Band 11 (R. Queck, 2003)

Ronald Queck, 2003:

Fraktionierung und zeitliche Diffrenzierung von Depositionsraten in Waldbestände, Dresden

ISBN 3-86005-436-8

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)

eingereicht an der Fakultät

Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften der Technischen Universität Dresden
Gutachter: Prof. Dr. Ch. Bernhofer
Prof. Dr. J. Matschullat
Prof. Dr. O. Wienhaus

Tharandt, Juli 2003

Zusammenfassung:

Nach der Entspannung der Lage in der Waldschadensproblematik durch Luftreinhaltungsmaßnahmen in Deutschland und Tschechien möchte die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum weiteren Verständnis der Stoffaustauschprozesse zwischen Waldökosystemen und Atmosphäre zu liefern. Dieses Verständnis ist auch nach Erholung der Wälder notwendig, um in Zukunft Schäden an der Lebensgrundlage Wald, wie sie bis in die neunziger Jahre in deutschen, tschechischen und polnischen Mittelgebirgen durch Schwefeldioxid-, Staub- und Flouridemissionen zu beobachten waren, zu vermeiden.

Von großem Interesse ist neben einer Einschätzung der Beiträge von Gasen, Stäuben und Niederschlägen zur Deposition, eine Quantifizierung des Einflusses wechselnder Umweltbedingungen und der Beschaffenheit der Oberflächen. Besonders sind in diesem Zusammenhang Wasserfilme auf Pflanzenoberflächen zu nennen.

Ziel der Arbeit war, 14- bis 30- tägige Summenproben in Niederschlagssammlern (CB: Bulksammler im Bestand, WO: Wet-Only Sammler im Freiland) mit Hilfe meteorologischer Daten und Methoden nach Depositionsformen zu fraktionieren und zeitlich zu differenzieren. Die Strategie der Aufgabenlösung lag darin, mit zusätzlich zur Verfügung stehenden Immissionsdaten verschiedener Stationen Depositionsmodelle zu betreiben und diese, wo notwendig an den Niederschlagsproben (CB-WO-Differenzen) zu kalibrieren. Die Schwerpunkte waren somit die Anwendung, Parametrisierung und Erstellung der Modelle.

Die Untersuchungen wurden an einem Fichtenbestand in den oberen (Oberbärenburg OBB) und in einem weiteren in den unteren Lagen des Osterzgebirges (Ankerstation Tharandter Wald ASTW) durchgeführt. Für die flächendifferenzierte Abschätzung der Deposition werden damit in dieser Arbeit Modelle und Parametrisierungen für zwei Waldstandorte in unterschiedlichen Höhenlagen zur Verfügung gestellt.

Zur Modellierung wurde die Deposition nach den wirkenden physikalischen Prozessen in 3 Depositionsformen untergliedert: gasförmige, abgesetzte und fallende Deposition (Dg, Da und Df). Die abgesetzte Deposition wurde weiter in trockene Aerosole Da,t und ''feuchte'' Aerosole (Da,t und Da,w) geteilt. Für diese vier Fraktionen der Deposition konnten Zeitreihen mit halbstündlicher Auflösung berechnet werden.

Aus langfristigen Messreihen wurde zur exemplarischen Darstellung das Jahr 1998 ausgewählt. Die Beschreibung der Austauschprozesse ermöglichte auch, Lücken in den Messreihen durch Modellrechnungen zu schließen und eine vollständige Bilanz für das Jahr 1998 zu berechnen. Durch eine große Zahl von Messungen war mittels redundanter Methoden eine Validierung der Modellrechnungen möglich.

Die Parametrisierung der zur Beschreibung von Dg, Da,t und Da,w  verwendeten Widerstandsmodelle erfolgte an beiden Standorten unter Verwendung von Eddy-Kovarianz-Messungen. Aus Niederschlagsanalysen wurde durch ein Bezugsmodell über Natriumionen auf die stoffliche Zusammensetzung der trockenen abgesetzten Deposition geschlossen.

Für die Berechnungen der zeitlichen Transformation der Deposition in der Bestandeskrone wurde ein einfaches Kronenspeichermodell entworfen. Der modellierte Verlauf der Gesamtdeposition unter dem Bestand konnte durch die Messungen der Bulksammler validiert werden. Der Vergleich erfolgte anhand von Chloridionen, als ein von Kronenraumprozessen unbeeinflusstes Ion. Der modellierte Depositionsverlauf anderer Ionen weicht wegen dieser Kronenraumprozesse, aber auch der räumlichen Heterogenität des Bestandes von den Depositionsmessungen im Bestand ab. Die berechneten langfristigen Summen der Gesamtdeposition sind an beiden Stationen gut mit den in den Niederschlagssammlern gemessenen vergleichbar.

Die Quantifizierung ergab für 1998 und im Vergleich mit bisherigen Annahmen folgendes Bild: Literaturangaben zur Deposition von Schwefelverbindungen (SO2 und SO4^{2-}) streuen relativ stark. Die Berechnungen für die Bestände an der ASTW und in OBB liegen mit 23,3 und 29,5 kg-S/(ha\cdot a) im oberen Bereich der Angaben. Der Nitrateintrag wird höher als in allen anderen Arbeiten bestimmt, er beträgt an der ASTW 13,3 kg-N/(ha\cdot a) und in OBB 13,9 kg-N/(ha\cdot a). Der Unterschied wird hauptsächlich durch die hohe trockene Deposition begründet. Die Ammoniumdeposition von 15,5 kg-N/(ha\cdot a) an der ASTW und 11,8 kg-N/(ha\cdot a) in OBB wird von der ''nassen Deposition'' (Df+Da,w) dominiert, welche sich in den einzelnen Literaturangaben kaum unterscheidet. Die Streuung in den Angaben der trockenen Deposition wirkt sich daher relativ wenig auf die Gesamtdeposition aus.

Aus dem Unterschied zwischen modellierten Depositionen und CB-WO-Differenz und der für einige Termine auch negativen CB-WO-Differenz wird auf eine Stickstoffausgasung geschlossen. Dieser Prozess hängt vermutlich mit der Dauer und Häufigkeit der Befeuchtung zusammen und ist in den oberen Gebirgslagen stärker ausgeprägt.

Neben höheren Immissionen ist der Oberbärenburger Fichtenbestand gegenüber dem im Tharandter Wald extremeren Witterungseinflüssen ausgesetzt. Bedeutend höhere gemessene als modellierte Schwefel-, Kalium- und Calciumdepositionen deuten in OBB auf einen Austrag des gasförmig deponierten Schwefels und der Pufferionen hin. Möglicherweise spielen Schädigungen der Zellwände durch Ozondeposition dabei eine vorbereitende Rolle. Der durch die Pufferung des Schwefels verursachte Kaliummangel könnte in den oberen Lagen des Erzgebirges auch für die geringe Frosthärte älterer Nadeljahrgänge verantwortlich sein.

Schwachpunkt bei der Berechnung der abgesetzten Deposition ist das Na-Bezugsverfahren. Für eine Abschätzung von Kronenraumprozessen sind Stoffanalysen der Staubimmission unbedingt n