Erfassung der Anreicherung von Metallen und Stickstoff in baden-württembergischen Moosen

Zusammenfassung Hintergrund, Ziel und Bereich Umweltmonitoring ist zentraler Bestandteil der UNECE Nachhaltigkeitsstrategie. Hierbei dient das Moosmonitoring der Dauerbeobachtung der Anreicherung von Metallen in terrestrischen Ökosystemen und liefert seit 1990 alle fünf Jahre europaweit flächendeckende Inventurdaten. 2005 wurde auch die Stickstoffanreicherung erfasst. Das Moosmonitoring wird in Deutschland von Bund und Ländern gemeinsam durchgeführt. Gegenstand dieser Untersuchung ist die Kartierung der zeitlichen Entwicklung der Metallanreicherung in Baden-Württemberg seit 1990, die Stickstoffanreicherung 2005, die räumliche Varianz der Metallbioakkumulation in Abhängigkeit von Eigenschaften der Moosbeprobungsstellen und ihrer Umgebung sowie erstmals auch die Verknüpfung der Stoffgehalte in den Moosen mit denen der flächendeckend modellierten Gesamtdeposition von Blei. Letztere wurde durch das European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) in einer Auflösung von 50 × 50 km² zur Verfügung gestellt. EMEP ist ein wissenschaftlich fundiertes, internationales Programm, das im Rahmen der Convention on Long-range Transboundary Air Pollution (CLRTAP) großräumige grenzüberschreitende Luftverunreinigungen in Europa erfasst und modelliert. Material und Methoden In Baden-Württemberg erfolgte die Bestimmung der Anreicherung von Metallen überwiegend in Hypnum cupressiforme seit 1990 und von Stickstoff 2005 nach europaweit harmonisierter Methodik qualitätskontrolliert. Die Daten der chemischen Analysen wurden mit den topografischen und ökologischen Beschreibungen der bis zu 78 Beprobungsorte und mit Informationen über die Landnutzung in ihrer Umgebung in dem WebGIS MossMet zusammengeführt und ausgewertet: Die räumliche Struktur der Metall- und Stickstoffanreicherung wurde per Variografie analysiert und modelliert sowie mit Kriging-Interpolation flächenhaft dargestellt. Aus den standort- und metallspezifischen Messdaten sowie den daraus geostatistisch berechneten Flächendaten über die Metallakkumulation wurde ein zusammenfassender Multimetallindex (MMI 1990 – 2005 ) jahresübergreifend für As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Ti, V und Zn berechnet und kartiert. Die Zusammenhänge zwischen den Schwermetallakkumulationen, Standortcharakteristika sowie Landnutzung und Emissionen wurden mit Rangkorrelationskoeffizienten und Kontingenzmaßen sowie am Beispiel von Pb multivariat-statistisch mit Chisquare Automatic Interaction Detection (CHAID) quantifiziert. Erstmals gelang es, die Stoffgehalte in den Moosen mit denen der europaweit flächendeckend modellierten EMEP-Gesamtdepositionsdaten am Beispiel von Blei zu verknüpfen und korrelationsstatistisch auszuwerten. Ergebnisse Die Moosanalysen zeigen von 1990 bis 2005 einen statistisch signifikanten Rückgang der Bioakkumulation für die meisten Metalle. Nur die Cr- und Sb-Gehalte in den Moosen nehmen von 2000 bis 2005 zu, jedoch nicht statistisch signifikant. Auch der Rückgang des MMI zwischen 2000 und 2005 ist statistisch nicht signifikant. Die Stickstoffgehalte in den baden-württembergischen Moosen rangieren zwischen 1,15 und 1,74 % und sind negativ mit der Bestandeshöhe korreliert ( r s = 0,43, p < 0,01). Die Rangkorrelationskoeffizienten, die den statistischen Zusammenhang zwischen Metallgehalten in den Moosen und die Landnutzung im Umkreis der Beprobungsorte kennzeichnen, rangieren zwischen r s = 0,3 und r s = 0,7 ( p < 0,05). Von den Standortmerkmalen weisen vor allem die Variablen Waldflächenanteil (insbesondere Cd, Pb, Zn), Flächendichte agrarischer Landnutzung (Cd, Hg, Pb, Zn), Niederschlagssumme im Akkumulationszeitraum (Cd, Pb, Zn), orografische Höhe (Cr, Fe, V), Bestandeshöhe (As, Hg, Pb, V) und Entfernung der Moosentnahmestelle von Straßen (Hg), Baumkronen oder Sträuchern (Cu, Hg, Pb, V) signifikante Korrelationen zur Metallanreicherung auf. Ohne