Atmosphärische Stickstoffeinträge und Belastungsgrenzen - Verbundvorhaben StickstoffBW - Dr. Andreas Prüeß - BLNN
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Atmosphärische Stickstoffeinträge
und Belastungsgrenzen
- Verbundvorhaben StickstoffBW -
Dr. Andreas Prüeß
Arbeitsgemeinschaft Stickstoff
N Gliederung Einführung Ammoniakkonzentration / Critical Level Stickstoffdeposition / Critical Load Stickstoffüberschuss / Critical Surplus Anwendungsbeispiele Literatur Freiburg, den 3.2.2021, Folie 2
N Einführung Weltweit wird deutlich mehr Stickstoff in reaktive Form umgewandelt, als es für die Umwelt verträglich ist: NH3 – NOx – NO3 – N2O … Rund 2/3 stammt aus der Landwirtschaft und 1/3 aus Industrie und Verkehr (Baden-Württemberg und Deutschland) Negative Wirkungen für Biodiversität, Klima und Gesundheit Das Stickstoffproblem wird aber erst in kleinen Fachkreisen kommuniziert Ökologische Belastungsgrenzen sind noch nicht geregelt und die korrespondierenden Maßnahmen sind noch in der Planung Freiburg, den 3.2.2021, Folie 3
N
Die nicht geregelte N-Produktion
Weltweite NH3-Produktion
Hauptquelle für reaktiven 160
Stickstoff: Die industrielle
Herstellung von 140
Mineraldünger (Haber-
Bosch-Verfahren). 120
M io t Stickstoff (NH3-N)
100
Seit 1980 übersteigt die NH3-
Produktion die Planetare 80
Belastungsgrenze*
Planetare Belastungsgrenze
60 Planetare Belastungsgrenze
NOx wirkt zusätzlich
40
StickstoffBW Grafik
Öko-Institut e.V.
20
Datengrundlage
//minerals.usgs.gov
*STEFFEN ET AL. (2015): Planetary boundaries: Guiding human
development on a changing planet.- http://science.sciencemag.org
0
1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 4
N
Planetare Belastungsgrenzen sind
überschritten
Vielfalt der Lebensräume wichtig für Erhalt der Arten (Gama-Biodiversität).
Ubiquitäres Nährstoffangebot in Luft und Boden (Wasser) nivelliert
Lebensräume
Abbildung von Steffen et al. 2015 (deutsche Übersetzung) siehe
https://www.bmu.de/themen/europa-internationales-nachhaltigkeit-
digitalisierung/nachhaltige-entwicklung/integriertes-umweltprogramm-
2030/planetare-belastbarkeitsgrenzen/
Will Steffen et al: Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. In: Science.
(2015), doi:10.1126/science.1259855. http://science.sciencemag.org/content/347/6223/1259855
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 5
N
Stickstoffarmutszeiger nehmen ab
N-Wert nach Ellenberg (mN)
25
Rund 1.000 stickstoff- 1970-1998
empfindliche Arten 20 2005-2014
Artenzahl
15 Mittlere Artenzahl
Herausforderung Nr 1.: Gefäßpflanzen
in 46 Rasterfeldern
10
historische Daten zu (TK25/4) nach W ÖRZ &
THIV (2015)*
Vegetation und 5
Nutzung 0
*Wörz & Thiv (2015): The
temporal dynamics of a regional
flora –The effects of global and-
1 2 3 4 5 6 7 8 9
local impacts.- Flora 217, S. 99-
mN 108.
