark durch saure Immissionen belasteten Dauerbeobachtungsflächen in Nord- und Mittelhessen (Diemelstadt, Melsungen, Giessen) zu, was eine Verbesserung der lufthygienischen Situation belegt. Dagegen sanken die mittleren Diversitätswerte der Referenzarten auf den noch 1992 überwiegend als günstig bewerteten Dauerbeobachtungsflächen. Die Referenzarten bestehen zu einem großen Teil aus acidophytischen und gegenüber einem erhöhten Nährstoffangebot empfindlichen Flechtenarten. Die zeitliche Entwicklung der Eutrophierungszeiger stellt sich einheitlich dar: Auf allen Dauerbeobachtungsflächen stiegen die mittleren Diversitätswerte von 1992 bis 2002 an. Technische Messungen zum Gesamt-Nährstoffeintrag liegen für die Dauerbeobachtungsflächen nicht vor. Die Entwicklung der Stickstoffoxidimmissionen ist auf den ländlich geprägten Dauerbeobachtungsflächen im Zeitraum 1980 bis 2002 leicht rückläufig [10], zudem können

Stickstoffoxide ohnehin nur in einem sehr begrenzten Umfang von Flechten aufgenommen werden [11]. Ammoniakeinträge sind in Hessen nicht Bestandteil kontinuierlicher Immissionsmessungen. Als Emittenten von Ammoniak stehen biogene und nicht gefasste Quellen an erster Stelle (30.980 t/a in 1992, 23.595 t/a in 2000) gefolgt vom Straßenverkehr (805 t/a in 1995, 839 t/a in 2000) und der Industrie (65 t/a in 1996, 87 t/a in 2000) [12]. Folglich sind die Ammoniakemissionen in Hessen von 1992 bis 2000 insgesamt rückläufig. Den Anstieg der Diversitätswerte der Eutrophierungszeiger können demnach weder die Stickstoffoxide noch das in Hessen emittierte Ammoniak erklären. Als Ursache für die Förderung der Eutrophierungszeiger kommt ein Ferntransport von eutrophierenden Verbindungen nach Hessen in Frage. Ammoniak setzt sich in der Atmosphäre relativ schnell zu Ammoniumverbindungen (NH4 + ) um, die partikelgebunden über weite Strecken verfrachtet werden [12]. Für den Osten Österreichs wird der Ferntransport als überwiegende Quelle für den Eintrag von Ammonium und Nitrat angesehen [16]. Eine weitere Ursache für die Förderung der Eutrophierungszeiger ist der Rückgang der sauren Luftverunreinigungen seit 1985. In Folge stiegen die Borken-pH-Werte der Flechtenbäume wieder auf den baumarttypischen Borken-pH-Wert an [2] und die Nährstoffverfügbarkeit verbesserte sich.

30 Referenzarten mittlere Diversitätswerte 25 20 15 10 5 1992 1997 2002 0 Diemelstadt Melsungen Rhoen Giessen Limburg Spessart Biebesheim Bild 1: Zeitliche Entwicklung der mittleren Diversitätswerte der Referenzarten nach VDI 3957 Blatt 13, für die hessischen Flechten-Dauerbeobachtungsflächen 30 Eutrophierungszeiger mittlere Diversitätswerte 25 20 15 10 5 1992 1997 2002 0 Diemelstadt Melsungen Rhoen Giessen Limburg Spessart Biebesheim Bild 2: Zeitliche Entwicklung der mittleren Diversitätswerte der Eutrophierungszeiger nach VDI 3957 Blatt 13, für die hessischen Flechten-Dauerbeobachtungsflächen

Nachweis eutrophierender Immissionen aus der Tierhaltung in Ortenburg Datengrundlage ist die Flechtenkartierung Ortenburgs (Landkreis Passau), wonach der überwiegende Flächenanteil des Stadtgebietes eine hohe Luftgüte aufweist [13]. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Süden Ortenburgs um Dorfbach, wo landwirtschaftliche Nutzung vorherrscht und eine Hühnerfarm betrieben wird. Die Methode der Flechtenerfassung entspricht der VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13, unter Verwendung des Aufnahmegitters der Vorläuferrichtlinie [15]. Für die vorliegende Fragestellung wurden die Flechtendiversitätswerte der Eutrophierungszeiger ausgewertet. Die Ergebnisse wurden kartografisch durch Interpolation der berechneten Daten dargestellt. Die Interpolation erfolgte mit dem Geografischen Informationssystem Map Info mit den Vorgaben. Die interpolierte Karte der Flechtendiversitätswerte der Eutrophierungszeiger (Bild 3) zeigt einen deutlichen Gradienten der Nährstoffwirkungen. Die Kernstadt und die östlich angrenzenden Stadtteile sind nur gering nährstoffbelastet. Dagegen wurde im Süden der Stadt in der Umgebung der Hühnerfarm eine deutliche Belastung durch eutrophierende Nährstoffe nachgewiesen. Da die Hühnerfarm in Alleinlage steht, können Ammoniakemissionen für die hohen Diversitätswerte der Flechten verantwortlich gemacht werden. Es wird auch deutlich, dass das Ammoniak sich aufgrund seiner raschen Deposition besonders im Nahbereich der Hühnerfarm auswirkt. Je dichter das Messnetz ist, desto exakter wird die Darstellung. In der vorliegenden Arbeit waren alle vorhandenen geeigneten Trägerbäume untersucht worden. Nach den Empfehlungen des bayerischen LfU soll der Mindestabstand von Tierhaltungsanlagen zu empfindlichen Pflanzen und Ökosystemen 150 Meter nicht unterschreiten [14].