Berücksichtigung der EMEP-Depositionsdaten für Cd identifiziert die multivariat-statistische Analyse mit CHAID den Waldflächenanteil im Umkreis von 5 km um die Moossammelstelle sowie die dortige Geländeneigung und Höhenlage als wichtigste Einflussgrößen für die Cd-Gehalte in den Moosen 2005. Die Pb-Gesamtdeposition (EMEP) und die Pb-Gehalte in Moosen Baden-Württembergs sind miteinander korreliert (2005: r = 0,52, p < 0,01). Diskussion Erstmals konnte in Baden Württemberg am Beispiel von Pb mit einer landesweit flächendeckenden GIS-gestützten Korrelationsanalyse gezeigt werden, dass die in den Moosen gemessenen Anreicherungen mit der modellierten Gesamtdeposition (EMEP) verknüpft sind. Die Stärke der statistischen Zusammenhänge erwies sich allerdings als zeitlich nicht stabil. Die hier gefundenen statistischen Beziehungen zwischen Depositionen und Stoffanreicherungen in Moosen müssen durch Vergleiche mit empirischen Messungen ergänzt werden. Erste diesbezügliche Pilotauswertungen erfolgten durch die räumliche Verknüpfung des bundesweiten Moosmonitoringnetzes mit Messnetzen, in denen die atmosphärische Deposition quantitativ bestimmt wird (z. B. dem ICP-Forests-Level-2-Messnetz). Durch das Moosmonitoring könnten die im Rahmen des ICP Mapping and Modelling erzeugten modellierten Depositionskarten validiert werden. Derartige Depositionskarten werden für die Berechnung praxisrelevant regional differenzierter Überschreitungen der Critical Loads benötigt. Ferner könnten mithilfe des Moosmonitorings die räumlich gering aufgelösten EMEP-Karten zu höher aufgelösten Depositionskarten verrechnet werden. Im Vergleich zu zeitlich höher aufgelösten Depositionsmessungen erfasst das Moosmonitoring großräumig ein breites Stoffspektrum, das auch in anderen Messnetzen selten gemessene Stoffe mit humantoxikologischer Bedeutung (z. B. As, Al, Hg, Sb, V) umfasst. Das standardisierte Biomonitoring von Luftverunreinigungen mit Bodenmoosen bildet also ein wichtiges Bindeglied zwischen der technischen Erfassung von Stoffeinträgen durch Deposition und der Anreicherung dieser Stoffe in biologischem Material. Schlussfolgerungen Das Moosmonitoring liefert wesentliche Beiträge zum Schwermetall- und zum Multikomponentenprotokoll der Convention on Long-range Transboundary Air Pollution (CLRTAP). Es belegt flächendeckend, wie sich Luftreinhaltepolitik auf die Anreicherung von atmosphärischen Stoffeinträgen in Schutzgütern wie der Vegetation auswirkt. Von besonderer umweltpolitischer Bedeutung ist, dass in keinem anderen Messprogramm räumlich so verdichtet Daten über ein breites, ökotoxikologisch und humanmedizinisch bedeutsames Stoffspektrum erhoben werden. Die räumliche Auflösung von Umweltinformationen ist ein wesentliches Kriterium für ihre Nutzbarkeit im Vollzug umweltpolitischer Maßnahmen auf Bundes- und Länderebene. Empfehlungen und Perspektiven Das Moosmonitoring sollte langfristig fortgesetzt werden, denn es ist ein konsequent organisiertes Programm der Umweltbeobachtung, das über drei räumliche Ebenen – Region (z. B. Bundesland oder Naturraum), Staat (z. B. Deutschland) und Kontinent (z. B. Europa) – methodisch abgestimmte, qualitätskontrollierte flächendeckende Daten zu Stoffanreicherungen in der belebten Umwelt über ein internetfähiges WebGIS-Portal bereitstellt. Zudem liefert das Moosmonitoring als einziges Messnetz in Europa räumlich hinreichend differenzierte, flächendeckende Informationen über die Stickstoffexposition naturnaher und agrarisch beeinflusster Ökosysteme, die auch für einzelne Staaten und deren administrative Untergliederungen wie etwa Bundesländer räumlich aussagekräftig sind. Die in anderen Untersuchungen jüngst belegten europaweiten Korrelationen zwischen Stoffanreicherungen in Moosen und EMEP-Depositionsdaten werden in weiteren Berechnungen dazu genutzt, die Kartierung der Metall- und Stickstoffdepositionen räumlich höher aufzulösen, um den Anforderungen aus Wissenschaft und Praxis besser als bislang entsprechen zu können.