FFH Lebensraum: Beispiel Trockenrasen Indikator: Rentierflechte Indikator: Habichtskraut-Wiesenspinner
Bild: SIEGFRIED DEMUTH, 2017 Bild: VOLKMAR W IRTH, 2013 Bild: ROBERT TRUSCH, 2017
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 6
N StickstoffBW Gremien und Projekte Arbeitsschwerpunkt 2021: AG2 Critical Loads trifft sich monatlich online zum Abschluss von sechs Critical Load Projekten Freiburg, den 3.2.2021, Folie 7
N
Typen von Belastungsgrenzen
Begriff Abk Einheit Bedeutung Bewertungsraum
Kritische N-Konzentrationen
Critical Level CLe [µg m-3] / [mg l-1] flächendeckend
in der Umwelt
Kritische N-Deposition in Wald, Offenland,
Critical Load CL [kg ha-1 a-1]
Ökosysteme Gewässer
Kritischer N-Überschuss der
Critical Surplus CS [kg ha-1 a-1] Agrarflächen
Agrarfläche
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 8
N Typen der Vorbelastung (Auszug) im Daten- und Kartendienst der LUBW Ammoniakkonzentration Stickstoffdeposition Stickstoffüberschuss Details siehe https://udo.lubw.baden-wuerttemberg.de/public/ > Stickstoff Freiburg, den 3.2.2021, Folie 9
N Freiburg, den 3.2.2021, Folie 10
N
Ammoniakkonzentration in der EU
Critical Level für NH3-deutlich
überschritten
niedere Pflanzen und
Biodiversität gefährdet
> 1 µg NH3 m-3
auch höhere Pflanzen
sind gefährdet
> 4 µg NH3 m-3
Datengrundlage EMEP 2018 (Stand der
Daten 2016) aus StickstoffBW Projekt der
AG1 Deposition mit INS Uni Stuttgart, TNO,
Uni Köln, Meteotest Bern und anderen
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 11N
Ammoniak in BW/CH
Critical Level für NH3-deutlich
überschritten
> 1 µg NH3 m-3
> 4 µg NH3 m-3
Datengrundlage Meteotest Bern (v8), Stand
11/2018 für die Schweiz BAFU aus
StickstoffBW Projekt der AG1 Deposition
mit INS Uni Stuttgart, TNO, Uni Köln,
Meteotest Bern
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 12N Stickstoff im Kartendienst [ha] Die neuen BW Karten basieren auf 100 x 100 m Ausbreitungs- berechnungen (NH3) und europaweiten Chemie-Transportmodellen (NOx) – Bearbeitung: Universität Stuttgart INS, Metotest Bern und andere der StickstoffBW AG1 Deposition Ammoniakkonzentration ist im Vergleich zur Stickstoffdeposition sehr viel robuster, einfacher und sicherer anzuwenden Freiburg, den 3.2.2021, Folie 13
N
Ausbreitung von Ammoniak in der Luft
In welcher Entfernung wirkt sich die Emission auf die Deposition aus?
(Angaben in km)
NH3-N Trocken-Deposition
NH3 Emission 0,1 g/ha a 1 g/ha a 10 g/ha a 100 g/ha a 300 g/ha a
1 kg/a 2 km 0,5 km 0,2 km 0,1 km < 0,05 km
Düngung
10 kg/a 5 km 2 km 0,5 km 0,2 km 0,1 km
100 kg/a 20 km 5 km 2 km 0,5 km 0,3 km
1.000 kg/a > 50 km 20 km 5 km 2 km 1,1 km
Stall
10.000 kg/a > 100 km > 50 km 20 km 5 km 3,4 km
Beispiel: Eine NH3-Emission von 1 kg/a (extensive Weide) verursacht in 0,5 km Entfernung einen N-
Eintrag von 1 g N/ha a (hier: Modell LAI/LANA 2019; die gerundeten Entfernungen
veranschaulichen die Dimensionen von Frachten und Entfernungen und können im Einzelfall stark
abweichen)
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 14N
Kompensationspunkt für Ammoniak
3,50
• ab 1 µg/m3 sinkt die
Depositionsgeschwindigkeit 3,00 Baden-Baden
Depositionsgeschwindigkeit (hier Trocken+Feucht!)