Bild 3: Einfluss eutrophierender Verbindungen auf die Diversitätswerte von Eutrophierungszeigern im Sinne der VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13 auf Basis der Flechtenkartierung Ortenburgs [13] 1000 800 Mindestabstand (m) 600 400 200 0 0 5 10 15 20 Ammoniakemission (t/a) Bild 4: Diagramm zur Bestimmung des Mindestabstands von Anlagen zu empfindlichen Pflanzen (z.b. Baumschulen Kulturpflanzen ) und Ökosystemen (z.b. Moor, Heide, Wald) in Abhängigkeit von der jährlichen Ammoniakemission einer Tierhaltungsanlage. Dabei soll gegenüber stickstoffempfindlichen Pflanzen und Ökosystemen i.d.r. ein Mindestabstand von 150 m nicht unterschritten werden [14, verändert].

Nachweis eutrophierender Immissionen aus dem Straßenverkehr in München Datengrundlage ist die Flechtenkartierung Münchens [4]. Die Erfassungsmethode entspricht der VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13 [15], unter Verwendung des Aufnahmegitters nach VDI 3799 Blatt 13 [4]. Für die Fragestellung nach der Bioindikation verkehrsbedingter Wirkungen auf Flechten folgend, wurde eine neue Auswertungsmethode entwickelt. Das Verkehrsaufkommen an Hauptstraßen wurde mit der Flechtenfrequenz (Häufigkeit) an Straßenbäumen korreliert. Es zeigte sich, dass der Großteil der Flechtenarten auf steigende Verkehrsbelastung erwartungsgemäß mit einem Rückgang ihrer Frequenz reagiert. Es wurde aber eine Gruppe von Flechtenarten ausgewiesen, die ein gegenläufiges Verhalten zeigen. Diese Arten gedeihen an stark befahrenen Straßen besser und wurden als Verkehrszeiger bezeichnet. Um eine verkehrsbezogene kartografische Darstellung zu entwerfen, wurde die Flechtenfrequenz aller Flechtenarten ohne die Frequenz der Verkehrszeiger berechnet. Die Ergebnisse wurden durch Interpolation flächenhaft in einer Karte dargestellt (Bild 6). Die Interpolation erfolgte mit dem Geografischen Informationssystem Map Info. Es waren 7 Taxa (Caloplaca holocarpa, Lecanora hagenii-gr., Phaeophyscia nigricans, Phaeophyscia orbicularis, Physcia aipolia/stellaris, Physconia grisea, Xanthoria parietina), die an Hauptstraßen mit einem durchschnittlichen täglichen Verkehr von 4.000 bis 143.000 Fahrzeugen häufiger vorkamen als an verkehrsfernen Standorten. Beispielsweise lassen sich mit der Darstellung der mittleren Frequenz von Phaeophyscia nigricans (Bild 5) die verkehrsbedingten Belastungen entlang der nach Westen aus der Stadt führenden B2 (Bodenseestraße/Landsberger Straße) nachzeichnen. Die B2 nimmt bezüglich der von ihr verursachten Umweltbelastung mit 39.000 Kfz/Tag und einer Ammoniakemission von 4-6 Tonnen [7] unter den Hauptstraßen Münchens bezüglich der Verkehrsdichte zwar nur eine Mittelstellung ein. Aufgrund des lufthygienisch relativ günstigen Umlandes der städtischen Ausfallstraße lässt sich die Straße als linienförmige Emissionsquelle auf Basis der Flechtenkartierung gut darstellen. Im übrigen Stadtgebiet ist eine solche quellenbezogene Aussage auf Grund der starken Emittentenverdichtung meist nicht möglich. Auf die Mehrzahl der Flechten wirkt sich der Straßenverkehr jedoch negativ aus, was in Form einer verkehrsbezogenen Luftgütekarte dargestellt wurde (Bild 6). Der Englische Garten, der als städtischer Grünzug nordöstlich des Stadtzentrums verläuft, zeigt ein günstiges lufthygienisches Bild; verkehrsanzeigende Flechtenarten treten hier deutlich zurück.

