Clkotoxikologie Okologische Zustandserfassung

Beitragsserie: Projekt ,,Angewandte Okologie": Okotoxikologie

Hrsg.: Landesanstalt fiir Umweltschutz Baden-Wiirttemberg, Projekt ,,Angewandte (Dkologie" (PAO), Griesbachstrafle 3, D-W-7500 Karlsruhe 21

[Die Beitragsserie aus der Ausgabe 5/92 wird bier fortgesetzt. I [ I

Okologische Zustandserfassung der Umwelt in Baden-Wfirttemberg

Kurt Kreimes (Dipl.-Biol.)

Landesanstalt ffir Umweltschutz Baden-Wfirttemberg, Griesbachstraf~e 3, D-W-7500 Karlsruhe

Zusammenfassung. Das 6kologische Wirkungskataster Ba- den-Wfirttemberg besteht seit 1984. Die Untersuchungen haben das Ziel, Wirkungen von Umweltchemikalien zu erfassen und die damit verbundenen Risiken zu bewerten. Bioindikatoren werden dabei in verschiedenen landesweiten Mef~netzen eingesetzt, um die Grundbelastung der Natur zu ermitteln. Die Einzelergebnisse wer- den in einer 6kotoxikologischen Datenbank zusammengefat~t, um einen Gesamtfiberblick fiber die Belastungssituation yon Baden- Wfirttemberg zu erhalten. Im Rahmen yon 6kotoxikologischen Untersuchungen soil gepriift werden, inwieweit es m6glich ist, Luft fiber eine Pumpe anzusaugen und fiber ein Adsorbens zu leiten, im Labor die Schadstoffe zu eluieren und geeigneten Biotests zuzu- ffihren.

1 Einleitung und Problemstellung

Durch die zunehmende Industrialisierung ist ein System von vernetzten Ursache-Wirkung-Zusammenh~ingen entstan- den. In der BRD wurden 1980 die ersten Waldschfiden do- kumentiert, 1985 ist bereits die H~ilfte des Waldes geschfi- digt, 1992 ist jeder dritte Baum erkrankt. Als Schadensur- sache m~ssen Luftschadstoffe verantwortlich gemacht wer- den, die zur Schfidigung des Okosystems ,,Wald" und anderer Okosysteme ffihren (~ Abb. 1). Aufgrund der

Kurzzeitwert TALuft (1976)

m

Langzeitwert TALuft (1976)

weniger empfindliche Pflanzen

empfindliche Pflanzen

sehr empfindliche Pflanzen

o,o o,1 0.2 o,3 0,4 o,5

(mgSO2/m3)

Abb. 1: Schwefeldioxid (mgSOzm3)-Schadschwellen (verfindert nach BOSSEL 1990)

Vielzahl von m6glichen Einzelstoffen und der sich daraus ergebenden Kombinationsm6glichkeiten ist es nicht m6g- lich, mit Hilfe von Met~werten auf Schadwirkungen zu schlieflen. Vorhandene Beurteilungskriterien von Schad- stoffgehalten wie Richt- und Grenzwerte orientieren sich nur in Ausnahmef~illen an Wirkungen.

Vorhersagen der Schadstoffanreicherung in C)kosystemen k6nnen bei der Betrachtung von Schadstoffkonzentrationen im Hinblick auf Schadwirkungen und Anreicherungsfakto- ren nicht gemacht werden.

2 Okologisches Wirkungskataster Baden- Wiirttemberg

Um den genannten Sachverhalten gerecht zu werden, wur- de 1983 bei der Landesanstalt f~r Umweltschutz Baden- W~rttemberg mit dem Aufbau eines Okologischen Wir- kungskatasters begonnen. Ziel ist es, Wirkungen von Um- weltschadstoffen auf natiirliche Systeme zu erfassen und zu bewerten. Eine r~umliche Differenzierung der Belastungssi- tuation yon Baden-W~rttemberg steht im Vordergrund. Das 6kologische Wirkungskataster dient als Friihwarnsy- stem f~r unerkannte anthropogene Schadstoffe und Schad- stoffgemische, bzw. deren Langzeitwirkungen, und als Kontrollsystem fiir durchgefiihrte Mat]nahmen.