von Ammoniak (Folge der y = 2,3928e-0,303x
2,50 R² = 0,7892
Sättigung der Vegetation /
Überschreitung des 2,00
Kompensationspunktes)
1,50
• relevant bei Weidenutzug
cm/s
1,00
• daher sind in BW künftig
immer Konzentrationen und 0,50
Depositionen zu bewerten 0,00
Ravensburg
(CL Bericht 2019) 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
NH3-Konz (Landkreismittel) µg/m3
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 15N CL Critical Load Methodik Veränderungen in 100 Jahren ab „idealtypischem Zustand“ Düngungs- und Trophietransektdaten -> Empirische Critical Load Spannen als Expertenschätzung (Bobbink et al. 2011; in Revision) Interpolation der CL-Spannen mit Hilfe einer „Einfachen Massenbilanz“ (SMB) Start der CL-SMB Neufassung mit der „CL Datenmappe 2014“; -> Korrekturen und Vereinfachungen (NEU mit Trophiestufen) -> „CL Datenmappe 2022“ Rekonstruktion der Stickstoffflüsse vor den 1950er Jahren wichtig für das Verständnis von historischer Biodiversität Stickstoffwirkungen lassen sich nur mit sehr guten Felddaten belegen (sehr deutliche Trophievarianz ist erforderlich; historische Nutzung muss bekannt sein) Freiburg, den 3.2.2021, Folie 16
N
Critical Level & Critical Load (Stand 2019)
CL-Bericht 2019, Tabelle 5.1 (Auszug)
CLe NH3 CLSMB N FFHiG
LRT LRT-Name (Kurzbezeichnung) Ø mNc
µg m-3 kg ha-1 a-1 ha BW
2330 Binnendünen mit Magerrasen 1-2 5-24 1,6 (1,5) 87
6210(*) Kalk-Magerrasen (2-3) 12-35 2,2 4.881
6230* Artenreiche Borstgrasrasen 2-3 10-24 2,1 2.567
6410 Pfeifengraswiesen (2-3) 12-36 2,4 724
6510 Magere Flachland-Mähwiesen (2-3)E 12-43 3,1 22.162
6520 Berg-Mähwiesen (2-3) E 17-26 4,6 1.634
7110* Naturnahe Hochmoore (1-2) 5-23 1,5 617
8220 Silikatfelsen mit Felsspaltenvegetation 1-2 (4-25) 2,0 (1,4) 303
9190 Bodensaure Eichenwälder auf Sandebenen (1-2) 8-14 3,1 316
91D0* Moorwälder (1-2) 7-28 1,6-2,0 1.778
9410 Bodensaure Nadelwälder (1-2) 11-27 3,2 914
mNc Ellenberg-Zeigerwert für Nährstoffe; FFHiGBW Gemeldete LRT-Fläche innerhalb von FFH-
Gebieten in Baden-Württemberg (Stand Ende 2017), weitere Details siehe https://pd.lubw.de/69710
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 17N
Einfluss der SMB Summanden
CL-Bericht 2019, Tabelle 5.2
SMB-Glied Niedriger CL Hoher CL
Nle Empfindlichste Pflanzenarten im LRT (Ncrit(plant)) sehr empfindlich weniger empfind.
Gebietskulisse (Ncrit(water)) empfindlich -
Sickerrate gering hoch
Nue Biomasse-Abfuhr niedrig relativ hoch
Vegetationsperiode kurz lang
Ertragsfähigkeit niedrig hoch
Beweidung extensiv intensiv
Nim Düngung gering ohne
Biologische. N-Bindung mittel nahezu keine
Nde Vernässung trocken nass
Ni Bodenalter -N Thema Nr. 1: Biomasse vs. Arten Die Wirkung der Düngung auf die Arten ist grob seit den 1950er bekannt Eindeutige Fachkonvention wichtig für den Schutz der Biodiversität LRT 6510 Magere Flachland-Mähwiese Was ist der idealtypische Entzug? Der Ertrag einer frischen Glatthaferwiese sinkt mit sinkender Düngung von 45-70 dt/ha (Kerbel-Form) auf 10-25 dt/ha (Wiesenrispenform). Ohne Düngung: 5-20 dt/ha (Rotschwingel-Wiesenrispenform); vgl. Abbildung aus Ellenberg & Leuschner (2010): Vegetation Mitteleuropas, 6. Auflage Die Artenzahl sinkt mit steigendem Ertrag von > 60 Arten bei < 30 dt/ha bis < 15 Arten bei > 90 dt/ha; vgl. Abbildung in Hutter, Briemle & Fink (1993): Wiesen, Weiden und anderes Grünland. Freiburg, den 3.2.2021, Folie 19