Bild 5: Die Blattflechte Phaeophyscia nigricans ist ein Verkehrszeiger. Sie ist an den Hauptstraßen Münchens häufiger als an verkehrsfernen Standorten [4] Bild 6: Verkehrsbezogene Luftgütekarte Münchens; berechnet ohne die durch den Verkehr geförderten Flechtenarten [4]

Alle gefundenen Verkehrsbelastung anzeigenden Flechtenarten sind Eutrophierungszeiger. Der Straßenverkehr emittiert bzw. verwirbelt Staub, der sich auf der Baumborke und auf den Flechten niederschlägt. In Ballungsräumen trägt der Staub zum einen zur Neutralisation saurer Immissionen bei und verhindert damit eine Borkenversauerung. Zum anderen sind Stäube nährstoffhaltig. Analysen von städtischem Feinstaub ergaben einen Anteil von 30-40% an Sulfat, Nitrat und Ammonium [16; 18]. Hinzu kommen die Emissionen von Ammoniak durch Kfz-Motoren mit 3-Wege-Katalysator, die an ausgewählten Münchener Hauptstraßen mit 6,3 µg NH 3 /m 3 zur städtischen Immissionsbelastung beitragen [19]. Die Flechtenkartierung Münchens zeigte, dass Flechten an Straßenbäumen geeignet sind, um die Wirkungen des Verkehrs in unmittelbarer Nähe der Straße aufzuzeigen. Literatur [1] VDI-Richtlinie 3957 Blatt 13, 2005. Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen mit Flechten (Bioindikation). VDI- Handbuch Reinhaltung der Luft 1a. Düsseldorf. [2] Kirschbaum, U.; Windisch, U.; Vorbeck, A. & K. Hanewald 2006. Mapping lichen diversity in Wetzlar and Giessen as an indicator of air quality - comparison between the surveys of 1970, 1985, 1995 and 2005. Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 66/6: 272 280. [3] Windisch, U. 2005. Flechtenkartierung Groß-Umstadt Beurteilung der lufthygienischen Situation anhand der epiphytischen Flechtenvegetation im Rahmen der Lokalen Agenda 21. Bericht im Auftrag des Bund für Umwelt- und Naturschutz Darmstadt- Dieburg und der Stadt Groß-Umstadt. [4] Vorbeck, A. & U. Windisch 2002. Flechtenkartierung München - Eignung von Flechten als Bioindikatoren für verkehrsbedingte Immissionen. Materialien des Bayerischen Staatsministeriums für Landesentwicklung und Umweltfragen. Heft 173. [5] Vorbeck, A. & U. Windisch 2002. Immissionsbezogene Flechtenkartierung Aschaffenburg unter besonderer Berücksichtigung des Straßenverkehrs. Wiederholungsuntersuchung 2002. Bericht im Auftrag der Stadt Aschaffenburg. [6] Kirschbaum, U. & U. Windisch 1995. Beurteilung der lufthygienischen Situation Hessens mittels epiphytischer Flechten. Umweltplanung, Arbeits- und Umweltschutz 171. [7) Kirschbaum, U. & K. Hanewald 1998. Immissionsbezogene Flechtenkartierungen in hessischen Dauerbeobachtungsflächen. Angewandte Botanik 72: 20-30. [8] Kirschbaum, U. 2003. Flechtendauerbeobachtungsflächen Hessen 2002. Bericht im Auftrag des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie.

[9] HLUG - Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie 1996. Flächenhafte Darstellung der Immissionssituation. Umweltplanung, Arbeits- und Umweltschutz 201. [10] HLUG - Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie 2002. Lufthygienischer Jahresbericht 2002. [11] SØchting, U. 1995. Lichens as monitors of nitrogen deposition. Cryptogamic Botany 5: 264-269. [12] HLUG - Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie 2004. Umweltatlas Hessen. CD-Version. [13] Windisch, U. & A. Vorbeck 2003. Flechtenkartierung Ortenburg Beurteilung der lufthygienischen Situation anhand der epiphytischen Flechtenvegetation. Bericht im Auftrag des Bund Naturschutz in Bayern e.v. und der Marktgemeinde Ortenburg. [14] Stroh, K. & B. Djeradi 2004. Ammoniak und Ammonium. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz (Hrsg.). Umweltberatung Bayern. [15] VDI-Richtlinie 3799 Blatt 1, 1995. Ermittlung und Beurteilung phytotoxischer Wirkungen von Immissionen mit Flechten: Flechtenkartierung. VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft 1a. Düsseldorf. [16] Puxbaum, H. 2006. Woraus besteht der Feinstaub? Fokus Feinstaub, Drobollach. [17] Umweltschutzreferat der Landeshauptstadt München 2006. Umweltatlas München. Online-Version. http://www.muenchen.de/umweltatlas [18] Hüglin, Ch. 2000. Anteil des Straßenverkehrs an den PM 10 und PM 2.5 -Immissionen. NFP41 Bericht C4. Dübendorf, Schweiz. [19] Löflund, M.; Kasper-Giebl, A.; Stopper, S.; Urban, H.; Biebl, P.; Kirchner, M.; Braeutigam, S. & H. Puxbaum 2002. Monitoring ammonia in urban, inner alpine and prealpine ambient air. Journal of Environmental Monitoring 4: 205-209. Danksagung Für die freundliche Unterstützung danke ich Herrn Vorbeck und den Auftraggebern der ausgewerteten Gutachten Herrn Prof. Dr. Hanewald (HLUG), Herrn Hoenicka (Gemeinde Ortenburg), Herrn Schmalzl (BN Ortsgruppe Ortenburg) und Herrn Dr. Peichl (LfU Bayern).