Die Hauptkomponenten des 6kologischen Wirkungskata- sters Baden-W~rttemberg sind verschiedene Einzelmet~net- ze, die sich gegenseitig erg~inzen. Dabei werden zwei unterschiedliche Verfahrensans~itze zur Ermitt|ung der Schadwirkung luftgetragener Schadstoffe eingesetzt:

2.1 Aktives Monitoring

Hier werden Bioindikatoren an ausgew~ihlten Beobach- tungsstandorten exponiert und nach einem vorgegebenen Zeitraum der Zustand bewertet. Es handelt sich um stan- dardisierte Verfahren. Im Rahmen des 6kologischen Wir- kungskatasters werden zwei landesweite Meflnetze im aktiven Monitoring betrieben.

UWSF-Z. Umweltchem. ()kotox. 4 (6) 339-342 (1992) 339 �9 ecomed-Verlag Landsberg �9 Ziirich

Okologische Zustandserfassung Okotoxikologie

1. Klon-Fichten-Met~programm

Die Fichten sind durch Stecklingsvermehrung aus einer ein- zigen Mutterpflanze aufgezogen. Dutch dieses Klonen wird erreicht, dal~ alle Indikatorpflanzen genetisch identisch sind. Die Klon-Fichten werden in Containern exponiert und j~ihrlich im Herbst beprobt, auf sichtbare ScMden un- tersucht. Die Proben von 30 Untersuchungsstellen werden auf Schad- und N/ihrstoffgehalte analysiert (ZIMMERMANN & RUDOLPH 1986).

2. Photooxidantien-Indikatorprogramm

Viele Pflanzen reagieren mit charakteristischen Blattflecken auf Photooxidantien, deren Leitsubstanz Ozon ist. Die Empfindlichkeit der Pflanzen ist sehr stark von den herr- schenden klimatischen Gegebenheiten abhiingig. Bei Trok- kenheit und Hitze ist der Gasaustausch stark reduziert. Das Sch~idigungsniveau ist gering. Der Sachverhalt wird deut- lich, daf~ zwischen gemessenen Konzentrationen und den daraus resultierenden Sch~iden kein linearer Zusammen- hang besteht. Bei den routinem~it~igen Untersuchungen werden Buschbohne, kteine Brennessel und Klee an 20 Un- tersuchungssteUen exponiert (ARNDT et al., 1985). Der An- teil an Blattsch~iden wird als Maf~ ffir die Photooxidantien- belastung angegeben.

2.2 Passives Monitoring

Ziel ist es, Schadstoffwirkungen an unterschiedlichen Oko- systemen zu erfassen und fiber einen liingeren Zeitraum zu beachten. Die Auswahl der Untersuchungsfl~chen erfolgte auf der Basis der natumiumlichen Gliederung yon Baden- Wiirttemberg.

1. Dauerbeobachtungsfl~ichen ,,Griinland"

Bestimmte Grfinlandfl~chen, z.B. n~hrstoffarme Halb- trockenrasen, reagieren empfindlich auf Schadstoffeintrfi- ge. Hier ist besonders Stickstoff hervorzuheben, der aufgrund seiner Dfingewirkung tiefgreifende Ver~inderun- gen von n~ihrstoffarmen Okosystemen bewirkt. Das MeG netz besteht aus 15 Dauerbeobachtungsflfichen.

2. Dauerbeobachtungsstellen ,,Flief~gew/isseroberl~iufe"

Hier werden Okosysteme integriert, die durch den Chemis- mus der Wassereinzugsgebiete stark beeinfluf~t werden. Mit zunehmender Versauerung gehen Metalle in L6sung und werden in Fliet~gewiisser eingeschwemmt. Hervorzuheben ist hierbei Aluminium, das als Aluminiumhydroxid toxisch auf Entwicklungsstadien von Amphibien und Fische wirkt (LINNENBACH & GEBHARDT 1987). Im Rahmen des Okolo- gischen Wirkungskatasters wurden 38 Dauerbeobach- tungsstellen eingerichtet.