N Belastungsgrenzen im Kartendienst In Baden-Württemberg werden für rund 100.000 Lebensraumtyp / Standortkombinationen standortspezifische Critical Level und Critical Load gesetzt (Ziel sachgerecht und rechtssicher). LRT 2330 Binnendünen mit Magerrasen bei Waghäusel LRT 8220 Silikatfelsen mit Felsspaltenvegetation im Hochschwarzwald Freiburg, den 3.2.2021, Folie 20
N
Stickstoffüberschuss Baden-Württemberg
Stickstoffüberschuss
der Landwirtschaft liegt
erst als grobe Statistik
vor
Erhebung von
Betriebsdaten noch
in der Erprobung
Der aktuelle „Grenzwert“
ist der Maximalwert für
Baden-Württemberg
In 2021 Korrektur der N-
Fixierung durch
Leguminosen geplant
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 21N Methodik Critical Surplus Stickstoffüberschuss Typ1 (incl. Deposition) wird mit dem „Critical Surplus“ bewertet Vollständige Erfassung der Flüsse zwingend erforderlich Erste Details sind im Bund- Länder CS Bericht 2017 veröffentlicht Freiburg, den 3.2.2021, Folie 22
N Beispiel für die Kalibrierung der kritischen Überschüsse Belastungsgrenze NH3-Konzentration NH3-N-Emission N-Bilanzüberschuss für µg m-3 kg ha-1 a-1 kg ha-1 LF-1 a-1 kg ha-1 LF-1 a-1 niedere Pflanzen 1,0 6,6 9,4 30 höhere Pflanzen von 2,0 11,2 15,9 50 höhere Pflanzen 3,0 15,7 22,3 75 höhere Pflanzen bis 4,0 20,3 28,8 95 Ermittlung kritischer Überschüsse (gerundet) aus den kritischen Ammoniakkonzentrationen (Erläuterungen: Belastungsgrenzen von/bis = Unter-/Obergrenze Unsicherheitsbereich nach ICP (2010); Weitere Annahmen: Waldanteil 30%, 1/3 des Überschusses wird in die Atmosphäre emittiert) Freiburg, den 3.2.2021, Folie 23
N
Maßnahmenfelder für Baden-Württemberg
(1) Kommunikation Stickstoff, Umwelt und Ernährung (Öffentlichkeitsarbeit)
und Evaluierung von Bildungs-, Beratungs-, Schulungsangeboten
(2) Ausbau des Öko-Landbaus, Überprüfung der Flächenbindung der
Tierhaltung und Ausweisung von Trophiezonen
(3) Senkung der Stickstoffimporte durch Mineraldünger und Futtermittel,
Evaluierung der End-of-pipe Maßnahmen und Konzeption eines
Nährstoffmanagements
(4) Sonstige Maßnahmen im Bereich Verkehr, Energie und Industrie
(5) Rechtliche Verankerung von Belastungsgrenzen, Evaluierung von
Maßnahmen und Weiterentwicklung von Förderprogrammen
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 24N
In Diskussion: Trophiezonen für den Schutz
der Arten und der Landwirtschaft
Critical Level / Critical Load / Critical Surplus
Tz1 Tz2 Tz3 Tz4 Tz5
Förderung / Ausgleich
Intensität / Ertrag
GV/ha
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 25N
StickstoffBW Literatur (Auszug)
Thema Perma URL
Critical Load Dokumentation 2014 https://pd.lubw.de/44534
Critical Load Bericht 2019 https://pd.lubw.de/69710
Critical Surplus Bericht 2017 https://pd.lubw.de/15696
Überschussbericht 2017 https://pd.lubw.de/97381
Instrumente zur Reduktion der
https://pd.lubw.de/10179
Stickstoffüberschüsse
Daten- und Kartendienst
https://www.lubw.de/
> Stickstoff
Freiburg, den 3.2.2021, Folie 26N Weitere Informationen https://www.lubw.baden-wuerttemberg.de/medienuebergreifende-umweltbeobachtung/stickstoffbw Freiburg, den 3.2.2021, Folie 27
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