3. Dauerbeobachtungsfl/ichen ,,Wald"

Das Okosystem ,Wald" stellt in Baden-Wfirttemberg den Biotoptyp mit dem gr6f~ten Fl~ichenanteil dar, wobei Bu- chenw~ilder mit Ausnahme der H6henlagen urspriinglich typisch sin& Die Auswahl der Fl~ichen (UMLAUF-

ZIMMERMANN & KREIMES 1987) erfolgte auf der Basis der naturr~iumlichen Gliederung. Ffir jeden Naturraum wurde eine typische und m6glichst naturnahe Fl~iche ausgewiesen. Das Met~netz besteht aus 60 Dauerbeobachtungsfl~ichen. Die Untersuchungsparameter sind der Tabelle (-, Tabelle) zu entnehmen.

Tabelle: Untersuchungsparameter an den Dauerbeobachtungsflfichen ,,Wald" des Okologischen Wirkungskatasters Baden- Wfirttemberg

Abiotik

Akkumulations- indikator

Reaktionsindikator

Kompartiment

Klima Boden

Moose Krautschicht Baumschicht Lumbriciden (Regenwfirmer) Rehe

epiphytische Flechten Moose Krautschicht Baumschicht Lumbriciden (Regenwarmer) Gastropoden (Schnecken) Collembolen (Springschwfinze)

Parameter i Mikroklima Feuchte, Temperatur Gesamtuntersuchung

Schadstoffe Schad- und N&hrstoffe Schad- und N&hrstoffe Schadstoffe

Schadstoffe

Artabundanzen

A~abundanzen A~abundanzen, Vitalit~ Vitalit~t Artabundanzen, Biomasse A~abundanzen

A~abundanzen

3 Ergebnisse

Die Daten zu den verschiedenen landesweiten Mefgnetzen wurden bislang projektbezogen ausgewertet. Dabei wurden die Einzelergebnisse der verschiedenen Untersuchungspara- meter, bezogen auf Beurteilungsriiume, ausgewertet, be- wertet und graphisch dargestellt. Die r/iumliche Ergebnis- darstellung erfolgt auf der Basis einer geometrischen Fl~i- chenaufteilung nach dem Prinzip der Abstandshalbierung (Dauerbeobachtungsfliichen ,Wald") und der naturriiumli- chen Gliederung yon Baden-Wfirttemberg (--, Abb. 2 - 5). Nachfolgend werden einige Ergebnisse der Dauerbeobach- tungsfliichen ,Wald" exemplarisch aufgezeigt. Eine Ge- samtdarstellung der Ergebnisse findet sich in den Jahres- berichten (LfU 1985, 1986, 1987, 1988, 1989) zu dem Okologischen Wirkungskataster.

Die Vitalitiit der Krautschicht weist Gebiete mit hohen Sch~iden aus. Die Bestandesbonitur, ein Mat~ ffir die Vitali- t/it der B/iume, 1/it~t den Schwarzwald als eine Region mit hohen Waldsch~iden erkennen. Die Anreicherung yon Schwermetallen in der Krautschicht ist immissionsbedingt und weist einen Nord-Siid-Gradienten auf mit einem Bela- stungsschwerpunkt in der n6rdlichen Oberrheinebene.

Diese und andere Ergebnisse lassen zwei verschiedene Ge- fiihrdungstypen ffir Okosysteme in Baden-Wiirttemberg er- kennen, die nicht unmittelbar emittentenbeeinflut~t sind:

340 UWSF-Z. Umweltchem. Okotox. 4 (6) 1992

t3kotoxikologie (3kologische Zustandserfassung

gut

mittel

schlecht

Abb. 2: Vitalit~it der Krautschicht

gemessen hergeleitet

bis 20 % ~ 21 - 3 0 % ~ L~ber 30 O/o

�9 Bestandesbonitur �9 Probenbaumbonitur

Abb. 3: Bestandsbonitur

Standorte ohne Risiken for das Okosystem Standorte mR geringen Risiken for das Okosystem Standorte mit grSBeren Risiken for das Okosystem

I I keine Werte

Abb. 4: Akkumulation von Schadstoffen (Pb, Cd) in der Krautschicht

hoch (fiber 23)

mittel ( 13 -23 )

gering (unter 13)

Abb. 5: Artenzahl der Collembolen (Springschw~inze)

UWSF-Z. Umweltchem. Okotox. 4 (6) 1992 341

Kurznachrichten Okotoxikologie

1. Gebiete mit hohen Schadstoffeintr~igen aus der Luft, die auch unter giinstigen natiirlichen Voraussetzungen zu St6- rungen des 6kologischen Gleichgewichts ffihren; dies be- trifft in erster Linie die n6rdliche Oberrheinebene mit den Verdichtungsr~iumen Mannheim und Karlsruhe.

2. Gebiete mit hoher St6ranfiilligkeit aufgrund geringer Pufferkapazitiit der B6den. Hier k6nnen bereits geringe Schadstoffeintrfige zu erheblichen Wirkungen im Okosy- stem ffihren. Zu dieser Gruppe sind besonders der Schwarz- wald und der Odenwald zu rechnen.

4 Tendenzen und zukiinftige Entwicklungen

Die Auswertung der Ergebnisse auf der dargestellten Para- meterebene kann nicht als befriedigend angesehen werden, weil dadurch keine abschliet~enden Bewertungen einzelner Rdume gemacht werden k6nnen. Es ist geplant, fiber einen Auswertealgorithmus, der nicht nur statistisch belegte Fak- ten, sondern auch Expertenwissen zul~if~t, die Einzelpara- meter zu einer Gesamtbewertung zu verrechnen. Ziel ist es welter, Einzelparameter, die stoffgruppenspezi- fisch reagieren, zu thematischen Aussagen zusammenzu- fiihren. Hierdurch k6nnte z.B. eine Obersicht fiber den Einfluf~ von Schwermetallen auf natfirliche Okosysteme er- stellt werden. Aus solchen stoffgruppenspezifischen lDber- sichten kann dann ein Handtungsbedarf hinsichtlich der Reduktion von bestimmten Schadstoffkomponenten einge- leitet werden. Eine Me~netzoptimierung kann dahingehend erfolgen, daf~ Untersuchungsparameter, die keinen Einflug auf die End- bewertung haben, aus dem Untersuchungsprogramm ge- strichen werden. Derzeit wird bei den Akkumulationsin- dikatoren die Schadstoffpalette mit organischen Parame-

tern erweitert. Erste Untersuchungen zeigen, daf~ aufgrund der PCB- und PAK-Gehalte von Buchenbl~ittern eine r~ium- liche Differenzierung m6glich ist (HOPKER 1991 ). Ffir einen routinem~if~igen Einsatz von Bioindikatoren zum Nachweis organischer Schadstoffe ist jedoch eine Standardisierung der Probenahme und Analytik erforderlich.

5 Literatur

ARNDT, U.; W. ERHARDT; A. KEITEL; K. M1CHENFELDER; W. NOBEL; C. SCHLUTER: Standardisierte Exposition von pflanzlichen Reak- tionsindikatoren. Staub-Reinh. Luft 45 (10), 4 8 1 - 482 (1985)

BOSSEL, H.: Umweltwissen. - Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, S. 167 (1990)

HOPKER, R, K.: Bioindikation organischer Luftschadstoffe - Erste Erfahrungen im Okologischen Wirkungskataster Baden-W/irttem- berg. VDI Berichte 901 (1991)

LfU - Landesanstalt f i r Umweltschutz (Hrsg.): lmmissions6kologi- sches Wirkungskataster Baden-W6rttemberg. Jahresbericht 1984 der Landesanstalt f i r Umweltschutz, Karlsruhe 1985, 209 S.

- Jahresbericht 1985 der Landesanstalt ffir Umweltschutz, Karlsruhe 1986, 281 S.

- Jahresbericht 1986 der Landesanstalt ffir Umweltschutz, Karlsruhe 1987, 264 S.

- Jahresbericht 1987 der Landesanstalt f/ir Umweltschutz, Karlsruhe (1988), 257 S.

- Jahresbericht 1988 der Landesanstalt ffir Umweltschutz, Karlsruhe 154 S. (1989)

LINNENBACH, M.; H. GEBHARDT: Untersuchungen zu den Auswirkun- g e n d e r Gewasserversauerung auf die Ei- und Larvalstadien von Rana temporaria (LINNAEUS 1958) (Anura: Ranidae). Salamandra 3 (2/3), 1 5 3 - 1 5 8 (1987)

UMLAUFF, R.; R.-D. ZIMMERMANN; K. KREIMES: Passives Monitoring in Wald-Okosystemen. Verh. Ges. f. Okologie Bd. XVI, 16. Jahrestagung Giel~en 1986, 85 - 90 (1987)

ZIMMERMANN, R.-D.; P. RUDOLPH: Klon-Fichten - Ein neuer Bioin- dikator im aktiven Monitoring. Allg. Forstzeitschr. 1 /2 , 1 3 - 14 (1986)

Kurznachrichten

EG-Projekt ,,Waldbrand- Monitoring"

- SATELLITEN IM EINSATZ GEGEN WALDBR~INDE

J~ihrlich - so scMtzen Experten des United Nations Environmental Program (UNEP) - ver6det eine Fliiche von 60 000 km 2, das ent- spricht drei Viertel der Fl~iche Osterreichs (so Univ,-Doz. Dr. Manfred BUCHROITHNER, Joan- neum Research). In Europa sind es vor aUem die Mittelmeerliinder, die unter den Folgen der Bodenerosion zu leiden haben. Ein Haupt- grund: Waldbr~inde, deren Ursachen yon Brand- stiftung auf Grund yon Grundstficksspekulatio- nen bis zur Selbstentz6ndung reichen. So gehen in Frankreich, Spanien, Italien und Portugal pro Jahr 5 350 km 2 Wald, also halb Ober- 6sterreich, in Flammen auf. Alarmiert von diesen Zahlen, initiierte die Eu- rop~iische Gemeinschaft im Rahmen des Schwer-

punktes UMWELT im 3. EG-Rahmenprogramm ein Forschungsprojekt, das der Bodenerosion als Folge von Waldbr~inden einen Riegel vor- schieben soll: Fernerkundungsexperten der JOANNEUM RESEARCH werden mit Parmern aus Grof~bri- tannien (University of Surrey) und Griechen- land (Technische Universitiit Athen) ein Expertensystem entwickeln, das auf der Basis yon 1. Satellitendaten und. 2. einem Geogra- phischen Informationssystem die Gefahr yon Waldbriinden erkennen kann.

1. Die Basis fOr das wissensbasierte System bil- den die Satellitendaten des - amerikanischen Satelliten LANDSAT - franz6sischen Satelliten SPOTT -Radarsatell i ten ERS-1 der Europiiischen

Weltraumbeb6rde.

2. Mit dem yon Wissenschaftler der JOAN- NEUM RESEARCH entwickelten ,,Remote Sensing Software Package Graz (RSG)" k6n- nen die Daten dieser Satelliten geometrisch entzerrt und iiberlagert werden. Das Resultat ist ein hochgenaues Geliindemodell, das auch wichtige topographische Informationen (Neigungswinkel, Hangorientierung und -steil-

heit) beinhaltet. BUCHROITHNER: ,,Die digitale Reliefinformation bietet die Grundlage fiir ein geographisches lnformationssystem, das weite- re Daten iiber das beobachtete Gebiet gespei- chert hat: Hdufigkeit von Waldbrdnden, Bo- denarten und -feuchte, Baumbestand, Bodenbe- deckung, Temperaturen und Niederschlags- mengen, um nur eimge zu nennen." Line Unmenge von Daten wird also in digitaler Form zur Verfogung stehen: die Regeln, welche Daten wie verkn6pft werden m6ssen, um rele- vante Aussagen fiber die Gefabr von Waldbr~in- den zu erhalten, werden in einem wissensba- sierten System zusammengefaf~t. Bei der Einga- be neuer Met~daten soil das System dann auto- matisch die aktuell besonders stark gef~ihrdeten Bereiche ausweisen - die Forstbeh6rden k6n- nen gezielte Magnahmen treffen und damit ver- hindern, daf~ die Mittelmeerl~inder bald zu den ersten ariden Wiistengebieten Europas ziiblen.

Univ.-Doz. Dr. Manfred Buchroithner, DI Dieter Strobl

A-8010 Graz, Wastiangasse 6 Tel. (0316) 8020- 735 Fax (0316) 8020- 720

342 u w s r - z Umwdtchem. Okotox. 4 (6) 1992